超高速半导体器件.PPT

浙江大学光电信息系 集成光电子器件及设计第四章 * 6.3 光集成的形式：单片集成 在半导体衬底上，只经过制作工艺，把所有元器件集成在一起。 PIC和OEIC：所有的光/电子器件/电路，经过晶体生长、光刻、刻蚀、成膜等制作工艺获得。 电子集成 光集成 材料 单一材料 多种材料(无源器件：SiO2,LN,LT,Nb2O5,Ta2O5,Si) (有源器件：III-V, II-VI, Si等) 集成密度 相当高 受以下因素影响：波导尺寸，元件尺寸（弯曲、定向耦合器等），光线直径 信号出入端 电连接 光线对准：对准与接触均困难 浙江大学光电信息系 集成光电子器件及设计第四章 * 6.3 光集成的形式：混合集成 用不同的制作工艺制成一部分元器件以后，再装在半导体衬底上或光学晶体衬底上。 双向光通讯用收发器： 半导体激光器和光探测器：半导体芯片 光波导基础光路：石英芯片 电路：硅衬底 分别选择合适的材料、工艺制作 浙江大学光电信息系 集成光电子器件及设计第四章 * 双异质结激光器 量子阱激光器 量子线激光器 量子点激光器 1载流子的量子限制 2增加参与跃迁的载流子数目 3降低阈值电流(1μA)，提高增益 4阈值电流受温度影响程度随着量子限制的增加而减弱 5…. 浙江大学光电信息系 集成光电子器件及设计第四章 * 4.1.5垂直腔面发射激光器(VCSEL) 半导体激光器的出射激光与衬底面相垂直，称为面发射激光器。 垂直腔Vertical cavity surface emitting laser, VCSEL指的是激光腔的光束放大与反馈方向垂直于衬底与有源层。 有源区：体异质结或量子阱结构（单量子阱或多量子阱），提供光增益 垂直腔：位于有源层的上下，高低折射率交替的介质层或半导体层膜堆构成DBR，半导体薄膜构成的DBR利用成分差异构建折射率差，可以外延，与衬底结合好。 可以是底发射（透明衬底），也可以是顶发射（环形金属电极）等输出方式。 浙江大学光电信息系 集成光电子器件及设计第四章 * an active layer, two DFB mirrors, a contact window(allow light to emit from) active layer: multilayer, DH diode DFB mirrors: AlGaAs/GaAs mirror wafer fusion 浙江大学光电信息系 集成光电子器件及设计第四章 * 多波长VCSEL阵列 VECSEL结构由于光的输出垂直于衬底方向，非常适合于该类器件的二维集成阵列。 多波长VECSEL激光器阵列适合应用于DWDM技术。 用VECSEL阵列可以提供多至上百个独立波长，波长间隔小于1nm的二维光源阵列。 关键在于精确控制阵列中每个单元器件的发射波长:波长与谐振腔长度呈线性关系，控制薄膜外延层的厚度，将不同波长的VECSEL集成到一个芯片上。 浙江大学光电信息系 集成光电子器件及设计第四章 * 7×20 VCSEL阵列：单元面积20μm2,波长范围940-983nm，相邻 单元波长间隔0.3nm,平均阈值电流8.5mA 浙江大学光电信息系 集成光电子器件及设计第四章 * 4.2 半导体光放大器 用于光通讯系统中对于光信号的光-光直接放大。 EDFA(掺Er3+光纤放大器):已经实用化。 SOA (Semiconductor Optical Amplifier 半导体光放大器)：较宽的带宽，适合于1.3μm与1.5μm波段。体积小，适合于全光集成。 激光二极管内有源层在注入电流的作用下增益超过损耗后，即超过阈值电流以后，二极管出现放大作用。 器件端面镀上抗反射膜，避免内部光反馈，不能建立激光振荡，只是对于输入光放大，直至增益饱和，此类器件即为SOA。 EDFA 浙江大学光电信息系 集成光电子器件及设计第四章 * 吸收光谱 浙江大学光电信息系 集成光电子器件及设计第四章 * SOA的种类 FP-SOA(法布里-珀罗型半导体光放大器)：激射阈值电流以下的半导体激光器，具有谐振腔，对信号进行谐振放大，使外来的光信号获得较大的腔内增益。要求光信号与谐振模有精密的匹配。 TW-SOA(Traveling Wave行波型半导体光放大器)：将半导体激光器的端面镀上抗反射膜，不能形成谐振腔，无法振荡，光信号被单程放大。宽的增益带宽， IL-SOA(注入锁定半导体光放大器)：将FP-SOA偏置于阈值电流以上，从一端输入微弱的单模光信号，此频率落在多模激光器的频谱内，光信号被锁定并放大。 浙江大学光电信息系 集成光电子器件及设计第四章 * SOA的应用——全光波长转换（AOWC) 光波长转换技