[科普中国]-集成光路

介绍

集成光路是指将传统的一系列分立光学器件如棱镜、透镜、光栅、光耦合器等平面化、微型化後形成的一种集成化了的光学系统。集成光路有许多集成电路无法比拟的优点。例如，集成光路以光频为载波工作，频率比电子学频率高出1000倍以上，因此其处理的信息容量要比集成电路大得多；集成电路仅以一维时间顺序处理信息，而集成光路除了可以一维时间顺序处理信息之外，还具有空间并行处理信息的能力，即集成光路可进行多维信息处理，因此，集成光路的信息处理速度要比集成电路快得多；集成光路的开关响应速度很高；集成光路的抗电磁干扰能力强，保密性强。

集成光路由许多光波导器件构成。这些光波导器件可分为无源器件和有源器件两大类。无源光波导器件主要包括波导棱镜、透镜、反射镜、光分束器和检偏器等波导几何光学器件和波导型定向耦合器、滤波器、光隔离器，衰减器、集成光学调制器、光开关等；有源光波导器件是指含有光源的集成光学器件。1

集成光路材料集成光路由许多光波导器件构成，这些光波导器件可分为无源器件和有源器件两大类。无源光波导器件主要包括波导棱镜、透镜、反射镜、光分束器和检偏器等波导几何光学器件和波导型定向耦合器、滤波器、光隔离器、衰减器、集成光学调制器、光开关等。有源光波导器件是指含有光源的集成光学器件。

集成光路材料实际上是指一些光波导薄膜材料和它们的衬底材料。不同功能的集成光学器件需要不同的光波导薄膜材料，因此要选用不同的衬底材料。一般无源光波导器件主要选用LiNbO3、石英或硅材料、玻璃等作衬底。其中，普通无源器件可选用玻璃、石英、SiO2等，电光调制器或声光调制器通常都采用电光系数和光弹性系数高的LiNbO3，含探测器的无源器件必须使用硅等半导体材料。有源光波导器件则主要选用GaAs、InP以及其他一些Ⅲ一V族或Ⅱ一Ⅵ族直接带隙半导体为衬底材料。

光波导薄膜材料可以通过真空溅射、扩散、外延、质子轰击、离子注入等成膜技术来制备，可根据光波导器件类型和衬底材料种类可选用合适的成膜技术。

对普通无源器件而言，若以玻璃或其他无定形材料为衬底，可采用真空溅射技术在衬底上形成光波导，所采用的光波导材料主要有Ta_2O_5、Nb_20_5、Si_3N_4等。对於需要采用晶体材料为衬底的光波导器件，可采用扩散的方法在衬底上形成光波导，即将杂质和衬底置於700~1000℃的高温环境中，杂质在高温下挥发并且向衬底扩散，通过调节扩散温度和时间来控制扩散深度等。如以LiNb03晶体为衬底的光波导器件就可通过向LiNb03中扩散Ti或Ta等形成掺Ti或掺Ta的LiNbO3波导，以ZnS、ZnSe等晶体为衬底的则可向这些晶体扩散Cd形成掺Cd的ZnS或ZnSe波导。可用扩散技术形成光波导的衬底材料还有Si、GaAs、LiTa03等晶体材料。

有些晶体材料例如CdTe、GaP、ZnTe等作为衬底时，可用离子注入法将需要掺入的杂质离子如Be+等加速到几十千伏至几百千伏来轰击衬底表面，将离子注入衬底替代衬底晶体材料中的某些原子以形成波导。另一些衬底材料如熔石英等，则可用离子注入法将H、Li或Bi等掺人衬底材料的晶格间隙中使晶格畸变，导致衬底上被轰击部位的折射率增大而形成波导。用离子注入法形成的波导一般都要进行褪火处理，以消除晶格缺陷、降低波导的光损耗。

GaAs、GaP、ZnTe、ZnSe等半导体晶体材料作为衬底时，可用质子轰击法在衬底表面轰击质子，产生深能级陷阱中心，使被轰击区的载流子浓度降低，从而提高该区的折射率，形成波导。质子轰击法形成的波导也要进行退火处理，以降低损耗。

在制作集成光学调制器和光开关时，一般以LiNbO3等电光晶体为衬底材料，采用向LiNbO3衬底扩散Ti的方法和各种刻蚀技术(如化学腐蚀或离子束刻蚀等)来形成各种条波导和光波导器件。

在制作单块(即激光器、波导和光探测器等都集成在一块基板上)有源集成光学器件时，一般都以半导体晶体材料如GaAs、InP等为衬底，采用分子束外延、液相外延、气相外延或金属有机气相沉积等外延生长法在衬底表面形成多层结构，其中包括发光器件、波导和探测器件等。2

优点

|| || 集成光路的优点

集成光路与集成电路的比较目前还处於发展阶段的集成光学的地位了。目前，集成光学已初具规模，并在光通信及光信息处理方面显示出电子学无法比拟的优越性。不单是比离散元器件构成的光学系统具有巨大优越性，作为一种信息的处理与传输系统，与微电子系统相比，集成光学系统也具有其固有的重大优越性。

光集成的优点可以分为两个方面，其一是用集成光学体系(集成光路)代替集成电子体系(集成电路)，其二则与导光波的光学纤维和介质平面光波导代替电线或者同轴电缆传输信号有关。

在集成光路上，各光学元件形成在一个晶片衬底上，用衬底内部或表面上形成的光波导连接起来。采用类似於半导体集成电路的方法，把光学元件以薄膜形式集成在同一衬底上的集成光路，是解决原有光学系统小型化和提高整体性能问题的重要途径。这样的集成器件具有体积小、性能稳定可靠、效率高、功耗低，使用方便等优点。

与集成电子体系相比，集成光学体系具有其独特的优越性。首先，集成光路与光纤一样，信号的载体是光波，光波的频率比电子手段产生的电磁振荡(包括微波)高得多，因而可能载入频带宽度极宽的信号；而且避免了电路的导线固有的电容和电感导致的频率限制效应。这样，集成光路的光信号的传输带宽及与此相应的传输信息量，比电子电路系统的电信号的传输带宽和信息量超过若干数量级。其次，虽然电子电脑已经进入大规模和超大规模集成电路的时代，但其运算速率始终受限於固体电子器件中电子运动的速度，而光子电脑以光速运动的光子为工作的基础，其理论计算速率可高达10^{10}一10^{11}次/s，它比目前计算速率最陕的电子电脑高100-~1000倍。第三，空间上多道阵列、多频(波分复用)以致三维立体的光学存储及处理的特点，使光存储和处理的容量可达到1018Kbit的“海量信息”。如果用集成光路来实现光信号的逻辑运算、传送和处理，则可制成体积小、速度快、容量大的“全光电脑”。光子电脑比电子电脑有著并行处理、信号互不干扰、开关速度快、光速传递、宽频以及信息容量极大的优点。

总的来说，用集成光路代替集成电路的优点包括带宽增加，波分复用，多路开关，耦合损耗小，尺寸小，重量轻，功耗小，成批制备经济性好，可靠性高等。由於光和物质的多种相互作用，还可以在集成光路的构成中，利用诸如光电效应、电光效应、声光效应、磁光效应、热光效应等多种物理效应，实现新型的器件功能。3