硅基光電子學與光電子器件應用

王嘉翊

摘 要：本文介紹了光子晶體的概念，回顧了硅基光子學的發展歷史，分析了其發展現狀和面臨問題。光電子器件以光子代替電子傳遞信息，因為光子的輸運特性便具有熱損小、功率損失低、占用體積小、傳遞信息速率高的特點，因而受到人們的廣泛關注。要實現“全光子化”傳遞信息需要實現集成光回路。本文分析了用硅基光子器件集成光回路的可能性以及目前存在技術難點最后本文對展望了硅基光子學和光電子器件的應用前景。

關鍵詞：光子晶體；硅基光電子學；集成光回路

中圖分類號：TN256 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）08-0230-01

1 光子晶體

光子在傳播時，遇到周期排布的介電常數材料，將會產生布拉格散射，因而會產生光子能帶與帶隙，使光子晶體具有光半導體的性質[1-2]。目前來說，我們主要靠對于缺陷的引入來實現對光子的局域化控制。缺陷有兩種基本形式：線缺陷和點缺陷。當引入線缺陷時，對于處在光子晶體禁帶能量的光子，它不能逃逸進入周圍的光子晶體當中，因而只能沿著線缺陷的確定路徑傳播。光子晶體波導對于光的傳輸性能強過傳統的波導物質，例如光纖。光纖依靠全反射作用來實現光的傳輸，但在較大轉彎角處由于不再滿足全反射條件而會有光子逃逸。在微納尺度上使用光子晶體波導的傳輸效率更高。光子晶體憑借它的特點，被廣泛研究。例如一些應用于各個不同的光頻段，有的看重更低的損耗、小限制的傳播窗口，還有一些則具有特殊用途（減緩光速）。

自從光子晶體的概念被提出以來，它就和它的蘊含的巨大應用價值聯系在一起。[3]它那特有光子帶隙能夠抑制物質的自發輻射，而這可以用于制作全反射鏡。另外，我們在其中引入缺陷，可以制成缺陷模，而缺陷模可以用制作微腔、波導、光開關、甚至人們熟知的激光器和探測器等等。總之，集成光電子學是光子晶體主要的活躍范圍，但是同時光子晶體在其他各個方面也有著重要的應用價值，它可以提高現今不斷走進我們日常生活的發光二極管的工作效率。

2 硅基光電子學

由于硅基半導體集成電路在生產規模和成本方面具有明顯的優勢， 所以現階段人們嘗試用硅作為制作納米級電子器件的主要材料，來縮減在Ⅲ-Ⅴ族元素中尋找材料制作具有相同目的的微納光電子器件的成本，現階段人們憑借已知的硅在1.3～1.5μm通信波段具有的低功耗的優勢，并以此為基礎，已經成功生產出大量的硅基微納光電子器件，就比如說此類的耦合器、光波導器件等。雖然說現階段硅基微納光電子器件已經具有相當明顯的優勢，但為了它在具體應用的過程中保證夠達到預期的應用效果，我們需要對其部分性能進行有效的優化。只要硅基微納光電子器件在性能方面能夠不斷地優化、我們的技術能夠不斷完善，它的應用空間就會得到擴展。

在對硅光晶體的研究中，我們已經看到：在硅基材料中引入光子晶體可以明顯的提高它的發光效率。憑借這我們可以預見：隨著新型硅基高效發光材料研究的不斷深入，新型制備技術如電注入泵浦方法的突破和光子晶體物理性質研究的深入，以及對于高效硅基材料的發光特性使用光子晶體的局域光效應加以控制，就很有可能提高硅基材料的發光增益，以此實現擁有低閾值的硅基激光器制備，進而可以在微電子芯片中利用光子替代電子作為載體來實現光耦合互聯，消除電子傳播發熱的劣勢，這樣就可以突破電子瓶頸效應。[4]

3 集成光回路

和普通的信息處理相似，信息處理“全光子化”，就是指利用光來進行信息傳遞。它的概念包涵了光信號的發出、它的調節、對光信號的接收、對于信號的處理、信號的返回的整個過程。作為光信號的來源的有源發光器以光子晶體為基礎，光信號又受到光子晶體制成的光開關調節和制約。光子晶體波導還能實現對于信號的傳輸與分流的作用，根據第二節提到線缺陷波導的傳輸優勢，能夠實現高效率低損耗，每個分路又要經波分復用器件下載，各個分路中的光信號在各自受到新的調制后，重新匯聚到干路， 回到接收裝置。因為每一部分的各個部件在所用材料與大小上近乎一致，我們知道，傳統光學器件的大小在厘米尺寸，微小的加工誤差都會導致其工作頻率的較大改變，因而產生光模式不匹配的問題，都會有較大的功率損耗，微型化的光子器件能避免這一問題。同時相同材質大小統一也方便光路一體化的實現。再加之與日益成熟的制備技術相適應，將會為全光路信息傳遞集成化鋪就道路。

4 問題分析與展望

二十多年過去了，經過這些年的發展，光子晶體理論已經不斷發展完善，我們也已經在其原理、設計取得了不斷進步。二維光子晶體的制備相對容易，已有諸如反應離子刻蝕和深紫外曝光等成熟技術。相對來說，對于集成光路更重要的三維光子晶體制備技術目前還不成熟，已有一些方法但還不能大規模集成化應用，因此是關鍵發展方向。但是現有制備技術還是不完美，仍然有許多難題、核心關鍵有待克服。例如，二維晶體中的誤差控制，由于我們使用的光子頻率都在納米量級，晶體中幾何上的微小誤差都會導致對調制頻率的影響，進而影響發射接收以及模式匹配。而我們需要將制備技術的精度提升到亞納米量級，才可以制備出高Q值的微腔，我們需要這樣一個可行的、簡便的方法。隨著光子晶體各種特殊現象、性質在被不斷發現，一些新的研究方向隨之提出，或許一些新的性質會隨著人們對于光子晶體的不斷發掘而被發現。

在硅基有源器件方面：我們仍對于滿足電泵浦、通信波段、產品化的硅基光源探尋不深，其中就包括擁有低閾值特性的III-V鍵合光源，十分穩定的、使用低電壓驅動的鍺激光器，還有以Er離子為基礎的電泵硅激光器；我們仍需在調制器上努力以滿足需求。鍺探測器的暗電流制約其發展，為能夠大規模量產，需新技術降低暗電流。

在硅基無源器件方面：問題之一就是硅基波導材料實現低損耗需要特殊工藝處理，因而無法實現大規模電路集成；其二為實現光柵的高耦合效率需要增加反射層，使得工藝更為復雜；這些器件的加工工藝急需簡化，使其能用標準的CMOS工藝制備。在硅基光電集成方面：怎樣將光纖和波導高效耦合是一個難題；因為硅基光電子器件的多樣性，所以需要化為統一標準。另外加工平臺成本較高。此外，硅的高熱光系數使得其光學性能受溫度影響，這一點是器件設計上的難題。封裝也不容忽視。因此，為了硅基光電子集成投入量產，我們需要在材料、工藝、設計等方面進行研究。

展望未來它將幫助我們實現高速、低能耗的探測器設計；擁有低損耗的硅基激光器；十分高效的硅基光電子集成；高計算速率的光電接口；大能夠投入量產的大規模集成設備。

5 結語

在科學研究興盛的當下，人們對于生產生活的需要往往能帶動一種新的科學技術的出現與發展，沒有人們需求的推動新的學說只是空想。新興生產技術的完善與發展也是需要科研工作者們堅持不懈的探索與嘗試。光子晶體獨特的性質備受關注，全世界的科研人員都對它抱有濃厚興趣，最初的概念現今已經拿出了實體成果，我們可以看出對于它的研究人們走過的路程。在光子晶體的實用方面，我們以降低制作難度，減小制作成本，降低不確定性與不穩定性為目標，這也是為實現光學集成所必須做出的雖然這里仍有許多難題等待突破，但是我們仍在為之奮斗。

參考文獻

[1]彭英才，Seiichi Miyazaki，徐駿，陳坤基.面向21世紀的Si基光子學Chinese Journal of Nature.

[2]倪培根.光子晶體制備技術和應用研究進展.物理學報，第59卷第1期2010（1）.

[3]唐海俠，王啟明.光子晶體在Si基發光器件中的應用.功能材料與器件學報，2007.1007-4252（2007）02-0185-06.

[4]王興軍，蘇昭棠，周治平.硅基光電子學的最新進展.中國科學：物理學，力學，天文學，2015.45卷（1）014201.