硅基光电子学与光电子器件应用

王嘉翊

摘 要：本文介绍了光子晶体的概念，回顾了硅基光子学的发展历史，分析了其发展现状和面临问题。光电子器件以光子代替电子传递信息，因为光子的输运特性便具有热损小、功率损失低、占用体积小、传递信息速率高的特点，因而受到人们的广泛关注。要实现“全光子化”传递信息需要实现集成光回路。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术难点最后本文对展望了硅基光子学和光电子器件的应用前景。

关键词：光子晶体；硅基光电子学；集成光回路

中图分类号：TN256 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）08-0230-01

1 光子晶体

光子在传播时，遇到周期排布的介电常数材料，将会产生布拉格散射，因而会产生光子能带与带隙，使光子晶体具有光半导体的性质[1-2]。目前来说，我们主要靠对于缺陷的引入来实现对光子的局域化控制。缺陷有两种基本形式：线缺陷和点缺陷。当引入线缺陷时，对于处在光子晶体禁带能量的光子，它不能逃逸进入周围的光子晶体当中，因而只能沿着线缺陷的确定路径传播。光子晶体波导对于光的传输性能强过传统的波导物质，例如光纤。光纤依靠全反射作用来实现光的传输，但在较大转弯角处由于不再满足全反射条件而会有光子逃逸。在微纳尺度上使用光子晶体波导的传输效率更高。光子晶体凭借它的特点，被广泛研究。例如一些应用于各个不同的光频段，有的看重更低的损耗、小限制的传播窗口，还有一些则具有特殊用途（减缓光速）。

自从光子晶体的概念被提出以来，它就和它的蕴含的巨大应用价值联系在一起。[3]它那特有光子带隙能够抑制物质的自发辐射，而这可以用于制作全反射镜。另外，我们在其中引入缺陷，可以制成缺陷模，而缺陷模可以用制作微腔、波导、光开关、甚至人们熟知的激光器和探测器等等。总之，集成光电子学是光子晶体主要的活跃范围，但是同时光子晶体在其他各个方面也有着重要的应用价值，它可以提高现今不断走进我们日常生活的发光二极管的工作效率。

2 硅基光电子学

由于硅基半导体集成电路在生产规模和成本方面具有明显的优势， 所以现阶段人们尝试用硅作为制作纳米级电子器件的主要材料，来缩减在Ⅲ-Ⅴ族元素中寻找材料制作具有相同目的的微纳光电子器件的成本，现阶段人们凭借已知的硅在1.3～1.5μm通信波段具有的低功耗的优势，并以此为基础，已经成功生产出大量的硅基微纳光电子器件，就比如说此类的耦合器、光波导器件等。虽然说现阶段硅基微纳光电子器件已经具有相当明显的优势，但为了它在具体应用的过程中保证够达到预期的应用效果，我们需要对其部分性能进行有效的优化。只要硅基微纳光电子器件在性能方面能够不断地优化、我们的技术能够不断完善，它的应用空间就会得到扩展。

在对硅光晶体的研究中，我们已经看到：在硅基材料中引入光子晶体可以明显的提高它的发光效率。凭借这我们可以预见：随着新型硅基高效发光材料研究的不断深入，新型制备技术如电注入泵浦方法的突破和光子晶体物理性质研究的深入，以及对于高效硅基材料的发光特性使用光子晶体的局域光效应加以控制，就很有可能提高硅基材料的發光增益，以此实现拥有低阈值的硅基激光器制备，进而可以在微电子芯片中利用光子替代电子作为载体来实现光耦合互联，消除电子传播发热的劣势，这样就可以突破电子瓶颈效应。[4]

3 集成光回路

和普通的信息处理相似，信息处理“全光子化”，就是指利用光来进行信息传递。它的概念包涵了光信号的发出、它的调节、对光信号的接收、对于信号的处理、信号的返回的整个过程。作为光信号的来源的有源发光器以光子晶体为基础，光信号又受到光子晶体制成的光开关调节和制约。光子晶体波导还能实现对于信号的传输与分流的作用，根据第二节提到线缺陷波导的传输优势，能够实现高效率低损耗，每个分路又要经波分复用器件下载，各个分路中的光信号在各自受到新的调制后，重新汇聚到干路， 回到接收装置。因为每一部分的各个部件在所用材料与大小上近乎一致，我们知道，传统光学器件的大小在厘米尺寸，微小的加工误差都会导致其工作频率的较大改变，因而产生光模式不匹配的问题，都会有较大的功率损耗，微型化的光子器件能避免这一问题。同时相同材质大小统一也方便光路一体化的实现。再加之与日益成熟的制备技术相适应，将会为全光路信息传递集成化铺就道路。

4 问题分析与展望

二十多年过去了，经过这些年的发展，光子晶体理论已经不断发展完善，我们也已经在其原理、设计取得了不断进步。二维光子晶体的制备相对容易，已有诸如反应离子刻蚀和深紫外曝光等成熟技术。相对来说，对于集成光路更重要的三维光子晶体制备技术目前还不成熟，已有一些方法但还不能大规模集成化应用，因此是关键发展方向。但是现有制备技术还是不完美，仍然有许多难题、核心关键有待克服。例如，二维晶体中的误差控制，由于我们使用的光子频率都在纳米量级，晶体中几何上的微小误差都会导致对调制频率的影响，进而影响发射接收以及模式匹配。而我们需要将制备技术的精度提升到亚纳米量级，才可以制备出高Q值的微腔，我们需要这样一个可行的、简便的方法。随着光子晶体各种特殊现象、性质在被不断发现，一些新的研究方向随之提出，或许一些新的性质会随着人们对于光子晶体的不断发掘而被发现。

在硅基有源器件方面：我们仍对于满足电泵浦、通信波段、产品化的硅基光源探寻不深，其中就包括拥有低阈值特性的III-V键合光源，十分稳定的、使用低电压驱动的锗激光器，还有以Er离子为基础的电泵硅激光器；我们仍需在调制器上努力以满足需求。锗探测器的暗电流制约其发展，为能够大规模量产，需新技术降低暗电流。

在硅基无源器件方面：问题之一就是硅基波导材料实现低损耗需要特殊工艺处理，因而无法实现大规模电路集成；其二为实现光栅的高耦合效率需要增加反射层，使得工艺更为复杂；这些器件的加工工艺急需简化，使其能用标准的CMOS工艺制备。在硅基光电集成方面：怎样将光纤和波导高效耦合是一个难题；因为硅基光电子器件的多样性，所以需要化为统一标准。另外加工平台成本较高。此外，硅的高热光系数使得其光学性能受温度影响，这一点是器件设计上的难题。封装也不容忽视。因此，为了硅基光电子集成投入量产，我们需要在材料、工艺、设计等方面进行研究。

展望未来它将帮助我们实现高速、低能耗的探测器设计；拥有低损耗的硅基激光器；十分高效的硅基光电子集成；高计算速率的光电接口；大能够投入量产的大规模集成设备。

5 结语

在科学研究兴盛的当下，人们对于生产生活的需要往往能带动一种新的科学技术的出现与发展，没有人们需求的推动新的学说只是空想。新兴生产技术的完善与发展也是需要科研工作者们坚持不懈的探索与尝试。光子晶体独特的性质备受关注，全世界的科研人员都对它抱有浓厚兴趣，最初的概念现今已经拿出了实体成果，我们可以看出对于它的研究人们走过的路程。在光子晶体的实用方面，我们以降低制作难度，减小制作成本，降低不确定性与不稳定性为目标，这也是为实现光学集成所必须做出的虽然这里仍有许多难题等待突破，但是我们仍在为之奋斗。

参考文献

[1]彭英才，Seiichi Miyazaki，徐骏，陈坤基.面向21世纪的Si基光子学Chinese Journal of Nature.

[2]倪培根.光子晶体制备技术和应用研究进展.物理学报，第59卷第1期2010（1）.

[3]唐海侠，王启明.光子晶体在Si基发光器件中的应用.功能材料与器件学报，2007.1007-4252（2007）02-0185-06.

[4]王兴军，苏昭棠，周治平.硅基光电子学的最新进展.中国科学：物理学，力学，天文学，2015.45卷（1）014201.