王啟明 ，趙玲娟 ，朱洪亮 ，韓勤 ，成步文

（1.中國科學院半導體研究所集成光電子學國家重點聯(lián)合實驗室，北京 100045；2.中國科學院半導體研究所中國科學院半導體材料科學重點實驗室，北京100045）

光纖通信有源器件的發(fā)展現(xiàn)狀

王啟明1，趙玲娟2，朱洪亮2，韓勤1，成步文1

（1.中國科學院半導體研究所集成光電子學國家重點聯(lián)合實驗室，北京 100045；2.中國科學院半導體研究所中國科學院半導體材料科學重點實驗室，北京100045）

光纖通信技術的飛速發(fā)展使其成為當今信息社會的重要支柱。其發(fā)展的基石是有源和無源半導體光電子器件。綜述了幾種主要的有源光電子器件的研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢，包括高速調(diào)制DFB激光器及其集成芯片、EDFA泵浦源用980 nm半導體高功率激光器、化合物半導體光電探測器、硅基長波長光電探測器等。

光纖通信；有源器件；DFB激光器；泵浦激光器；光電探測器；雪崩光電探測器

1 引言

自從1966年高錕（Charles K Kao）博士提出石英光纖可以作為光傳輸介質(zhì)以后，研制和開發(fā)光纖通信用有源半導體光子器件的工作，如雨后春筍大量涌現(xiàn)。其中，用于光纖低損耗窗口傳輸?shù)募す馄?，?.85 μm處的GaAs／AlGaAs短波長多模激光器，發(fā)展到了1.3 μm和1.55 μm處的 InGaAsP／InP分布反饋（DFB）長波長單模激光器，時至今日，隨著有源光子陣列與無源光波導、光合波分波器的單片集成芯片的實現(xiàn)，開創(chuàng)了以光子集成回路（PIC）為核心的光網(wǎng)新時代。

在光網(wǎng)中實現(xiàn)對光載波產(chǎn)生、調(diào)制、放大和檢測功能的器件，主要包括激光器、光調(diào)制器、光放大器、光接收器和波長變換器等。DFB激光器和電吸收調(diào)制激光器（EML）是當今波分復用（WDM）光纖通信網(wǎng)絡系統(tǒng)中不可或缺的關 鍵 器 件 ，廣 泛 應 用 于 2.5 Gbit／s、10 Gbit／s、25 Gbit／s 和100 Gbit／s（4×25 Gbit／s）的光網(wǎng)系統(tǒng)中。

光通信激光源的突破口首先是石英光纖的第1個低損耗窗口即0.85 μm短波長處。20世紀70年代初，采用液相外延技術，在GaAs基同質(zhì)外延基礎上，利用AlGaAs的高異質(zhì)勢壘，有效地阻擋住了GaAs有源區(qū)載流子的泄漏，同時又對傳輸光起到了空間限制的波導功能，研制成功GaAs／AlGaAs異質(zhì)掩埋結(jié)構(gòu)（BH）激光器，開拓了短距離光通信應用領域。

針對石英光纖的第2個低損耗窗口同時也是零色散的1.31 μm激光器以及更低損耗的第3個窗口的1.55 μm波長激光器的強烈需求，美國華裔學者謝肇金采用InGaAsP／InP材料體系和液相外延技術，在20世紀70年代末首先研制出用于光通信的長波長激光器。光纖通信開始從0.85 μm 波段向 1.31 μm和 1.55 μm 波段邁進。80年代，分子束外延（MBE）和金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）等薄層量子阱超晶格生長技術取得了突破，多量子阱（MQW）以及應變MQW結(jié)構(gòu)器件的制作成為現(xiàn)實，至80年代中期，含布拉格光柵的長波長DFB單模MQW激光器研制成功，長途光纖通信干線網(wǎng)開始建設。90年代，2.5 Gbit／s和10 Gbit／s的高速直調(diào) DFB激光器（DML）以及集成了外調(diào)制器的電吸收調(diào)制激光器（EML）都在商業(yè)上取得了快速發(fā)展，從而在20世紀末21世紀初將光纖通信事業(yè)推到了一個前所未有的高度。進入21世紀后，隨著人們對信息量的無限追求，波分復用（WDM）、時分復用（TDM）以及纖分復用（FWDM）等 Tbit／s甚至 10 Tbit／s的超大容量光纖通信系統(tǒng)迅速發(fā)展，單纖單信道傳輸碼率已突破了10 Gbit／s的門檻，向著更高速率的20～40 Gbit／s方向邁進。而高穩(wěn)頻寬帶可調(diào)諧、高功率、無制冷DFB激光器的實現(xiàn)及其多路陣列集成、與無源合波／分波器集成以及與硅基混合集成的發(fā)展，對構(gòu)建以多路復用為基礎的實用化的Tbit／s級超大容量光通信系統(tǒng)做出了關鍵性的重大貢獻。下面將簡單介紹相關方面的最新發(fā)展。

2 光通信系統(tǒng)中寬帶光載波的DFB激光器

2.1 光纖干線和網(wǎng)絡中的高速率光載波激光器

時至今日，通信與網(wǎng)絡干線系統(tǒng)中普遍使用的光載波激光器仍然是以InGaAsP／InP應變量子阱材料系為代表。量子阱的采用提高了有源材料的增益系數(shù)，降低了器件閾值電流和溫度敏感性。而壓應變的引入可使輕重空穴價帶分離，價帶頂重空穴能級上升，輕空穴能級下降，增加了TE模的增益，降低了閾值電流密度，提高了微分增益系數(shù)，進而也有利于提高張弛震蕩頻率和調(diào)制速率。之前20 Gbit／s以下系統(tǒng)中光載波對信息的載入是通過對激光器的的注入電流直接調(diào)制來實現(xiàn)的。但調(diào)制速率受激光器固有的張弛震蕩的限制，一般只能達到25 Gbit／s，而傳輸距離又受激光器啁啾和光纖色散的影響，一般10 Gbit／s信號傳輸距離只能達到20 km。高速率以及更長距離的傳輸需要采用外調(diào)制技術。InGaAsP／InP量子阱材料中的帶邊激子吸收峰對入射光波的吸收存在強烈的調(diào)制效應，峰位隨反偏電場移動，響應時間快達ps級別，可以研制出反偏工作的低功耗高速率電吸收光調(diào)制器（EAM），并且在工藝上很容易與DFB光源實現(xiàn)單片集成，成為電吸收調(diào)制DFB激光器（EML），信息載入則通過EAM實現(xiàn)。通過采用聚酰亞胺墊高電極或者行波電極方式，降低電回路的RC時延限制，提高調(diào)制帶寬，EAM的調(diào)制帶寬達到了30～40 GHz。中國科學院半導體研究所采用的選區(qū)外延（SAG）技術研制出調(diào)制速率達32 Gbit／s的EML，靜態(tài)消光比達到30 dB，動態(tài)消光比達到8 dB。為了實現(xiàn)DFB和EAM的分別優(yōu)化，隨后開發(fā)出的選擇區(qū)域外延雙有源疊層（SAG-DSAL）技術［1］，吸收了對接生長技術、SAG 和 雙有源 疊層 （DSAL）技術的優(yōu)點，以單次外延多有源層替代多次外延的單片集成技術，外延生長出電吸收調(diào)制器（EAM）和激光器（LD）雙有源區(qū)多量子阱波導層結(jié)構(gòu)，如圖1（a）所示，研制出了閾值為20 mA、輸出功率10 mW和消光比為15 dB的EML管芯，如圖1（b）所示。該技術還可進一步拓展實現(xiàn)單次外延多有源區(qū)與無源波導材料的集成，對提高集成器件成品率和降低芯片成本做出了貢獻。

2.2 波分復用和路由尋址的多波長和寬帶可調(diào)諧DFB集成激光器

波分復用（WDM）是實現(xiàn)超大容量信息傳輸?shù)淖钪匾耐緩?。實用化的單信道傳輸碼率為40 Gbit／s，對此，1個10 Tbit／s的傳輸干線就必須由250個不同波長的單信道復用來實現(xiàn)。通過陣列波導光柵復用器AWG把諸多信道光聚集有效耦合到單一的單模光纖中進行傳輸。但從工藝上要制作出模距嚴格一致的波長各異的眾多激光器難度極大。因此需要發(fā)展一種波長可適度調(diào)諧的DFB激光器，通過調(diào)諧實現(xiàn)模匹配需求，它也是下一代波長尋址接入網(wǎng)系統(tǒng)中的關鍵器件。國內(nèi)外均有報道，采用DFB或分布布拉格（DBR）多段式激光器、取樣光柵（SG）DBR激光器、超結(jié)構(gòu)光柵（SSG）DBR激光器等可以實現(xiàn)不同波長范圍的調(diào)諧。日本富士通報道，可調(diào)雙波導（TTG）DFB 激光器［2］可以實現(xiàn)連續(xù)無跳模的波長調(diào)諧。如圖2（a）所示，這種器件為縱向PNP結(jié)構(gòu)，上部PN結(jié)含有源MQW波導，可提供穩(wěn)定的增益；下部NP結(jié)包含DFB光柵和調(diào)諧（tuning）波導層，可通過注入電流改變有效折射率。工作中TTG-DFB激光器的光柵布拉格反射峰與激光諧振腔縱模變化始終同步，從而能實現(xiàn)無跳模寬波長范圍（8 nm）的調(diào)諧，如圖2（b）所示。

圖1 選擇區(qū)域外延雙有源疊層（SAG-DSAL）技術制作的EML器件

圖2 可調(diào)雙波導（TTG）-DFB激光器

可調(diào)諧分布放大 （TDA）-DFB激光器亦能實現(xiàn)連續(xù)無跳模的波長調(diào)諧［3］，其結(jié)構(gòu)如圖3（a）所示。盡管這種器件具有多段式結(jié)構(gòu)，但只有兩個正面電極。通過有源段和調(diào)諧段波導層的交叉分布，布拉格反射峰和縱模光譜可以保持同步，從而避免激光模式的跳變。圖3（b）為6信道TDA-DFB激光器陣列與半導體光放大器 （SOA）集成后獲得的110個頻率信道光譜（間隔為50 GHz），每個TDA-DFB激光器的連續(xù)可調(diào)波長范圍達到7.5 nm。

2.3 窄線寬高穩(wěn)頻高功率DFB集成激光器

時分復用（TDM）技術是從光頻域的不同初始相位上提取出多路載波光束，每路光束可分別獨立地載入傳輸信息。把這些光束匯集輸入傳輸光纖中，達到復用的目的。也可以緩解單一波分復用對激光器制作的苛刻要求，諸如放寬模距的調(diào)控精度等，因而也是實現(xiàn)超大容量信息傳輸?shù)闹匾緩?。一般單模光纖傳輸?shù)娜肜w光功率為3～5 mW，如果引入10個信道的時分復用，則對光載波激光器的光功率輸出至少應達500 mW以上。早期有用DFB激光器與半導體光放大器（SOA）的單片集成來實現(xiàn)，但成品率低、代價高。中國科學院半導體研究所的團隊采用大光腔結(jié)構(gòu)和非對稱結(jié)構(gòu)以及較長的腔長，配合采用較低耦合系數(shù)的DFB光柵實現(xiàn)了600 mW的光輸出，又改善了光束質(zhì)量，壓窄了線寬，能夠滿足TDM應用的要求，同時在以空分接入的光網(wǎng)絡終端系統(tǒng)中已得到實際應用。

圖3 可調(diào)諧分布放大（TDA）DFB激光器

2.4 多波長信道DFB載波激光器陣列模塊化集成

實用化的波分復用系統(tǒng)中諸多激光源在時域中的高穩(wěn)定性非常重要，同時它也是光通信系統(tǒng)硅基化光電混合集成的基礎，已成為近些年來光子集成發(fā)展的熱點。美國Infinera公司的光發(fā)射PIC芯片［4］最具代表性，如圖4所示為該公司成功開發(fā)的1.6 Tbit／s速率的40信道、每個信道滿足40 Gbit／s碼率的WDM PIC發(fā)射芯片結(jié)構(gòu)及輸出光譜。其結(jié)構(gòu)中既包括有源器件，如可調(diào)諧DFB激光器、EAM、SOA和PD，也包括無源器件如彎曲波導（S-bend）、陣列波導光柵（AWG）和模斑轉(zhuǎn)換器（SSC）等241個元件。

國內(nèi)PIC的工作起步較晚，直至2014年，中國科學院半導體所才報道了 100 Gbit／s EML PIC 發(fā)射芯片［5］。如圖 5所示，該芯片為10個10 Gbit／s碼率的EML與多模干涉耦合器（MMI）的集成，為使輸出波長匹配于國際電信聯(lián)盟（ITU）的要求，在每個激光器旁制作了Ti電阻波長調(diào)節(jié)器。整個PIC芯片包含的元件數(shù)為31個。難能可貴的是，該多波長陣列芯片是采用廉價的全息曝光光柵技術實現(xiàn)的。

圖4 1.6 Tbit／s速率的40信道WDM PIC發(fā)射芯片

圖5 100 Gbit／s速率的10信道EML PIC發(fā)射芯片

同年，該研究所還首次報道了能讓各個信道的波長間隔適用于DWDM系統(tǒng)用的SAG上波導限制層 （USCH）新技術，圖 6（a）即該技術的原理示意，圖 6（b）為由SAG-USCH 技術在1.55 μm波段實現(xiàn)的波長間隔分別為0.2 nm（25 GHz）、0.4 nm（50 GHz）和 0.8 nm（100 GHz）的多波長 DFB 激光器陣列光譜，亦采用全息曝光光柵技術完成。華中科技大學和光迅聯(lián)合利用納米壓印和對接生長技術，在2015年研制出了16路DFB激光器陣列與AWG集成芯片，通道間隔為200 GHz。

圖6 選擇區(qū)域外延上波導限制層（SAG-USCH）技術

3 中繼放大器（EDFA）泵浦源用980 nm半導體高功率激光器

在光通信系統(tǒng)中，其損耗是限制光纖通信距離的主要原因之一。光放大器的應用，避免了光—電—光的轉(zhuǎn)換時延太長和系統(tǒng)的復雜性，若用光放大器級連放大，傳送距離還可更遠。至今為止，成功研制的光放大器主要有喇曼光纖放大器、半導體光放大器、EDFA（erbium-doped amplifier，摻鉺光纖放大器）。其中，EDFA是光纖傳輸技術最突出的成就之一，是激光通信技術和光纖制造技術巧妙結(jié)合的產(chǎn)物，在光纖和光通信領域中得到了迅速而廣泛的應用。在980 nm泵浦作用下，EDF（摻鉺光纖）的激光發(fā)射為三能級系統(tǒng)躍遷機制，參與工作的有3個能級：E1、E2和E3。在E1和E3能級之間通過受激吸收進行光泵浦，泵浦波長由E3和E1的能級差決定，受激吸收激發(fā)到E3能級的電子，經(jīng)弛豫到E2能級后回到E1能級發(fā)出1.55 μm波長激光。因此980 nm泵浦激光器成為EDFA中除EDF（摻鉺光纖）外最為重要的器件。20世紀80年代末、90年代初，InGaAs應變量子阱的出現(xiàn)使InGaAs量子阱激光器得到飛速發(fā)展，成為制作半導體激光器最佳的材料體系，迄今為止大功率半導體激光器各方面性能的紀錄，如最大功率、最高效率、最長壽命等都由InGaAs保持。用于泵浦EDFA的980 nm大功率單模激光器同樣有著非常優(yōu)良的性能，并隨著半導體量子阱材料生長技術、激光器芯片技術及封裝技術的逐步完善，長壽命的980 nm激光器已非常成熟，國際上研制、生產(chǎn)高功率980 nm半導體激光器的公司主要有Lumentum（原JDSU 光器件部分）、3S Photonics、Oclaro、Furukawa 等 。目前，國外已經(jīng)有輸出功率達到1.05 W的980 nm單模大功率光纖光柵泵浦源半導體激光器產(chǎn)品出售。圖7為3S Photonics公司14 pin帶制冷1 050 mW 980 nm泵浦激光器模塊和Lumentum 900 mW 14 pin 980 nm泵浦激光器模塊，二者均使用fiber Bragg grating鎖定發(fā)射波長。

圖7 3S Photonics公司14pin帶制冷1 050 mW 980 nm泵浦激光器模塊和Lumentum 900 mW14pin980 nm泵浦激光器模塊

國內(nèi)用于EDFA的980 nm大功率單模激光器的研究開始于20世紀90年代初，研究單位主要包括中國科學院半導體研究所、中國科學院長春光學精密機械與物理研究所、武漢郵電科學研究院、北京工業(yè)大學、長春理工大學以及清華大學電子工程系等。其中，由清華大學電子工程系與中國科學院半導體研究所、武漢郵電科學研究院兩個團隊共同承擔的“863”計劃的相關重點項目——摻餌光纖放大器用980 nm半導體激光泵浦源，該項目中的尾纖輸出功率最高值在100～200 mW。目前國內(nèi)980 nm半導體激光器尚無可靠的產(chǎn)品，與國外發(fā)達國家相比，還存在較大的差距，需要進一步加快成果轉(zhuǎn)化。

980 nm垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）由于受到光纖激光器、固體激光器泵浦、激光顯示等重要應用的牽引，其研究得到快速的發(fā)展。2001年德國UIm大學采用大直徑（320 μm）器件實現(xiàn)單管連續(xù) 890 mW，19 個直徑 80 μm 器件列陣實現(xiàn)連續(xù)1.4 W（相當于功率密度1 kW／cm2）和納秒窄脈沖10 W的光輸出［6］。美國加州大學采用1 000個直徑45 μm 的列陣實現(xiàn)脈沖 5 W 輸出［7］。2003 年美國 Novalux 公司利用連續(xù)1 W輸出的980 nm垂直腔面發(fā)射激光器，通過腔內(nèi)倍頻獲得了42 mW的藍光高功率輸出。美國Sandia國家實驗室光泵浦垂直腔單管器件，實現(xiàn)980 nm波長輸出，脈沖功率達到4.4 W。

在國內(nèi)，中國科學院長春光學精密機械與物理研究所在高功率980 nm VCSEL方面做了很多的研究工作，并取得系列突破性和國際先進的成果。2003年采用3個應變補償?shù)腎nGaAs／GaAsP量子阱為有源區(qū)得到高性能的987 nm VCSEL［8］：口徑為 430 μm 的器件室溫連續(xù)輸出超過 1.5 W，激射峰半高寬僅為0.8 nm，瓦級輸出器件遠場發(fā)散角低于10°，特征溫度超過220 K。隨后優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)和工藝，將0.98 μm面發(fā)射半導體激光器的輸出功率刷新到1.95 W，脈沖輸出10.5 W，是當時國內(nèi)外報道中的最高水平［9］。2009年研制出連續(xù)輸出超過2.5 W的單管（效率20%）和脈沖輸出達到千瓦的高密度集成列陣［10］。

4 光載波信息檢測的半導體光—電接收器

基于InGaAs／InP材料體系的半導體光電檢測器，以其精準的晶格匹配度以及直接帶隙In0.53Ga0.47As材料的高吸收系數(shù)，是光纖通信系統(tǒng)理想的檢測器材料。

4.1 PIN型光電檢測器

在檢測器系列中，PIN型光電檢測器是研究最為成熟以及商用最廣泛的檢測器，其器件結(jié)構(gòu)由寬帶隙P型和N型InP材料構(gòu)成，中間I層為窄帶隙In0.53Ga0.47As光吸收層。光吸收層為本征層，承受著PN結(jié)間的電場，光生載流子以飽和速度漂移并被兩端電極分別收集。PIN檢測器具有制備工藝簡單、量子效率高、暗電流低的特點。

PIN檢測器一般為面入射型，為了保證高量子效率而需要生長較厚的吸收層，因而其帶寬受到限制，這是所有面入射器件不可避免的量子效率與帶寬的相互制約關系。波導型檢測器將光傳輸吸收與載流子的輸運有效分離，能夠很好地解決這種制約關系，在滿足高響應度的同時還可以有效地減小器件的尺寸，降低器件電容及工作電壓，利用這種結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)微小電容結(jié)構(gòu)的高響應器件，同時其側(cè)面入的光結(jié)構(gòu)使其非常適合于平面集成，為實現(xiàn)高度集成的高速光子學系統(tǒng)提供了一種很好的探測解決方案。1991年，Kato K等人［11］為了增加波導檢測器端面與光纖的耦合效率，提出了一種多模光波導結(jié)構(gòu)，對入射1.55 μm波長獲得了68%的量子效率，3 dB帶寬達到了40 GHz。2002 年，Demiguel S 等人［12］報道了一種帶有 20 μm 長的平面多模波導結(jié)構(gòu)的倏逝波耦合波導檢測器，獲得了1.02 A／W的響應度、48 GHz的帶寬以及11 mA的飽和電流。2005年德國弗勞恩霍夫研究所的Beling A［13］報道了一種倏逝波耦合PIN型波導檢測器，如圖8所示。在稀釋波導之上構(gòu)建一個2 μm寬的脊型單模波導結(jié)構(gòu)，光通過單模波導傳入向外延伸的光學匹配層中，繼而進入PIN臺面有源區(qū)被吸收。器件的響應度達到0.5 A／W，3 dB帶寬主要受到渡越時間的限制，達到120 GHz。

國內(nèi)也多有對InP基波導探測器的研究，2013年中國科學院半導體所報道了一種高線性度的倏逝波耦合波導探測器，3 dB帶寬達到40 GHz，線性響應輸出光電流超過20 mA［14］；2015年報道了基于此種倏逝波耦合波導探測器的 10×20 GHz 的探測器陣列［15］。

4.2 高飽和功率高速檢測器

隨著光纖通信網(wǎng)絡的快速發(fā)展，人們不僅需要大量數(shù)據(jù)的快速傳輸，還希望能夠隨時隨地通過無線網(wǎng)絡傳輸大容量數(shù)據(jù)。光載微波通信（radio over fiber，RoF）技術的提出有效解決了多頻段快速無線傳輸?shù)膯栴}，同時大大提高了信號覆蓋能力，由于微波終端發(fā)射的是模擬信號，從覆蓋面和保真度考慮，對光接收器件提出了新的要求——高飽和光功率的寬帶檢測器。

以接收端光電檢測器為例，無論是傳統(tǒng)PIN結(jié)構(gòu)還是高靈敏度的APD結(jié)構(gòu)，隨著入射光功率的不斷增加，光電流會很快達到飽和值，而不再隨著光功率線性增加。其主要原因是耗盡區(qū)內(nèi)的空間電荷屏蔽效應：當耗盡區(qū)內(nèi)（APD結(jié)構(gòu)中的倍增區(qū)）的光生載流子數(shù)量不斷增長至超過背景摻雜時，載流子無法完全迅速被收集，因此逐漸在耗盡區(qū)內(nèi)堆積（尤其是漂移速度較慢的空穴）并改變暗場時的電場分布，從而導致耗盡區(qū)電場被嚴重屏蔽，載流子漂移速度下降，器件響應度隨即下降。

為減緩空間電荷屏蔽效應的影響，日本NTT電子實驗室［16］首次提出了“單載流子”光電檢測器（uni-traveling-carrier photodiode，UTC-PD）結(jié)構(gòu)，其能帶結(jié)構(gòu)如圖9所示。該結(jié)構(gòu)改變了傳統(tǒng)PIN結(jié)構(gòu)中的能帶結(jié)構(gòu)，調(diào)換本征區(qū)與P+區(qū)的材料，將本征區(qū)換成寬帶隙 InP材料，而 P+區(qū)采用光吸收材料In0.53Ga0.47As。光生載流子直接產(chǎn)生于P+區(qū)，空穴不再經(jīng)過耗盡的本征區(qū)而直接被P電極收集，只有電子漂移掃過本征區(qū)（收集區(qū)）。利用電子較高的漂移速度，甚至是過沖速度（2.0×107 cm／s），可以有效減緩載流子在本征區(qū)內(nèi)的堆積，從而實現(xiàn)較高的飽和光功率。

圖8 倏逝波耦合波導檢測器示意

圖9 單載流子探測器能帶示意

如何在保證帶寬的前提下，提高UTC結(jié)構(gòu)的響應度與飽和光功率是人們的主要研究方向。雖然加寬吸收區(qū)厚度可以提高光吸收效率，但由于光生電子需由擴散通過P+吸收區(qū)到達收集區(qū)邊界，過厚的吸收區(qū)寬度會大大增加電子的渡越時間，導致帶寬下降。研究人員隨即提出P+區(qū)漸變摻雜的方法，制造出吸收區(qū)內(nèi)價帶的傾斜，使電子從單純的擴散方式轉(zhuǎn)為擴散—漂移聯(lián)合運動方式，從而減小了吸收區(qū)內(nèi)的渡越時間。在此基礎上，美國維吉尼亞大學Joe C Campbell研究小組對UTC結(jié)構(gòu)做出了改進，在P+吸收區(qū)與收集層間加入一層本征或低摻的InGaAs吸收區(qū)與N型InP薄層，一方面通過加厚吸收層提高器件響應度，同時利用N型包層在本征吸收層中制造一個P-N結(jié)，反向電場使電子能快速通過該區(qū)域到達收集區(qū)邊界。利用該方法，他們實現(xiàn)了飽和光電流為134 mA、帶寬為20 GHz的面入射UTC-PD，其響應度高達0.82 A／W。2014年，他們采用級聯(lián)方式集成4個相位匹配的UTC-PD，并采用倒裝封裝散熱襯底的方式，研制出48 GHz下350 mA飽和光電流的檢測器陣列［17］。

另一種改進方法是由中國臺灣中央大學吳衍祥研究小組［18］提出的“近彈道輸運”（near-ballistic）UTC 結(jié)構(gòu)。他們在收集區(qū)中插入一P型薄層，將收集區(qū)分隔成兩部分，一部分是靠近收集區(qū)的低場區(qū)（彈道輸運層）；另一部分是靠近N+接觸的高場區(qū)（電場承受層）。通過調(diào)節(jié)兩部分的電場強度，可實現(xiàn)電子以過沖速度掃過低場區(qū)域，從而進一步降低渡越時間，如圖10所示。他們于2012年報道了在110 GHz帶寬下飽和光電流37 mA的器 件 性 能［19］。

2013年，清華大學報道了一種“背對背”式UTC結(jié)構(gòu)，將兩個UTC結(jié)構(gòu)在N接觸層背靠背對接，呈現(xiàn)出“PINIP”的摻雜結(jié)構(gòu)，通過上下兩個P接觸與中間N接觸實現(xiàn)兩部分UTC結(jié)構(gòu)同時探測的工作方式，在不犧牲帶寬的前提下大幅提高了響應度。研究結(jié)果表明在24 GHz帶寬下、飽和電流 62 mA 時，響應度可達到 0.86 A／W［20］。

4.3 雪崩光電二極管

雪崩光電二極管（avalanche photodiode，APD）是一種高靈敏度的檢測器結(jié)構(gòu)。它通過載流子與晶格的碰撞電離效應引入內(nèi)增益機制，使器件靈敏度大大提高，平均比PIN檢測器高5～10 dB。用于光纖通信接收器的APD通常工作于線性模式，此時倍增區(qū)的電勢在擊穿VB電壓以下，一般具有十幾到幾十的增益。在器件結(jié)構(gòu)上，早期APD采用同質(zhì)結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)由于吸收和倍增均發(fā)生窄帶材料，在高電場情況下，會產(chǎn)生很大的隧穿電流，使得器件性能難以提高。為了解決這一問題，人們提出了一種新型結(jié)構(gòu)，即 SAM（separated absorption and multiplication）APD 結(jié)構(gòu)，如圖11所示。在這種結(jié)構(gòu)中吸收區(qū)和倍增區(qū)相互分離，雪崩倍增發(fā)生在寬帶隙材料中，而吸收則在窄帶隙材料中完成，吸收區(qū)電場較小，產(chǎn)生的隧道電流也較小，從而達到降低暗電流的目的。為了進一步調(diào)節(jié)吸收層和增益層的電場分布，在器件設計中又引入了電荷層，發(fā)展了SACM（separated absorption charge multiplication）結(jié)構(gòu)，大大提高了器件各方面的性能。

圖10 近彈道輸運UTC能帶示意

對線性模式APD的研究主要圍繞通過改善器件結(jié)構(gòu)和材料降低過剩噪聲及增加增益—帶寬積兩方面。從外延層的電學結(jié)構(gòu)上講，為降低吸收區(qū)和倍增區(qū)異質(zhì)結(jié)界面處載流子的堆積從而提高器件帶寬，通常需加入InGaAsP層平滑異質(zhì)結(jié)處能帶結(jié)構(gòu)（SAGM）。另外，通過在倍增區(qū)中加入電荷層，可以更加靈活地調(diào)節(jié)器件內(nèi)電場分布（SAGCM），使電場集中在倍增區(qū)中，同時保證吸收區(qū)的電場強度滿足載流子高權(quán)重漂移的要求。從器件結(jié)構(gòu)上，也可以采用平面型器件結(jié)構(gòu)以降低暗電流。進一步地，為了降低擴散摻雜帶來的邊緣擊穿效應，人們又在提出了兩步擴散、刻蝕坑與浮動擴散保護環(huán)等平面結(jié)構(gòu)。2003年韓國世宗大學［21］報道了采用刻蝕坑與浮動擴散保護環(huán)相結(jié)合的平面型SAGCM-APD器件，獲得了80 GHz的增益—帶寬積和約10 GHz的最大帶寬。

圖11 分離吸收過渡電荷倍增雪崩光電檢測器外延結(jié)構(gòu)示意

由于APD的噪聲和帶寬在倍增材料k值 （低離化率載流子與高離化率載流子的離化率比值）越低時性能越優(yōu)，而InP相對較高的k值制約了100 GHz以上的增益—帶寬積。隨即，人們提出用In0.52Al0.48As材料作為低k值的倍增層代替InP材料。2010年阿爾卡特朗訊與泰雷茲聯(lián)合實驗室Ⅲ-V實驗室報道了平面型InAlAs倍增層的APD器件，獲得了11.8 GHz的最大帶寬和240 GHz的增益—帶寬積，其單位增益下的外量子效率高達0.73，k值在 0.13～0.15［22］。

為進一步降低過剩噪聲，人們開始改善倍增區(qū)的結(jié)構(gòu)，通過將寬、窄帶隙材料相間的異質(zhì)結(jié)構(gòu)作為倍增區(qū)能帶結(jié)構(gòu)。載流子在寬帶隙材料中不發(fā)生雪崩倍增，但可以積累較高的能量，以便在窄帶隙材料中能夠迅速引發(fā)碰撞電離，從而降低碰撞電離在空間上的不均勻性。這種設計被稱為碰撞電離（impact ionization engineering，I2E）設計原理，k 值可低到 0.1［23］。

線性模式的APD器件是光接收機中常用的檢測器類型，如何改善其性能的研究一直未停下腳步。其本質(zhì)是如何在保證一定增益下獲得盡量高的帶寬以及盡可能低的噪聲。最近，日本NTT光子實驗室又提出了一種新型“三臺倒轉(zhuǎn)P臺面”APD器件結(jié)構(gòu)，雖然是基于InAlAs倍增材料的SACM電學結(jié)構(gòu)，但改善了原本的臺面型結(jié)構(gòu)，有效降低了倍增層側(cè)壁的表面電場強度，大大提高了器件的穩(wěn)定性與可靠性。研究制備出的單片集成四通道APD陣列在增益M=10的情況下，能夠保證單個器件的高響應度為0.9 A／W 與大帶寬為 18 GHz，可作為 100 Gbit／s以太網(wǎng)光接收機芯片使用［24］。

國內(nèi)對于APD的研究從20世紀80年代就已經(jīng)開始，主要針對光纖通信方面的應用，經(jīng)過多年的研究，APD性能不斷提高。2012年中國科學院半導體所報道了一種具有極低暗電流的平面型 InGaAs／InP APD，直徑 30 μm的器件在室溫下90%擊穿電壓下暗電流為0.1 nA，無減反膜時單位增益下響應度為 0.65 A／W［25］；2015年又提出了一種新型的APD結(jié)構(gòu)，以InAlAs作為倍增材料，并采用三級臺階型結(jié)構(gòu)，有效降低了器件表面電場強度，直徑55 μm的器件在室溫下90%擊穿電壓下暗電流為6 nA，無減反膜單位增益光響應為 0.77 A／W［26］。

目前，國際上商用高速光電檢測器的供應商主要有美國的 Finisar、Lumentum（原 JDSU光器件部分），日本的濱松公司，NTT公司，德國的u2t公司等。它們不僅在檢測器的研究與商用轉(zhuǎn)化上處于國際領先低位，并且對很多新型高性能檢測器的研究工作也處于國際領先水平。

國內(nèi)的光電檢測器生產(chǎn)研發(fā)機構(gòu)主要包括武漢光迅科技、華工正源、深圳海思等公司，研究單位包括清華大學、中國科學院半導體研究所、北京郵電大學、重慶光電技術研究所、華中科技大學等。在高速檢測器研究方面，國內(nèi)已研制出40 Gbit／s波導檢測器，但尚未形成產(chǎn)品，主要受限于高頻封裝。對于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的檢測器，國內(nèi)已實現(xiàn)較好的產(chǎn)業(yè)化，PIN傳輸速率可達 10 Gbit／s，APD速率可達2.5 Gbit／s，但在高性能檢測器商用產(chǎn)品方面，仍然與國外有較大差距。

5 單片集成化接收機中的長波長硅基光電接收器

光纖通信波段的硅基長波長光電檢測器的研究是從SiGe光電檢測器開始的。由于Ge與Si晶格失配度達4.2%，生長高Ge組分的SiGe材料存在很大的挑戰(zhàn)，SiGe光電檢測器的探測波長只能拓展到1 310 nm左右，而采用Ge量子點材料，可以將探測波長拓展到1 550 nm，但是這兩種光電檢測器由于在1 310 nm和1 550 nm波段材料的吸收系數(shù)很低，器件的響應度差。為了提高響應度，在王啟明院士的指導下，中國科學院半導體研究所研制出具有共振腔增強結(jié)構(gòu)的 SiGe 和 Ge 量子點光電檢測器［27，28］，響應度提高了3倍，但是離實際的應用要求還有一定距離。隨著硅襯底上高質(zhì)量Ge材料外延生長的突破，硅基Ge光電檢測器在短短幾年內(nèi)獲得了快速發(fā)展，并在硅基光電子集成接收機芯片中獲得應用，成為最主要的硅基光電檢測器。

硅基鍺光電檢測器與Si CMOS工藝兼容，而且在光通信和光互連波段有高的響應度，是硅光子學的關鍵性器件。人們已經(jīng)研制出了不同電學結(jié)構(gòu)和光學結(jié)構(gòu)的硅基鍺光電檢測器及其集成陣列，按照其光學結(jié)構(gòu)不同，主要有面入射結(jié)構(gòu)和波導結(jié)構(gòu)兩種，適用于不同的應用場景。按電學結(jié)構(gòu)和工作原理不同，主要有PIN結(jié)構(gòu)和APD結(jié)構(gòu)兩種器件。下面分別做簡單的介紹。

5.1 PIN結(jié)構(gòu)硅基鍺光電檢測器

PIN結(jié)構(gòu)器件可以實現(xiàn)高速、高響應、低暗電流，是研究得最多、性能最好的硅基鍺光電檢測器結(jié)構(gòu)。依照不同應用需求，PIN結(jié)構(gòu)硅基Ge光電檢測器主要有面入射結(jié)構(gòu)和波導結(jié)構(gòu)兩種。圖12是面入射結(jié)構(gòu)和波導結(jié)構(gòu)的硅基PIN Ge光電探測器示意。

面入射結(jié)構(gòu)光電檢測器的響應度與光吸收層厚度密切相關，而吸收層的厚度又決定了光生載流子的渡越時間，因此響應度與響應速度之間存在著制約的關系。想要獲得高的響應速度，就得犧牲器件的響應度。例如，為了提高帶寬，德國斯圖加特大學將Ge吸收層的厚度降低，同時將器件直徑減小到10 μm，在2009年研制出3 dB帶寬達49 GHz的面入射結(jié)構(gòu)Ge光電檢測器［29］。雖然器件的帶寬很高，但由于光吸收層很薄，器件響應度很低，只有0.05 A／W，對應的量子效率只有4%，難以實用。需要根據(jù)應用的需求，兼顧速率和響應度的需要，不能只追求某一個指標。中國科學院半導體研究所于2009年研制出了國內(nèi)首個硅襯底上的高速Ge光電檢測器［30］，對 1 310 nm和1 550 nm波長的光響應度分別為0.38 A／W和0.21 A／W，在0 V和-3V偏壓下的3dB帶寬分別為4.72GHz和6.28 GHz。2013年，又研制出SOI襯底上的高速高響應鍺光電檢測器［31］，直徑為 20 μm 的器件對于 1 550 nm 波長光的響應度為 0.3 A／W，響應帶寬為 23.3 GHz，直徑 15 μm 的器件響應帶寬達到26.4 GHz，兼顧了器件的響應度和響應帶寬的需求。

圖12 硅基PIN Ge光電探測器結(jié)構(gòu)示意

波導結(jié)構(gòu)的Ge PIN光電檢測器中光生載流子的輸運方向可以設計成與光的傳播方向垂直，在實現(xiàn)足夠的光吸收的同時保持了較小的載流子渡越時間，解除響應速度與響應度之間相互制約的矛盾。再則，波導結(jié)構(gòu)光電檢測器也是光子集成回路所必需的。波導型Ge光電檢測器按光耦合方式有兩類主要結(jié)構(gòu)：一種是Butt耦合結(jié)構(gòu)，Ge光電檢測器的Ge吸收層材料與Si波導直接對接，來自硅波導的光直接入射到端側(cè)的Ge吸收層，從而實現(xiàn)對光的探測；另一種是消逝場耦合結(jié)構(gòu)，Ge檢測器吸收材料處于硅波導的上面，來自硅波導的光到達檢測器后，由于Ge的折射率比硅大，光將通過消逝場耦合進入折射率比Si大的Ge吸收層，實現(xiàn)對光的吸收探測。前者工藝比較復雜，需要嚴格控制Ge外延區(qū)硅的腐蝕，還需要進行化學機械拋光等工藝。優(yōu)點是較小器件長度就可以充分吸收入射光，由于器件尺寸小、電容小，速度可以更快。而消逝場耦合結(jié)構(gòu)工藝比較簡單，但是器件要求長一些，以保障足夠的光響應。代表性的工作如法國巴黎第11大學［32］研制出的與硅波導Butt耦合的波導型Ge光電檢測器，器件長度為15 m，3 dB帶寬在-4 V下達到42 GHz，1 520 nm波長下的響應達到1 A／W，在保障高速工作的同時，實現(xiàn)了高的響應，但是暗電流密度比較大，在-1 V下為 60 mA／cm2，并在偏壓增加時迅速增大。2012年，他們研制的Ge光電檢測器由于減小了本征吸收區(qū)的厚度，在0 V偏壓下實現(xiàn)了 40 Gbit／s的探測速率，暗電流密度為 80 A／cm2。為了進一步提高帶寬，人們也做了一些有益的嘗試，如采用Gain peaking技術，在電極引線上增加電感［33］或者設計合適的鍵合金線，可以將器件帶寬提高到約60 GHz，但響應度會有所降低。

5.2 Ge／Si異質(zhì)結(jié)雪崩光電二極管

APD（avalanche photo diode）器件由于具有倍增效應，可以對弱光進行探測，可以降低對光探測模塊中放大電路的要求，甚至免去放大電路，是光通信系統(tǒng)中的重要器件。由于硅的電子碰撞離化率遠大于空穴的離化率、噪聲低，是最好的雪崩倍增材料，但是由于其帶隙決定了其不能對長波進行探測，而Ge對1 550 nm和1 310 nm的光具有高響應，所以，人們提出了以Ge為吸收區(qū)、以Si為倍增區(qū)的Ge／Si APD（Ge／Si SACM APD）結(jié)構(gòu)。它綜合利用 Ge 在1 550 nm和1 310 nm高響應和硅材料優(yōu)異的雪崩倍增特性，實現(xiàn)對通信波段的弱光探測。Intel公司在2008年12月8日宣布其研究團隊在采用Si襯底上外延生長的Ge材料成功研制出了基于硅的雪崩光電檢測器，其增益帶寬積達到了創(chuàng)記錄的340 GHz，爾后他們又將這一記錄提高到840 GHz［34］，與其他化合物半導體的 APD 器件相比，顯示出了明顯的優(yōu)勢。圖13是他們研制的Ge／Si SACM APD的增益帶寬積測試結(jié)果。Ge／Si SACM APD也可以制備成波導結(jié)構(gòu)，如Intel研制出 Butt耦合和消逝場耦合的Ge／Si SACMAPD，70m長的消逝場耦合APD器件帶寬為23 GHz，在10 Gbit／s速率、誤碼率在 1×10-12以下時，靈敏度為-30.4 dBm。30m長的Butt耦合結(jié)構(gòu)APD的帶寬為29.5 GHz。新加坡微電子所研制出類似結(jié)構(gòu)的波導結(jié)構(gòu)Ge／Si SACM APD器件［35］，3 dB帶寬為20 GHz，1 550 nm波長下的響應為 22 A／W，推算的靈敏度可達-30.5 dBm。

圖13 Intel與UCSB合作研制的Ge／Si SACM APD的增益帶寬積測試結(jié)果

再則，利用硅襯底上制備的Ge材料，可以制備出MSM結(jié)構(gòu)和PIN結(jié)構(gòu)的Ge APD器件。器件雖然制備在硅襯底上，但Si材料并不參與光電檢測器的工作。MSM結(jié)構(gòu)的Ge APD器件首先由IBM于2010年研制成功［36］。他們采用快速熔融法制備SiON上的Ge薄層，用叉指結(jié)構(gòu)W金屬與Ge接觸形成一系列沿波導方向的肖特基結(jié)。當電壓高于Ge擊穿電壓時，就可以實現(xiàn)APD工作。由于接觸電極間距只有 200 nm，在 3.4 V 偏壓下，增益達到 10，40 Gbit／s的眼圖可以很好地張開。橫向PIN結(jié)構(gòu)的Ge APD由法國巴黎第11大學首先報道［37］。在220 nm的SOI上制備波導，在波導的端頭腐蝕Si到40 nm厚作為Ge外延區(qū)域，外延Ge后通過化學機械拋光將Ge層減薄到300 nm厚，制備橫向結(jié)構(gòu)的PIN器件，I層寬度為500 nm。器件在偏壓在5 V下可以實現(xiàn)雪崩倍增。在無增益情況下，3 dB帶寬大于40 GHz，增益為17時，帶寬達11 GHz。值得一提的是，對于一般PIN結(jié)構(gòu)的硅基Ge光電檢測器，偏壓加得足夠高時，也會發(fā)生雪崩倍增，實現(xiàn)APD工作，也能滿足某些方面的需求，但信噪比較差。如比利時的IMEC［38］研制的硅基Ge波導結(jié)構(gòu)APD器件，其電學結(jié)構(gòu)就是普通的PIN結(jié)構(gòu)，在低偏壓下，3 dB帶寬可以大于50 GHz；在 6.2 V偏壓下，帶寬為 10.4 GHz，增益為10.2，增益帶寬積達到100 GHz。

綜上所述，面入射結(jié)構(gòu)的硅基Ge PIN光電檢測器存在響應帶寬與響應度之間的矛盾，需要根據(jù)實際應用需要找到平衡點，兩者兼顧的典型器件性能是帶寬25 GHz左右，1 550 nm波長下的響應度約為0.3 A／W。對于波導結(jié)構(gòu)的硅基鍺光電檢測器，由于解除了響應度和帶寬之間的制約，可以同時實現(xiàn)高響應度和高帶寬，目前典型的研究結(jié)果是，帶寬約40 GHz，1 550 nm波長下的響應度約為1 A／W。另外，為了實現(xiàn)對弱光的探測，硅基鍺APD器件研究也是近年的研究熱點。為了降低倍增中的過剩噪聲，器件一般設計成吸收區(qū)與倍增區(qū)分離的結(jié)構(gòu)，增益帶寬積高達840 GHz。另外，為實現(xiàn)低偏壓下工作的硅基Ge APD器件，人們也研制出了電極間距很短的硅基MSM結(jié)構(gòu)和橫向PIN結(jié)構(gòu)Ge APD器件。

6 結(jié)束語

以上概要地展現(xiàn)和介紹了推動21世紀光纖通信系統(tǒng)迅速發(fā)展的主力——有源光電子器件和集成技術的概況。光纖通信的含義無疑已遠遠地超越了50年前的電信范疇。在傳輸信息的類別、傳輸功能的拓展、傳輸制式的多變、傳輸時域的加快和傳輸空域的擴大等方面，都有了前所未有的巨大躍變。數(shù)字光網(wǎng)絡的實現(xiàn)、互聯(lián)網(wǎng)的滲透與普及、量子密鑰的采用、人工智能和虛擬現(xiàn)實的發(fā)展已使信息化社會邁向了智能化的新時代。

特大容量（Zbit／s）的數(shù)字化傳輸系統(tǒng)、ps級實時光交換和路由、低噪聲高靈敏寬帶接收機以及數(shù)字與模擬融合的超快信息處理技術將陸續(xù)登上舞臺。其中，諸如密集波分復用（DWDM）技術的采用、ps級脈沖光頻梳激光器、低噪聲高靈敏的光電接收器、ps級波長變換器以及低功耗路由光開關、多波長發(fā)射的單光子發(fā)射與接收器將再次成為推動智能化時代發(fā)展的主力軍。

在光電子信息傳輸系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)化規(guī)?；l(fā)展進程中，硅基材料將在系統(tǒng)集成中占據(jù)高位。硅基集成光電子將成為未來發(fā)展的主流。關鍵在于可與硅基CMOS電路兼容集成的激光器的突破性發(fā)展。硅微電子處理器芯片內(nèi)的光互連無疑將取決于在硅基芯片中構(gòu)建微型光網(wǎng)絡的實現(xiàn)，它將對提升超快計算機運行速率做出劃時代的奠基性貢獻。

創(chuàng)新是人類社會發(fā)展的推動力，長江后浪推前浪是人類歷史發(fā)展的真諦。

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Progress in active devices for optical fiber communication

WANG Qiming1，ZHAO Lingjuan2，ZHU Hongliang2，HAN Qin1，CHENG Buwen1
1.State Key Laboratory on Integrated Optoelectronics，Institute of Semiconductors，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100045，China 2.Key Laboratory of Semiconductor Materials，Institute of Semiconductors，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100045，China

The rapid progress of optical fiber communication makes it become the key technology for the information society.The active and passive optoelectronic devices are the foundation of the optical communication.The progress and development trend of the key active optoelectronic devices were reviewed，including DFB laser，photonic integrated circuit，980 nm high power laser for EDFA pumping，compound semiconductor photodetector and Si-based long wavelength photodetector.

optical fiber communication，active device，DFB laser，pumping laser，photodetector，avalanche photo diode

TN36

A

10.11959／j.issn.1000-0801.2016141

2016-03-03；

2016-05-09

王啟明（1934-），男，中國科學院半導體研究所研究員、院士，主要研究方向為半導體光電子學。

趙玲娟（1964-），女，中國科學院半導體研究所研究員、博士生導師，主要從事InP基半導體激光器及光子集成芯片技術的研究工作，包括高速DFB激光器、電吸收調(diào)制器、半導體光放大器、半導體可調(diào)諧激光器、全光時鐘恢復等光子信息處理器件、光生微波集成芯片以及寬帶混沌光集成芯片的研究工作。

朱洪亮（1957-），男，中國科學院半導體研究所研究員、博士生導師，主要從事InP基光子集成芯片技術的研究工作，包括高速DFB激光器、電吸收調(diào)制DFB激光器、激光器陣列集成發(fā)射芯片等研究工作。

韓勤（1965-），男，博士，中國科學院半導體研究所研究員、博士生導師，主要研究方向為光電子材料、器件和多功能光電集成芯片，包括高速Ⅲ／Ⅴ族半導體光探測器、高飽和電流模擬光探測器、線性／蓋格模式APD及焦平面 APD陣列、高性能Ⅲ／Ⅴ族半導體光放大器和激光器；用于光纖通信、接入網(wǎng)和光互連的InP基及Si基多功能光電集成芯片。

成步文（1967-），男，中國科學院半導體研究所研究員、博士生導師，主要研究方向為硅基異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料生長和器件研制，包括硅襯底上SiGe、Ge、GeSn等Ⅳ族材料的外延生長，并利用這些材料開展硅基高效發(fā)光器件、高速高靈敏度光電探測器、低功耗電光調(diào)制器、新型高遷移率MOSFET等光電子和微電子器件和芯片的研制。