光子集成电路PIC – 阵列技术

20 世纪 80 年代和 90 年代初，将半导体激光器和其他相关器件集成到单个芯片上的光学和电子集成技术取得了重大发展。

这些芯片可实现比单个器件更高水平的功能。例如，激光器和电子驱动电路已经集成，可作为简单的单片光波发射器。同样，光探测器也与基于场效应晶体管（FET）或异质结双极晶体管（HBT）的放大器电路集成在一起。这种集成器件可作为接收器的前端。

光电集成不仅是光子学领域的一项技术成就，而且有望降低系统成本。

我们要知道，光子集成电路（PIC）的名称一般用于所有集成元件都是光子器件的情况，如激光器、探测器、放大器、调制器和耦合器。光电子集成电路 (OEIC) 的名称则用于光子器件和电子器件的组合。

今天我们先来看看光子集成电路PIC中的阵列技术是怎样的。

最简单的光子集成电路是由激光器、发光二极管或光电探测器组成的一维阵列。这些器件的制造方法与单个器件完全相同，不同之处在于晶圆不是按照单个器件芯片的方式进行刻划，而是留成条形。

激光阵列示意图如下图1所示，分别是可独立寻址的边缘发射激光器阵列示意图和照片。通过在发射器之间蚀刻 V 形槽来隔离单个元件。该阵列由覆盖介质埋入式异质结构（CMBH）激光器组成。

激光器或发光二极管阵列可用作密集并行光互连的光源，这种技术可应用于下一代计算和交换系统。

阵列技术的一个必要条件是低功耗和阵列中各元件之间无串扰。前一项要求源于发射器和接收器模块在典型工作条件和环境下有限的热传导能力。

如果使用低阈值激光器，功耗问题就会大大减少。我们已经为 AlGaAs 和 InGaAsP 材料系统制造出了这种激光器（阈值电流约为 1 mA）。在这两种情况下，激光器都具有多量子阱（MQW）有源区、短腔长和高反射率面涂层。

激光器和探测器阵列的制造使它们在数据传输速率达到 1.4 Gb/s 时不会产生串扰。

LED 和光电二极管被封装成 1×12 阵列，使用 12 根光纤束和硅 V 形槽进行对齐。光纤束的末端是连接器，连接器由硅 V 形槽组成，中心到中心的间距为 250 μm。LED 和激光阵列封装的示意图如图2(a)(b) 所示。

图2（a）

图2（b）

上面两图分别是用于并行光互连的 (a) LED 和 (b) 边缘发射激光阵列封装示意图。该封装使用 60 μm 芯 1×12 多模光纤束，光纤束与硅块上的 V 形槽连接。

对于二维发射器阵列，表面发射激光技术是表面发光LED阵列技术的自然延伸，可提供更高的速度和功率水平。已经报道了可独立寻址的表面发射激光器二维阵列。