半导体集成光子学与微结构集成光学研究现状与发展趋势

1, 半导体集成光子学的主要成就及应用发展
    (1) 信息传输系统中的半导体光子学
低损耗光纤与室温下工作的双异质结半导体激光器的问世为光通信得以迅速发展奠定了基础。目前实用化光通信系统的单信道速率已达10Gb/s，波长为1550nm的量子阱DFB半导体激光器是首选的理想光源。这种DFB激光器与量子阱外调制器单片集成的光源，最高调制速率可达40Gb/s。为克服单信道传输容量上的限制，方法之一是改用光孤子通信技术或是光时分复用(OTDM)技术。超快脉冲半导体激光器将是实现这种技术的关键之一。可选用的光源有：增益开关型MQW-DFB半导体激光器、量子阱DFB激光器与量子阱EA电光调制器的集成、量子阱锁模激光器等。
Tb/s量级的传输速率是即将到来的信息化社会的需求标志，为实现这一指标，较为妥当的方法是借助复用通信手段。量子阱结构1550nm波长可调谐DFB或DBR激光器的研制成功为波分复用(WDM)超大容量信息传输技术的发展奠定了可靠基础。对于光时分复用(OTDM)传输方式，则寄希望于实用化半导体碰撞锁模激光器，这种激光器可发生的码率最高可达100Gb/s，即0.1Tb/s。
    (2) 信息入网与交换系统中的半导体光子学
    在即将到来的高度发达的信息化社会，复杂的四通八达的信息网络与交换系统将比比皆是。这些系统的基本单元和关键器件是高速光波导开关。聚合物材料有大的电光系数、快的响应速度、可塑性强、加工成本低，又能够在微电子Si芯片上准单片集成，因此发展这类器件有吸引力。正在发展的SiO2光波导开关也是引人关注研究方向。它完全能与微电子器件兼容，有望发展廉价的全Si化光电子单片集成的光交换芯片。半导体Ⅲ－Ⅴ族材料Mach-Zehnder型波导光开关已经研究得比较成熟，响应速度快是其主要特点。然而半导体光放大器可实现兼具增益与开关两种功能，发挥其独有的特点，这也是当前一个重要的研究方向。
    未来的光信息入网与交换系统还要求具有一定的逻辑功能，半导体SEED双稳态开关满足这一要求。这种器件利用量子阱材料中的室温激子效应运作，是一种具有逻辑功能的功耗低、响应快、灵敏度高的光—光开关器件。用于光交换系统，SEED器件还必需实现三维空间运作，这可通过多芯片组装的MCM技术来实现。SEED器件与高速电子器件集成组构的光电子集成芯片，被称作灵巧象素(Smart pixel)，它不仅能提高开关灵敏度，而且还可以扩充集成器件的功能。因此，这种器件对高速大容量和高度网络化的信息系统的开发具有重要意义。
    (3) 信息处理系统中的半导体光子学
    在高度发展的信息化社会中用光子作为信息载体来传递超高速逻辑运算的信息将是至关重要的。其中光互连是提高运算速度的最佳途径。上述VCSEL器件的成功实际上已为光互连技术的发展奠定了有力基础。在集成面阵方面，最近已有108×34 = 3672个VCSEL面阵的报道，成品率已达94%。为了扩展互连功能，除简单的面对面的连接外，还必需充分利用光的特性，使之具有并行、寻址和记忆的功能。采用MCM多芯片组装技术在互连光路中插入用以分束的全息片、有电光寻址与逻辑功能的SEED空间光调制器以及光电转换的探测器面阵等可使之得以解决。至于芯片内部的光互连，必需通过光波导的导引来实现。SiO2及聚合物光波导的成功均为之提供了很好的解决途径。
    VCSEL-PD探测器及其集成面阵等还将为神经网络与人工智能中的光互连技术提供硬件基础。在两维图象信息中配上VCSEL面阵等可将模拟处理变为数字处理，兼顾了处理的高精度和实时性。
    (4) 信息存储系统中的半导体光子学
    超大容量存储与超快速度存取是信息化社会对信息存储技术的要求。当前，光盘成为光子存储技术中的佼佼者。写读光束的光斑大小是直接影响光盘存储量提高的主要因素。现在波长为630nm的量子阱半导体激光器正逐渐替代现行的780nm半导体激光器。GaN与ZnSe蓝绿光激光器的研制成功使光盘的存储容量大幅度提高。如用GaN量子阱材料再进一步研制出350nm紫外激光器，则有望将存储容量提高到50Gb以上。将信息复用技术用于存储，能够使之面貌大为改观。使用半导体SEED空间光调制器与面发射VCSEL集成面阵，实现立体存储，存储容量将可达Tb量级。
2, 微结构集成光学的研究现状
    (1) 二维波导结构的集成光学系统
    二维波导结构的集成光学系统已经在半导体和电光晶体(如LiNbO3)材料上成功地得到发展，并已初步成功地研制出集成化光学系统。如用于光交换网络的LiNbO3波导开关集成面阵，以LiNbO3为基片的声光偏转的集成化频谱仪、激光多普勒测速仪、光学相关器等。然而对半导体Si材料为基片的研究更为吸引人，并已成功地在光通信技术中得到重要应用,例如用以准直定位多光纤耦合的硅V形沟槽集成线阵，特别是近来成功发展的SiO2/Si弯曲波导集成光栅的研究成功，能够极方便地实现多波长耦合与单道传输和色散分离的功能，复用信道数几乎不受限制，为密集波分复用实用化通信技术的发展作出了重大的贡献。     (2) 自由空间三维集成光学系统
自由空间三维集成光学系统的研究是当前人们关注的热点，因为它能全面地体现出光子技术的优势，同时还能与微机械兼容集成，以期达到光、机、电微结构一体化的最终目标。尽管以电光晶体材料也能实现某些三维光学元件并有一定规模的集成，但是人们还是倾注全力来发展Si基三维集成光学。前面谈到几乎所有的衍射型、折射型、反射型的三维微光学元件都已能在Si基片上实现。目前的研究方向则集中于优化设计和工艺实现某些微结构光学系统中的基础集成部件，如将微型光学元件制作安置在Si基片上，初步实现了Si基微光学平台系统。数字微镜的面阵集成可能发展用于数字投影彩色电视机，也已成功研制出微结构光盘读写光头的原型产品。问题的关键是要研制出一系列光轴平行于Si基片的三维光学元件。
    (3) 三维微结构的光、机集成
    三维微结构的光、机集成也是引人注目的研究方向，并已证实完全可能实现最终的目标。目前的研究重点是参照常用光学系统中所需求的光学元件为根据，设计并实现各种微机械器，并在Si基片上实现与微结构光学元件的单片集成。作为初步的验证已经实现了微机械的平移座和旋转座与三维光学元件的集成，至于采用混合集成的技术微机械器也可以与有源光子器件集成，做成可调变方位的集成激光器或探测器等。
总之，微结构光学的发展将使光子技术的应用领域进一步拓宽，而使之与社会的需求更为直接地结合，像电子计算机的发展那样，从大型机，PC机发展到集成单片微处理器。那时从工艺生产线流出的产品不再是单一的元器件，而是一部部微型化的光、机、电一体功能完整的信息系统。生产规模将大为扩大，造价极大降低，使得家庭用户能予接受。它的成就无疑将使光子产业的发展获得革命性的飞跃。