硅基光電子集成回路是將光發(fā)射器、光波導(dǎo)/調(diào)制器、光電探測器及驅(qū)動(dòng)電路和接收器電路進(jìn)行單片集成。所有 器件均采用標(biāo)準(zhǔn)集成電路工藝制各，或是僅僅對工藝進(jìn)行微小的修改，從而實(shí)現(xiàn)全光互連與超大規(guī)模集成電路的 單片集成，易于大規(guī)模生產(chǎn)。研究單片硅基光電子集成回路的目的是要實(shí)現(xiàn)光通信互連系統(tǒng)或集成電路芯片內(nèi)的 信號傳輸。因此，硅基單片光電子集成回路是一種電輸入、光傳輸、電輸出的互連系統(tǒng)，如圖所示。

圖1 寫標(biāo)準(zhǔn)微電子工藝兼容的硅基光電子集成回路示意圖

　　其中，驅(qū)動(dòng)電路將輸入的小信號轉(zhuǎn)變?yōu)楣杌獍l(fā)射器件工作所需要的信號，為硅基光發(fā)射器件提供足夠的電壓偏 置和電流驅(qū)動(dòng)；硅基光發(fā)射器件在驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)下，將電信號轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘枺还獠▽?dǎo)/調(diào)制器部分的功能是傳輸 光信號，并對信號進(jìn)行調(diào)制，使其加載一定的調(diào)制信息；光電探測器接收光信號，并將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?；?于光電探測器產(chǎn)生的電信號非常弱小，無法滿足芯片正常工作的需求，所以光接收電路的主要功能是進(jìn)行信號放 大，使其達(dá)到后面芯片所需要的要求。

　　以往光電子集成技術(shù)研究大多是基于砷化鎵（GaAs）和磷化銦（InP）等化合物材料的分立元件的集成芯片的研 究，但是，這種利用分立元件混合集成方式實(shí)現(xiàn)的電路存在著明顯的不足，如電路中紋波大、產(chǎn)量低、可靠性差 。因此，低價(jià)位、高可靠性的傳輸系統(tǒng)需要利用單片集成回路來實(shí)現(xiàn)。單片集成電路有顯著的優(yōu)點(diǎn)，如所需外部 元件少，頻率特性的紋波小，環(huán)路延遲小，片內(nèi)連接一股選用直流耦合，優(yōu)化方式采用EDA軟件，方便易用，可靠性高，尺寸小，功耗低等。

　　硅基光電子集成回路所有器件均采用標(biāo)準(zhǔn)集成電路工藝制備，或是僅僅對工藝進(jìn)行微小的修改，從而實(shí)現(xiàn)全光互連與超大規(guī)模集成電路的單片集成，易于實(shí)行大規(guī)模生產(chǎn)。研究的難點(diǎn)在于如何提高電光/光電轉(zhuǎn)換效率、如何實(shí)現(xiàn)器件的耦合和模式匹配，以及如何提高芯片速度。

　　Snyrnan利用0.8μm BiCMOS工藝實(shí)現(xiàn)了硅基光系統(tǒng)集成回路，如圖2所示，包括光發(fā)射器、光波導(dǎo)、集成光電探測器和高增益CMOS跨阻抗放大器。該芯片的工作頻率能達(dá)到200 MHz。器件利用SiO2場氧化層制作光波導(dǎo)。為了使產(chǎn)生的光能充分耦合進(jìn)入光波導(dǎo)，將光發(fā)射pn結(jié)設(shè)計(jì)在SiO2，層尖角下方。同理，將探測器探測效應(yīng)靈敏的部位設(shè)置在光波導(dǎo)另一端的尖角下面，以使光波導(dǎo)傳輸?shù)墓饩€限度地耦合進(jìn)入探測器。此集成回路是在硅襯底上利用標(biāo)準(zhǔn)集成電路工藝制備，從而可以實(shí)現(xiàn)與集成電路的單片集成。

圖2 0.8μm CMOS工藝設(shè)計(jì)的硅基光電子集成回路

　　圖3所示的硅基光電子集成回路是采用與標(biāo)準(zhǔn)CM0S工藝兼容的工藝實(shí)現(xiàn)了雪崩擊穿發(fā)光二極管、Si3N4傳輸線和光電探測器的單片集成凹。其傳輸光波導(dǎo)采用了Si₃N₄材料，實(shí)現(xiàn)了自對準(zhǔn)光耦合，將發(fā)光二極管發(fā)出的光耦合進(jìn)光波導(dǎo)并使其進(jìn)入探測器。

圖3 基于Si₃N₄光波導(dǎo)的硅基光電子集成回路示意圖

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