中国光学期刊网1引言硅材料在20世纪通过半导体集成电路垄断了数字电子工业，并改变了人们的生活方式以后，现在又成为光学及光电子学青睐的材料。

成熟的大规模、低成本硅基半导体集成电路生产工艺是人们期望用硅材料来制备微纳光电子器件及系统的最主要原因之一。

其目的就是要大幅度地降低目前基于III-V 族材料的微纳光电子器件及系统的成本。

众所周知，硅在1.3~1.5m m 通信波段是非常好的低损耗传输介质。

人们已经利用这种特性，开发出了微纳尺寸的光波导、分束器、耦合器、调制器以及探测器等光通信用基础元器件[1,2]。

锗硅探测器已达到40Gb/s 的指标[3]。

如能实现硅基微纳放大器和激光器，与微电子集成类似的微光电子集成就不难实现了。

然而，硅是一种间隙材料，单纯的体硅发光效率是非常低的。

这也是目前硅基光电子学领域研究人员正在集中攻关的重点之一。

为了能够将光源引入到单片硅基光电子系统中去，人们采用了耦合、贴片及混合集成等方式[4,5]，但大部分的努力仍然是希望通过单片集成的方式将光源硅基微纳光电子系统中光源的研究现状及发展趋势周治平王兴军冯俊波王冰（北京大学区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室，北京100871）Zhou Zhiping Wang Xingjun Feng Junbo Wang Bing（State Key Laboratory of Advanced Optical Communication Systems Networks,Peking University,Beijing 100871,China ）摘要综合了微电子学及微纳光学的优势，硅基微纳光电子学正在快速走向实用阶段。

与微电子制造技术兼容的微纳光子器件，包括调制器、探测器、分束器以及耦合器等均取得了重要的突破。

但硅基微纳光源的研究则仍处在探索阶段。

外部光源在多大程度上能代替片上光源？片上光源的最佳选择是什么？介绍、分析了目前硅基微纳光源的研究现状及进展，并对片上光源的研究趋势进行展望。

关键词微纳光电子学；集成光学；硅基光源Abstract Si based micro -nano optoelectronics is rapidly moving toward commercial applications.Nano -photonic devices compatible with the microelectronics manufacturing technology,including modulators,detectors,splitter and coupler,etc.have made an important breakthrough.However,research on Silight source is still in the exploratory stage.Is the external light source enough for chip sizeoptoelectronic systems?What will be the better choice as the on-chip light source?This article willintroduce the current research progress and development of Si based micro-nano light source,andprospect further outlook on-chip light source development trends.Key words micro-nano optoelectronic;integrated optics;Si based light source中图分类号TN253doi ：10.3788/LOP20094610.0028Research Progress and Development Trends of Light Source for Silicon Based Micro-Nano Optoelectronic Systems激光与光电子学进展2009.10集成到硅基微纳光电子系统中去[6,7]。

这就必须要对硅材料本身的能带结构及辐射/吸收机理进行细致的研究。

本文将对以上努力进行介绍分析，特别是针对硅及以硅为基础的复合材料所作的努力进行阐述，希望能够理清当前的研究重点及方向，探明硅基微纳光电子系统中光源的研究现状及未来的发展趋势。

2外部光源及混合集成的片上光源由于硅的载流子直接跃迁复合的发光效率很低，因此用常规手段在硅上作出高效率的发光器件比较困难。

虽然目前已经有一些单片集成硅基光源的成果报道[6,7]，但是在短期内真正实现高效的单片集成硅基激光仍具有挑战性。

目前使用的方式有外部光源和混合集成的片上光源两种。

其中，外部光源又分为芯片外部光源和倒装焊外部光源两种，如图1所示。

2.1外部光源及其耦合问题外部光源的方案回避了直接在硅材料上制备光源的难题，利用比较成熟的外部光源作为系统的输入。

但这种方案使得系统无法大规模集成，而且必须解决外部光源到集成光波导器件的耦合问题。

利用芯片外部光源，一般来说，激光从光纤中输出，然后耦合进硅波导中。

因此芯片外部光源要解决光纤和硅基纳米波导的耦合问题。

由于硅基波导，尤其是绝缘体上硅（SOI ）波导，尺寸很小。

为保证波导的单模传输条件，其厚度一般要小于280nm ，宽度也要小于500nm 。

而单模光纤的纤芯直径约为9m m ，这使得从光纤到硅基纳米波导的耦合非常困难，其耦合损失主要来源于光纤与硅基纳米波导的模场失配，包括模场大小失配和模场分布失配，以及耦合面的反射和散射等。

同时，耦合的未对准容差也是一个必须考虑的因素，太小的未对准容差会给耦合器的封装带来巨大的成本和困难。

而且，一般来说，硅基波导器件都是偏振相关的，正确的输入偏振态对器件的工作非常关键。

因此，耦合方案的偏振性也是耦合器设计的一个重要方面。

另外，系统希望获得大的带宽来满足大信息量的需要，要求耦合器具有一定的带宽。

一个好的耦合方案应具有如下的特点：1）耦合效率高；2）带宽大，包括频谱带宽和角度带宽；3）未对准容差大；4）封装成本低；5）加工制备容易，最好与CMOS 工艺兼容。

按照光纤与波导的耦合方式可以大致将其分为两类：端面耦合（如图2（a ））和平面耦合（如图2（b ））。

端面耦合是光纤通过波导端面直接将光耦合进波导的方法，通常的方法有多层锥形结构、三维锥形结构和倒锥形结构等。

但这些结构的制备非常困难，而且制作容差小，还需要侧面抛光，耦合封装困难。

光栅耦合器作为一种面耦合器成为这方面研究的热点。

它可以在系统的任何地方实现信号的上载下载，大大增强了系统的灵活性。

比利时Gent 大学的R.Baets 小组[4,8]致力于这方面的研究，设计出了基于SOI 的紧凑型光栅耦合器，并提出了一系列的优化方案，如：衬底反射层法、侧面增加发射光栅、光纤模场匹配光纤等，大大改善了普通光栅耦合器在耦合效率和带宽方面的图2光纤与纳米波导的耦合方式。

(a)端面耦合；(b)平面耦合（光栅耦合）图1外部光源及混合集成的片上光源示意图 中国光学期刊网性能。

但由于普通对称光栅耦合效率的局限性，必须采用倾斜入射的方法。

垂直耦合在集成光路的应用方面具有更大的吸引力，它能大大加强系统的灵活性和降低对准封装难度。

B.Wang 等[9,10]提出了一种倾斜的光栅结构，可以用于垂直耦合。

但是这种倾斜光栅制备困难，与传统CMOS 工艺不兼容，无法进行大规模批量生产。

另外我们研究小组设计了一种二元闪耀光栅耦合器[11,12]，能够实现高效率的完全垂直耦合，而且只需一步刻蚀即可完成，并与CMOS 工艺兼容。

利用这种光栅的特殊偏振性质，还可以将其用作偏振分束耦合器，在耦合的同时依据入射光的偏振态将两种偏振态的光分别耦合到不同的波导中，具有很高的耦合效率和偏振消光比。

对于倒装焊外部光源，其对准条件更为严格和苛刻。

通常有两种对准方案，“有源对准”和“无源对准”。

在有源对准的过程中，激光器接上电源并处于工作状态，通过反馈来寻找最佳对准位置。

这种方法对准精度高，但是整个过程需要电连接，使得对准过程复杂和困难。

无源对准过程无需电连接，利用精确的对准方法来实现光源与波导的对准。

图3为倒装焊外部光源及其对准方法。

2.2混合集成的片上光源硅基（或SOI ）波导器件的最大优势之一是其紧凑的结构和CMOS 兼容的工艺，然而一直缺乏一种紧凑的高效的片上光源。

一种变通的方法是混合集成的片上光源，利用键合等非CMOS 兼容工艺将III-V 族材料的器件与硅基光电子器件混合集成在同一个衬底上。

图4所示为J.Van Campenhout 等[13]设计并制备出的混合集成的激光器。

利用键合的方法将增益介质Ⅲ-V 族材料（InP ）制备在硅基衬底上，器件结构的制备以及与下层硅波导的对准依靠普通光刻来实现，具有较高的对准精度。

利用电注入在InP 微盘内产生激光，然后利用倏逝波耦合进下层的硅波导中。

图4（a ）所示为器件结构示意图，图4（b ）为制备出的这种混合集成激光器的照片。

实验测得这种混合集成的电注入连续波激光器的阈值电流约为0.5mA ，阈值电压为1.5~1.7V ，发光效率为30μW/mA ，单向波导输出激光功率为10μW。

图5(a)混合集成的倏逝波硅基激光器结构示意图；(b)激光器截面SEM照片图3倒装焊外部光源以及光源与硅波导的对准图4利用InP 微盘与SOI 芯片键合方法的混合集成片上光源。

(a)器件结构示意图;(b)一个样片上同时制备出的多个激光器B.R.Koch小组[14]设计了一种利用倏逝波耦合的40GHz硅基混合集成激光器，如图5所示。

该激光器也是利用键合的方法制备的，无需苛刻的对准，可以同时在一个硅衬底上集成多个激光器。

3单片集成的片上光源外部光源和混合集成的片上光源具有较高的发光效率，容易实现连续或者可调激光输出的优点，但其缺点仍然很突出：集成度不高、制备工艺复杂、与CMOS工艺不兼容、系统成本昂贵，而且必须考虑到输出激光到波导的耦合对准问题。

因此，将光源单片集成到硅基微纳光电子系统仍然是当前研究的重中之重。

3.1纯硅光源由于硅发光的内量子效率很低，为10-6，一直以来都被认为不适合制备光源。

但自2000年以来，一系列优秀研究成果正在逐渐出现，如体硅发光二极管（LED）[15~17]、富硅氧化硅[18,19]、硅拉曼激光器[6,7]等。

澳大利亚的M.A.Green等研究小组[15]在《Nature》上报道了他们在体硅发光方面的研究结果，首先把LED的硅表面设计成锯齿状光学图形，使入射角小于全反射角，光的输出效率可以达到100%;另外电极采用重掺杂和控制薄膜的厚度来减少自由载流子的吸收，制备的LED外量子效率大于1%，开启电压小于1 V。