硅基光电子集成回路（OEIC）概述

　　硅基光电子集成回路是将光发射器、光波导/调制器、光电探测器及驱动电路和接收器电路进行单片集成。所有 器件均采用标准集成电路工艺制各，或是仅仅对工艺进行微小的修改，从而实现全光互连与超大规模集成电路的 单片集成，易于大规模生产。研究单片硅基光电子集成回路的目的是要实现光通信互连系统或集成电路芯片内的 信号传输。因此，硅基单片光电子集成回路是一种电输入、光传输、电输出的互连系统，如图所示。

图1 写标准微电子工艺兼容的硅基光电子集成回路示意图

　　其中，驱动电路将输入的小信号转变为硅基光发射器件工作所需要的信号，为硅基光发射器件提供足够的电压偏 置和电流驱动；硅基光发射器件在驱动电路的驱动下，将电信号转变为光信号；光波导/调制器部分的功能是传输 光信号，并对信号进行调制，使其加载一定的调制信息；光电探测器接收光信号，并将光信号转变为电信号；由 于光电探测器产生的电信号非常弱小，无法满足芯片正常工作的需求，所以光接收电路的主要功能是进行信号放 大，使其达到后面芯片所需要的要求。

　　以往光电子集成技术研究大多是基于砷化镓（GaAs）和磷化铟（InP）等化合物材料的分立元件的集成芯片的研 究，但是，这种利用分立元件混合集成方式实现的电路存在着明显的不足，如电路中纹波大、产量低、可靠性差 。因此，低价位、高可靠性的传输系统需要利用单片集成回路来实现。单片集成电路有显著的优点，如所需外部 元件少，频率特性的纹波小，环路延迟小，片内连接一股选用直流耦合，优化方式采用EDA软件，方便易用，可靠性高，尺寸小，功耗低等。

　　硅基光电子集成回路所有器件均采用标准集成电路工艺制备，或是仅仅对工艺进行微小的修改，从而实现全光互连与超大规模集成电路的单片集成，易于实行大规模生产。研究的难点在于如何提高电光/光电转换效率、如何实现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工艺实现了硅基光系统集成回路，如图2所示，包括光发射器、光波导、集成光电探测器和高增益CMOS跨阻抗放大器。该芯片的工作频率能达到200 MHz。器件利用SiO2场氧化层制作光波导。为了使产生的光能充分耦合进入光波导，将光发射pn结设计在SiO2，层尖角下方。同理，将探测器探测效应最灵敏的部位设置在光波导另一端的尖角下面，以使光波导传输的光线最大限度地耦合进入探测器。此集成回路是在硅衬底上利用标准集成电路工艺制备，从而可以实现与集成电路的单片集成。

图2 0.8μm CMOS工艺设计的硅基光电子集成回路

　　图3所示的硅基光电子集成回路是采用与标准CM0S工艺兼容的工艺实现了雪崩击穿发光二极管、Si3N4传输线和光电探测器的单片集成凹。其传输光波导采用了Si₃N₄材料，实现了自对准光耦合，将发光二极管发出的光耦合进光波导并使其进入探测器。

图3 基于Si₃N₄光波导的硅基光电子集成回路示意图

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