光电子器件16709new

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1、智能像素SEED1.SEED原理及性质：SEED器件利用超晶格量子阱二维自由激子吸收在外电场作用下的非线性变化，通过外部反馈元件的正反馈作用可实现光双稳功能；通过多量子阱电吸收及电色散效应，可对光强进行调制，从而实现光调制开关功能。量子阱的室温激子效应及其很强的可饱和吸收特性和量子限制Stark效应是自电光效应器件的物理基础。　　SEED器件一般采用PIN结构，其中Ｉ区为多量子阱吸收区，工作时与一定负载连接并施加反向电压。SEED器件采用PIN结构，一方面是为了抑制暗电流的产生，使电路中的工作电流主要来自吸收区

2、产生的光吸收电流；另一方面又使反向偏置下的PIN管具有较大的阻抗，从而可在其上施加较高的电压，以便更有效地利用量子限制Stark效应。　　根据光路的形式不同，SEED器件分为透射型和反射型两种。透射型SEED器件除顶部窗口外，还需在底部对应位置刻蚀衬底形成透射光窗口。反射型SEED器件一般在器件底部生长被称为分布布拉格反射层（DBR）的多层高反射介质膜，顶部窗口入射光被底部DBR反射后从原窗口输出。倒装焊结构的SEED器件是用表面的金属作反射镜。反射型SEED器件与透射型相比较，具有易于大规模平面集成、对入射光

3、的利用率较高、易于改善开关时间、能够获得较高的对比度及具有较好的热学特性等优点，因此具有更大的实用性，但反射型器件在材料生长、器件设计、器件制作工艺及器件应用的光路设计等方面都比透射型器件要复杂。　　根据入射光的工作波长，SEED器件的工作状态分为常关型和常通型两种。如果入射光的波长在零电场时的激子吸收峰附近，随着电场的增大，吸收系数减小，光电流减小，反射的光增大，即在零电场时反射光小，加电场后反射光增大，以这种入射光波长工作的SEED器件称为常关型。如果入射光波长在零电场时激子峰的长波一侧，在不加电场时就有一

4、定的反射光，随着电场的增大，吸收系数增大，光电流增大，反射光减小，以这种入射光波长工作的SEED器件称为常通型。对于常关型工作的SEED器件，光电流与偏置电压的关系曲线中将出现负阻区，利用这一特性可制成光双稳器件。而对于常通型工作的SEED器件，由于零电场与加电场吸收系数变化较大，因而更适合制成高对比度、低插入损耗的光调制器。　　1.SEED智能像素总体设计：借鉴国外并行光互连链路的经验，应用一维线阵结构的SEED智能像素，将4×4 SEED智能像素制作成1×20（4×5，一组冗余）线阵结构，设计适合的耦合方式

5、，利用硅片的选择腐蚀技术，制作硅基光纤定位夹持器，研制作为光纤和CMOS－SEED智能像素耦合的公共基准微光学平台，．实现光纤与CMOS－SEED智能像素的光学耦合。这种方法的优点是可大大减少光路调节的环节，降低光信号在光路系统中的衰减，提高系统的光互连效率和可靠性。在CMOS－SEED智能像素中，SEED列阵芯片面积为6mm×1mm，光窗口为40μm×40μm，铟柱面积为26μm×26 μm，CMOS－SEED智能像素芯片面积为8mm×2mm，像素单元间隔为300μm，选用cD62．5gm多模光纤耦合。　　4

6、×4CMOSSEED智能像素光电互连模块总体框图如图1所示。其基本原理如下：从5路输入光信号经光纤耦合到CMOSSEED智能像素的SEED器件上，由SEED器件探测后，将光信号转换成电信号，再由CMOS电路放大为适当的逻辑电平，在15路控制信号作用下，输出到15个不同的SEED器件输出端口，每个光交换节点包含一个输入SEED探测器件和3个输出SEED调制器件，CM0SSEED和耦合光纤有一组冗余。每输出的三路调制信号组成一组，分别代表另外三个光收/发模块中传来的信息,其中只有一路经SEED器件调制后，由CMOS

7、电路选通输出信息。图14x4CMOSSEED智能像素总体框图　　图2为单个节点光检测和光调制电路框图，输入级为跨阻抗放大。放大后的信号由控制信号决定是否输出到相应的SEED调制器。图3为对应的电路图，考虑到SEED器件的电容及倒装焊接引入的附加电容，电路设计时电容取0.3pF，设计要求在输入为10μW左右的光信号时，工作速率大于100Mb／s。图2单个节点光捡测和光调制电路框图　图3单个节点光检测和调制电路图　　为将SEED的输出光引出，必须实现光纤和SEED智能像素的对准和耦合。为此我们设计了一套光纤列阵耦合

8、系统，用硅的光学公共基准平台和光纤定位夹持器来实现光纤与SEED智能像素的光纤耦合。这种方法的优点是简单易行，可大大减少光路调节的环节，提高了可靠性。图4是所设计的光纤耦合系统示意图。由于SEED输出光垂直于器件表面，而用硅光学平台圃定的光纤列阵平行于器件表面，所以要实现光纤耦合必须进行光路转折。通过将光纤端面抛光成45°斜面并镀上反射膜可实现光路转折。图4光纤耦合系统示意图　　硅公共