半导体光电子器件的原理简介

半导体光电子器件的原理是激励方式，利用半导体物质(既利用电子)在能带间跃迁发光，用半导体晶体的解理面形成两个平行反射镜面作为反射镜，组成谐振腔，使光振荡、反馈、产生光的辐射放大，输出激光。

利用半导体光-电子(或电-光子)转换效应制成的各种功能器件。它不同于半导体光器件(如光波导开关、光调制器、光偏转器等)。

光器件的设计原理是依据外场对导波光传播方式的改变，它也有别于早期人们袭用的光电器件。后者只是着眼于光能量的接收和转换(如光敏电阻、光电池等)。

早期的光电器件只限于被动式的应用，60年代作为相干光载波源的半导体激光器的问世，则使它进入主动式应用阶段，光电子器件组合应用的功能在某些方面(如光通信、光信息处理等)正在扩展电子学难以执行的功能。

1）微型化：MEMS器件体积小、重量轻、耗能低、惯性小、谐振频率高、响应时间短。

2）以硅为主要材料，机械电器性能优良：硅的强度、硬度和杨氏模量与铁相当，密度类似铝，热传导率接近钼和钨。

3）批量生产：用硅微加工工艺在一片硅片上可同时制造成百上千个微型机电装置或完整的MEMS。批量生产可大大降低生产成本。

4）集成化：可以把不同功能、不同敏感方向或致动方向的多个传感器或执行器集成于一体，或形成微传感器阵列、微执行器阵列，甚至把多种功能的器件集成在一起，形成复杂的微系统。微传感器、微执行器和微电子器件的集成可制造出可靠性、稳定性很高的MEMS。

5）多学科交叉：MEMS涉及电子、机械、材料、制造、信息与自动控制、物理、化学和生物等多种学科，并集约了当今科学技术发展的许多尖端成果。

MEMS发展的目标在于，通过微型化、集成化来探索新原理、新功能的元件和系统，开辟一个新技术领域和产业。MEMS可以完成大尺寸机电系统所不能完成的任务，也可嵌入大尺寸系统中，把自动化、智能化和可靠性水平提高到一个新的水平。21世纪MEMS将逐步从实验室走向实用化，对工农业、信息、环境、生物工程、医疗、空间技术、国防和科学发展产生重大影响。

微机电系统是微米大小的机械系统，其中也包括不同形状的三维平板印刷产生的系统。这些系统的大小一般在微米到毫米之间。在这个大小范围中日常的物理经验往往不适用。比如由于微机电系统的面积对体积比比一般日常生活中的机械系统要大得多，其表面现象如静电、润湿等比体积现象如惯性或热容量等要重要。它们一般是由类似于生产半导体的技术如表面微加工、体型微加工等技术制造的。其中包括更改的硅加工方法如压延、电镀、湿蚀刻、干蚀刻、电火花加工等等。微机电系统是指集微型传感器、执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的微型机电系统，是一个独立的智能系统。主要由传感器、作动器和微能源三大部分组成。微机电系统具有以下几个基本特点，微型化、智能化、多功能、高集成度。微机电系统。它是通过系统的微型化、集成化来探索具有新原理、新功能的元件和系统微机电系统。微机电系统涉及航空航天、信息通信、生物化学、医疗、自动控制、消费电子以及兵器等应用领域。微机电系统的制造工艺主要有集成电路工艺、微米/纳米制造工艺、小机械工艺和其他特种加工工种。微机电系统技术基础主要包括设计与仿真技术、材料与加工技术、封装与装配技术、测量与测试技术、集成与系统技术等。

特点

①和半导体电路相同，使用刻蚀、光刻等制造工艺，不需要组装、调整；

②进一步可以将机械可动部、电子线路、传感器等集成到一片硅板上；

③它很少占用地方，可以在一般的机器人到不了的狭窄场所或条件恶劣的地方使用；

④由于工作部件的质量小，高速动作可能；

⑤由于它的尺寸很小，热膨胀等的影响小；

⑥它产生的力和积蓄的能量很小，本质上比较安全。

优势

经济利益：

1.大批量的并行制造过程；

2.系统级集成；

3.封装集成；

4.与IC工艺兼容。

技术利益：

1.高精度；

2.重量轻，尺寸小；

3.高效能。 MEMS光学扫描仪

随着信息技术、光通信技术的迅猛发展，MEMS发展的又一领域是与光学相结合，即综合微电子、微机械、光电子技术等基础技术，开发新型光器件，称为微光机电系统(MOEMS)。它能把各种MEMS结构件与微光学器件、光波导器件、半导体激光器件、光电检测器件等完整地集成在一起。形成一种全新的功能系统。MOEMS具有体积小、成本低、可批量生产、可精确驱动和控制等特点。较成功的应用科学研究主要集中在两个方面:

一是基于MOEMS的新型显示、投影设备，主要研究如何通过反射面的物理运动来进行光的空间调制，典型代表为数字微镜阵列芯片和光栅光阀:二是通信系统，主要研究通过微镜的物理运动来控制光路发生预期的改变，较成功的有光开关调制器、光滤波器及复用器等光通信器件。MOEMS是综合性和学科交叉性很强的高新技术，开展这个领域的科学技术研究，可以带动大量的新概念的功能器件开发。 射频MEMS技术传统上分为固定的和可动的两类。固定的MEMS器件包括本体微机械加工传输线、滤波器和耦合器，可动的MEMS器件包括开关、调谐器和可变电容。按技术层面又分为由微机械开关、可变电容器和电感谐振器组成的基本器件层面；由移相器、滤波器和VCO等组成的组件层面；由单片接收机、变波束雷达、相控阵雷达天线组成的应用系统层面。

随着时间的推移和技术的逐步发展，MEMS所包含的内容正在不断增加，并变得更加丰富。世界著名信息技术期刊《IEEE论文集》在1998年的MEMS专辑中将MEMS的内容归纳为：集成传感器、微执行器和微系统。人们还把微机械、微结构、灵巧传感器和智能传感器归入MEMS范畴。制作MEMS的技术包括微电子技术和微加工技术两大部分。微电子技术的主要内容有:氧化层生长、光刻掩膜制作、光刻选择掺杂(屏蔽扩散、离子注入)、薄膜(层)生长、连线制作等。微加工技术的主要内容有:硅表面微加工和硅体微加工(各向异性腐蚀、牺牲层)技术、晶片键合技术、制作高深宽比结构的LIGA技术等。利用微电子技术可制造集成电路和许多传感器。微加工技术很适合于制作某些压力传感器、加速度传感器、微泵、微阀、微沟槽、微反应室、微执行器、微机械等，这就能充分发挥微电子技术的优势，利用MEMS技术大批量、低成本地制造高可靠性的微小卫星。

MEMS技术是一个新兴技术领域，主要属于微米技术范畴。MEMS技术的发展已经历了10多年时间，大都基于现有技术，用由大到小的技术途径制作出来的，发展了一批新的集成器件，大大提高了器件的功能和效率，已显示出了巨大的生命力。MEMS技术的发展有可能会像微电子一样，对科学技术和人类生活产生革命性的影响，尤其对微小卫星的发展影响更加深远，必将为大批量生产低成本高可靠性的微小卫星打开大门。

高性能的光纤通信系统要求对直流激光源发出的激光施行外调制。激光的外调制具有的优点是高速率、大消光比、大光功率和消除半导体激光器内调制产生的光频率跳变的“啁啾”现象。电光调制是基于线性电光效应（普克尔效应）即光波导的折射率正比于外加电场变化的效应。电光效应导致的相位调制器中光波导折射率的线性变化，使通过该波导的光波有了相位移动,从而实现相位调制。单纯的相位调制不能调制光的强度。由包含两个相位调制器和两个Y分支波导构成的马赫－泽德（Mach-Zehnder）干涉仪型调制器能调制光的强度。体块型的光调制器比集成光学调制器需要更高的调制电压，因此在光纤系统中都选用带有光纤的集成光学调制器。理论上，用任何具有高速电光效应响应、能透过所使用激光的材料都能制作高速电光调制器。现在适合用于光纤通信系统的调制器材料有铌酸锂（LiNbO3）、砷化镓（GaAs）和聚合物（Polymer）。砷化镓和聚合物调制器中的光波导为带脊波导，它们与单模光纤光连接的损耗比铌酸锂波导与单模光纤要大得多。聚合物调制器的长期稳定性尚不理想。因此当前实用光纤通信系统中都选用铌酸锂调制器。铌酸锂条形光波导是用钛扩散或退火质子交换方法提高了X-切或Z-切Y-传铌酸锂晶片表面窄条内的折射率而制成的。在光纤通信用的1.3mm和1.55mm工作波长上，这种光波导能承受大于100毫瓦光功率的通过，而不会造成不可治愈的光损伤。作为传输线的行波电极制作调制器比电极长度远小于微波波长的集总电极制作的调制器有宽得多得多的调制带宽。集总电极铌酸锂调制器的调制带宽与电极长度乘积约小于2.2GHz·cm,而实验验证行波电极铌酸锂调制器有大于200GHz·cm的调制带宽与电极长度乘积。OC-192/STM-64制式光纤通信系统优质光发射机中所用的10Gb/s铌酸锂强度调制器的3dB电带宽为8GHz或3dB光带宽为15GHz。而OC-768/STM-256制式密集波分复用（DWDM）光纤系统光发射机中的40Gb/s调制器的3dB电带宽应达到30GHz。在电通信系统中,原始高速率数字信号电平的峰－峰值只有0.8V。因为数据率大于2.5Gb/s的铌酸锂调制器的半波电压（Vp）较高，故都需要用驱动器来推动调制器。驱动器不仅要有很宽的工作频带，并且要能提供足够大的微波输出功率。例如：对于10Gb/s、Vp＝5.5V的调制器，需要驱动器具有75KHz 到8GHz的工作频带及20dBm（100mW）的1dB输出功率。制作高速率的驱动器是非常困难的，因此制作具有低Vp的调制器是很受欢迎的。当然，也要求调制器有良好的其他性能，如低的光插入损耗、大的消光比、小的光反射损耗、弱的电反射损耗和合适的啁啾（chirp）参量。高速电光调制器有很多用途。高速相位调制器可用于相干光纤通信系统，在密集波分复用光纤系统中用于产生多光频的梳形发生器，也能用作激光束的电光移频器。M－Z铌酸锂调制器有良好的特性，可用于光纤有线电视（CATV）系统、无线通信系统中基站与中继站之间的光链路和其他的光纤模拟系统。高速M－Z铌酸锂调制器除了用于上述的高数据率的数字光纤系统外，还可在光时分复用（OTDM）系统中用于产生高重复频率、极窄的光脉冲或光孤子（Soliton），在先进雷达的欺骗系统中用作为光子宽带微波移相器和移频器，在微波相控阵雷达中用作光子时间延迟器，用于高速光波元件分析仪，测量微弱的微波电场等。

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