微光电子集成智能像素的实用化

　　微电子技术的强大生命力在于它能够实现集成化，集成化使电子电路的处理功能和工作速度得到大幅度提高， 器件尺寸缩小，功耗大大降低，器件成品率和可靠性得到极大的改善，从而使产品的性能价格比不断得到优化囵 。集成化同样是光电子技术发展的必然方向，当代信息高科技的发展对光电子技术提出的要求是必须能担负超高 速率、超大容量的信息流的传输，并具有实时高速的交换与处理能力。从工程实用的产业化角度则要求它必须有 很高的可靠性、很低的功耗和用户能承受的性能价格比。要满足这些要求光电子技术也必然通过微光电子集成化 来实现。

　　微光电子集成智能像素的发展虽然只有短短的几年，但其发展速度却是十分惊人的。微光电子集成智能像素利 用当今大规模集成技术的主流技术CMOS制作电路，其成品率高、通用性强、成本低廉。由于倒装焊焊点可小到μm 量级，尺寸比传统的电焊盘小一个数量级，可集成大量的光子器件，大大增加输入/输出通道数目，可解决集成电 路接口I/O瓶颈。集成电路无须驱动大容性负载的焊盘和传输线，而是驱动低功耗，低电容的光器件，如SEED或 VCSEL等，因而输入/输出信号的速度可以做到与集成电路的内部时钟相匹配，速度大大提高，而功耗大大降低。 输入/输出都是光信号，排除了高速电信号传输时的互相干扰，阻抗匹配等问题，输入/输出既可以是光纤，也可 以是自由空间。光信号易于通过分束光栅实现光Crossbar，实现光交换功能，光Crossbar实质上完成了集成电路内部的互连功能，消除了长的电互连线带 来的时钟歪斜等问题。

　　微光电子集成智能像素开拓了一个将光和电优势互补的全新的领域，所构成的并行光互连模块具有很大的实用 价值。目前，微光电子集成智能像素的实用化还需解决一些关键问题。发展低成本、高可靠性的封装技术是微光 电子集成智能像素实用化的关键之一。应用微透镜阵列可实现光斑点阵和光器件窗口的精密对准，降低对系统稳 定性的要求。由于微透镜阵列和光器件可以用相同的光刻版制作，因而光斑和光器件窗口的对准非常准确。要进 一步提高光子集成器件的集成度、器件性能、温度稳定性和系统的机械稳定性。优化设计CM0S专用电路，增加智 能像素的处理功能，重点研究智能像素中的接收电路，提高电路的灵敏度、动态范围和工作速率。降低微光电子 集成智能像素模块的成本也是使其趋近实用化的一个重要方面。

　　经过十多年的研究和不断发展，SEED和VCSEL在结构设计、材料生长、常规工艺等环节已基本稳定刚，今后的研 究方向主要是结合应用向多方面拓展。在今后—段时间里，VCSEL智能像素的研究及其应用将会有很迅速的发展。 在器件性能方面，为实现大规模列阵需进一步降低阈值电流，为高速数据传输需要控制模式、极化等性能以及提 高调制带宽和单模输出功率，提高一维、二维列阵的性能以便于器件集成，制作可用于波分复用系统的多波长列 阵等。在波长方面，由于0.85μm、0.98μm器件较为成熟，将大力开展在光互连、光传输和光电集成等方面的应 用研究，而可见光、通信波段（1.3μm、1.55μm）的VCSEL将致力于材料和工艺的进一步探索，在大幅度提高性 能后才有可能实用化。在工艺方面，在保证器仵性能的前提下，寻求简单、有效的制备方法，特别是探索可靠的 生产和集成工艺，实现VCSEL的批量生产和光电集成，并提高成品率，其中选择氧化工艺在VCSEL制备中的应用将 是一个重要的研究方向，有希望将其发展为VCSEL和其他光电器件的重要制备工艺之一。开发多方面的商业应用也 是VCSEL的一个发展方向，包括光驱读写、激光打印、激光扫描、投影或显示系统等。相信在不久的将来垂直腔面 发射激光器将进入低成本的大规模商业生产和应用阶段，在光电子产业和光学信息系统中发挥其巨大的作用。成 千上万个SEED或VCSEL光子集成器件与含上百万个∏玎的VLSI芯片集成所构成的智能像素，将会推动高速超大容量 信息处理与传输技术的发展。充分发挥出SEED高密度空间光调制器阵列的快速实时性，配以VCSEL集成面阵，模拟 处理与数字处理相结合，智能像素将使光学信号图像处理系统向数字化、智能化方向发展，同时也必将推动逻辑 运算信息处理和人工智能技术的发展。