２   光集成微系統

       光集成微系統具有多樣性，具有異構集成的光互連、百萬級可動微鏡的可控和低寄生互連等特點，在３Ｄ混合集成、ＭＥＭＳ空間光調制器和電子學－光子學異構集成等方面均有長足進步，在芯片級光相控陣列的創新制造方面進步突出。采用電學和光學插入器精密鍵合技術實現由ＣＭＯＳ、ＭＥＭＳ和光子電路等技術的３Ｄ混合集成的光電異構集成系統；采用與ＣＭＯＳ兼容的低溫鍵合技術實現具有１００萬個單晶硅傾斜微鏡的大規模異構集成的高 分辨率空間光調制器；采用低寄生微焊料凸點鍵合技術實現芯片級１０Ｇｂ／ｓ低功耗光收發電路；采用晶圓間鍵合和具有低寄生電容的穿過氧化層通道的技術實現光子學和ＣＭＯＳ芯片的３Ｄ集成以及芯片級全光互連；采用氧等離子處理、在片激光技術等低溫鍵合技術實現ＩＩＩ－Ｖ有源器件和低損耗的硅光子學的異構光子集成；采用ＴＳＶ技術實現光子學和ＣＭＯＳ芯片的３Ｄ集成以及光電微系統中相當具有創新代 表性的單芯片光相控陣。

       為適應智能汽車系統的需求，２０１１年，Ｋ．Ｗ．Ｌｅｅ等人［１４］開發了由ＣＭＯＳ、ＭＥＭＳ和光子電路等技術構成的３Ｄ混合集成的光電異構集成系統。幅移鍵控的ＬＳＩ電子芯片、無源元件和ＭＥＭＳ壓力傳感被安裝到具有ＴＳＶ與微流體通道的硅電學插入器表面，厚度為１００μｍ的ＬＳＩ和無源元件芯片通過其Ｃｕ側壁進行互連，厚度為３００μｍ的ＭＥＭＳ芯片通過包含有ＣｕＴＳＶ梁式引線互連的腔芯片來連接。垂直腔面發射激光器和光敏二極管的光電芯片嵌入具有ＴＳＶ的光學插入器，光電芯片的電學連接由ＣｕＴＳＶ和梁式引線實現，其光學連接由光學插入器背面的微鏡和光波導實現。電學和光學插入器精密鍵合在一起就形成一個三維光電多芯片模塊。

       光電和電子的器件可以通過ＴＳＶ通信。光電器件可以通過光波導連接到光學插入器。采用晶圓間直接鍵合技術形成電學插入器中的微流控通道，以用于高功率大規模集成電路散熱的熱沉。該３Ｄ混合集成的光電異構集成系統實現了各芯片的功能，但ＭＥＭＳ壓力傳感器由于連接腔芯片的銀漿電極的較高電阻導致壓力靈敏度退化。

       ＭＥＭＳ空間光調制器（ＳＬＭ）在２０世紀９０年代末已進入視頻投影應用，并在激光脈沖整形、相位畸變校正、波前控 制、光學開關、高性能掩模刻寫和無掩模的光刻等方面開展應用研究。在ＳＬＭ中有大量的獨立的微鏡需和其ＣＭＯＳ控 制電路實現接近的集成，大規模異構集成是一種ＳＬＭ制造方法，克服了后ＣＭＯＳ工藝的熱限制和允許在ＣＭＯＳ電路上集成任何固體材料的ＭＯＭＥＳ器件。２０１１年，Ｆ．Ｚｉｍｍｅｒ等人［１５］報道了大規模異構集成的高 分辨率空間光調制器芯片，其在模擬高 壓ＣＭＯＳ驅動電路上具有１００萬個單晶硅傾斜微鏡。采用與ＣＭＯＳ兼容的低溫鍵合技術將包含３４０ｎｍ厚的單晶硅層的在同一傳輸速率，接收機功耗為３．９５ｍＷ。芯片上具有２３１－１序列的偽隨機位序列產生器，其誤碼率優于１０－１２。為了實現互連網絡的全光鏈接，高速度和低功率光發射機以及高帶寬和高靈敏度的光接 收器是必需的；同時為實現電子學和光電器件之間小的寄生電容，需要兩者緊密集成。此外，光子組件和ＣＭＯＳ電路兩個晶圓的解決方案需要分別單獨優化性能。２０１５年，Ｋ．Ｔ．Ｓｅｔｔａｌｕｒｉ等人［１７］報道了采用晶圓間鍵合和具有低寄生電容的穿過氧化層通道的技術實現光子學和ＣＭＯＳ芯片的３Ｄ集成。集成的光子芯片包含１０００個光的部件，其包含垂直結耗盡型微 盤形調節器、異質外延的鍺光敏二極管和晶體硅低損耗波導。集成的具有１６Ｍ個晶體管的電子芯片包含３２個多單元的子任務模塊，能完成鏈接中調節器和接 收器的完整的自測試。每一個多單元的子任務模塊具有８個接收和發射宏單元，可原位測試光子器件較寬范圍的性能變化。該３Ｄ集成能形成在圓片級異構平臺中芯片到芯片的全光互連。

       ＳＯＩ和具有ＳｉＯ２犧牲層的ＣＭＯＳ電路鍵合在一起，單獨可控的微鏡的大陣列的制備采用了高性能的直寫掩膜系統和高吞吐量深紫外無掩模光刻系統、金屬淀積、反應離子刻蝕、氧等離子和ＨＦ蒸氣等設備和工藝。測試結果表明，微鏡展示了優良的表面性質，表面粗糙度低于１ｎｍ均方根，被驅動的微鏡無記憶行為和無漂移。

       用于宏芯片上的光互連需要低功耗的光收發電路。２０１２年，Ｆ．Ｙ．Ｌｉｕ等人［１６］報道了基于４０ｎｍ工藝的ＣＭＯＳ技術的１０Ｇｂ／ｓ單端光學鏈接的發射機和接收機電路。采用低寄生微焊料凸點把該電路和１３０ｎｍＳＯＩ平臺制備的硅光子器件鍵合在一起。發射機驅動器的橢圓形諧振環調節器具有２Ｖ擺幅并采用靜態熱調諧器以補償光學器件工藝的變化。接收機基于具有４ｋΩ跨阻增益和設計輸入功率為－１５ｄＢｍ的跨阻抗放大器、響應率為０．７Ａ／Ｗ的光電二極管和輸入消光比為６ｄＢ的接收支路。它擁有一對交叉時鐘檢測放大器用于電壓限幅和使用具有相位調整的延遲鎖相環（ＤＬＬ）使數據眼圖中的時鐘中心對齊。定期校準允許調整電壓和時間的容限。在１０Ｇｂ／ｓ時發射機消光比超過７ｄＢ，除熱調優和激光功率，其功耗為１．３５ｍＷ。

       ＤＡＲＰＡ的電子學－光子學異構集成項目的進展，從十年前開始發展電子學－光子學的集成電路到近幾年開展的電子學－光子學異構集成的項目。采用具有先進ＣＭＯＳ的硅光子學、ＲＦ電子學和ＩＩＩ－Ｖ光學源和探測器的異構集成可以使復雜器件的功能超過自然材料，在一些情況下，其性能超過了大型組件而且集成為復雜的電光微系統。該項目在異構光電子集成領域開發了通過氧等離子處理工藝，獨特高 效的片上激光工藝，使ＩＩＩ－Ｖ芯片和硅光子學圓片之間實現低工作溫度鍵合，ＩＩＩ－Ｖ有源器件和低損耗的硅光子學的共集成能產生系列性能創記錄的光集成部件，如線寬小于１ｋＨｚ的超低線寬的半導體激光器，低線寬、低噪聲在Ｏ波段覆蓋４５ｎｍ波長的可調諧激光器，在１０ＧＨｚ和３０ＧＨｚ下輸出功率分別為１６．６ｄＢｍ和１３．５ｄＢｍ的高功率、高頻率光電二極管和光子學中的低損耗無源結構。該項目在異構電子學－光電子集成領域，開發了用于緊湊封裝的ＴＳＶ工藝，具有低寄生電容的穿過氧化層通道的技術實現光子學和ＣＭＯＳ芯片的３Ｄ集成。該項目相當具有代 表性的光電微系統范例是光相控陣，采用體光學方法是無法實現的，在光學波長范圍、在微尺度上實現包含光移相器、孔徑和控 制電子學的光相控陣，離開集成的方法是不可能的。采用單芯片上的集成光子電路技術研發了具有６４×６４發射源的靜態光相控陣列，具有快 速、寬角束流控 制的Ｓｉ上芯片級光相控陣列，采用ＴＳＶ技術使１８０ｎｍＣＭＯＳ芯片和２５０ｎｍＳｉ光子學芯片相集成，構建頻率調制連續波激光雷達系統。為了適應美國制造創新的要求，該項目建立了“ＡＩＭ光子學”以實施“ＩＰ－創新制造”的愿景，使這些設計、制造和封裝的工具具有廣 泛的可用性，這將使一批新的設計師利用光子學開發市場和顛覆性的應用。

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