半导体系列12-半导体行业研究：一文看懂光电器件

大家好，欢迎来到IT知识分享网。

导语–前面我们用了十一篇文章介绍了半导体的基本原理，及集成电路、分立器件的知识。本篇文章我们讲光电器件的知识，并试图厘清几个比较容易混淆的概念，让我们一起开始吧。

光电器件，是利用光-电转换效应制成的各种功能器件，代表器件有LED（发光二极管）、LD（激光二极管）与光电探测器，部分资料将其归为分立器件的一个细分种类，应用于医学检测透视、红外探测、光电瞄具等领域，市场份额约占半导体总市场份额的9%。实际上由于市面上对光电器件的内涵、分类不一，光芯片、光电器件、光模块等概念混在一起，这就导致在进行行业划分时出现非常多的版本，这就导致了在描述行业规模等数字时出现差距非常大的数字。因此在介绍光电器件之前，我们有必要澄清这篇文章的基本概念，为此我们主要参考的依据是WSTS和Gartner的分类。我们主要在事先明确以下几个问题。

1.我们之前讲到光电器件可根据用途进一步细分为光通信器件和显示照明器件，这也是很多人的分法，但实际上光电器件的应用非常广阔，包括了通信、工业、消费等领域，因此实际中的分类也可以将工业、消费领域包括进来形成光通信及其他器件、显示照明器件两类。

2.光通信器件的产业链包括光芯片、光电器件、光模块及下游应用，经常会有人把光模块也算入光芯片和光电器件中，也有人把光电器件直接叫光芯片，但在我们看来实际上是光芯片是光电器件的重要组成部分，光电器件是光模块的重要组成部分，是包含关系，如光模块是由光电器件、功能电路和光接口等组成，可以称之为一个组件。因此本文中我们所指的光电器件指的是光芯片和光电器件。光模块以后有机会我们将会在通信行业研究中进行介绍。

3.经常有文章在半导体光电器件分类下放一个激光器分类，我们认为这容易引起混淆。光电器件下的激光器是激光器芯片或者说半导体激光器，实际上激光器包含固体、气体、液体、燃料激光器，半导体激光器只是固体激光器的一类（如最早的红宝石激光器就是固体激光器的一种）。为了方便后面的理解我们简单说一下激光器的原理，详细的激光器分类我们将在后面专门研究激光器行业的文章里再讨论。激光器的种类繁多，但都遵循光电效应这一基本原理，我们在之前的半导体系列1-什么是半导体文章中已经知道原子外的电子是分布在能级上的。低能级的电子吸收光子的能量可以跃迁到高能级上，高能级电子跃迁到低能级上会辐射出光子，这就是光电转换效应。

自然状态下这种转换也会进行，辐射出光子的现象成为自发辐射，除自发辐射外，处于激发态的发光原子在外来辐射场的作用下也会向下跃迁辐射光子，这一现象成为受激辐射。此时，外来辐射的能量必须恰好是原子两能级的能量差，发出的光子和外来光子的频率、位相、传播方向以及偏振状态全相同。受激辐射是产生激光的必要条件，它发生的几率与两能级粒子数差有关，通常情况下低能级粒子数更多，因此不易发生受激辐射。为了更容易发生受激辐射产生激光，就需要想办法提高高能级的粒子数，直至高能级粒子数大于低能级粒子数，这就称为粒子数反转。

明白了这一原理，那么激光器的主要构成就很简单了。首先要形成粒子数反转，就需要把低能级电子“搬到”高能级上去，这就是泵浦源（激励源）；其次要有物质作为泵浦源的工作对象以及在粒子数反转下发出激光，这就是增益介质（工作物质）；最后需要对光子特性（频率、相位和运行方向）进行调节，通过控制光子振荡来获得高质量的激光，这就是谐振腔。一般来说所有的激光器都有这三个部分，不同激光器的区别也来自于这三个部分的一种或多种不同，如红宝石激光器的增益介质是红宝石，与半导体的增益介质是半导体材料就不同。

此外激光芯片中的某些类型也经常用作其他激光器泵浦源的组成部分，如光纤激光器的增益介质是掺稀土元素玻璃光纤，泵浦源中的核心部件则包括激光芯片和慢轴准直镜（SAC）、快轴准直镜（FAC）、偏振分束/合束器（PBS/PBC）、反射镜（Mirror）、聚焦透镜（Focusing lens）、光纤头(FTA)等激光光学元器件激光器基本知识贴（长光华芯招股说明书）。这也是容易导致混淆的地方，事实上光电器件下的激光器应该是激光芯片。

4.经常有文章把CMOS图像传感器（CMOS Image Sensor，CIS）当做传感器来研究，我们承认CIS有传感器的作用，但其基本原理仍是光电转换器件，因此我们遵循Gartner的分类，将CIS、CCD（电荷耦合元件，Charge-coupled Device）也划为光电器件范畴。

5.光通信广义上的分类包括大气激光通信、蓝绿光通信、红外线通信、紫外线通信和光纤通信，我们常常提到的光通信的概念多指光纤通信。光纤通信是指以石英光纤作为传输媒介，以光作为信息载体的通信方式，工作范围在近红外区域，对应波长区域是800nm~1800nm。经过几十年的发展，光纤通信已经成为现代通信的主要支柱之一，在现代通信网中起着举足轻重的作用。

电磁波谱及各种通信方式的波长，资料来源：《光纤通信系统》

光通信系统的典型构成包括电端机、光发送机、光纤光缆、中继站和光接收机五大部分，如下图，电端机作用是对来自信号源的信号进行处理，如模/数变化、多路复用处理，其一般是电通信设备。光发射机由光源、驱动器和调制器组成，光源是其核心，经常使用激光芯片作为光源。光纤光缆作为光信号传输线路，其作用是把来自发送机的光信号以尽可能小的失真和衰减传输到光接收机。中继器将经过长距离光纤衰减和畸变的微弱光信号经放大、整形、再生成一定强度的光信号，继续送向前方以保证良好的通信质量。光接收机由光检测器、放大器和相关电路组成，光检测器（探测器）是核心，作用是把从光纤线路输出、产生畸变和衰减的微弱光信号转化为电信号，并经过放大和后处理后恢复成发射前的电信号。这里面包含的光电器件我们将在下面一并介绍。

对以上容易混淆的地方做了澄清后，我们对光电器件的分类研究就会比较简单了。按照惯例，我们首先放一下光电器件分类的思维导图。

本文我们采用光通信及其他器件和显示照明器件的细分方法，其中光通信及其他器件按功能又可划分为光有源器件和光无源器件，按材料体系可分为 InP、 GaAs、硅基和薄膜铌酸锂四类， 其中 InP 衬底主要包括直接调制 DFB/电吸收调制 EML 芯片、探测器 PIN/APD 芯片、 放大器芯片、调制器芯片等，GaAs 衬底包括高功率激光芯片、 VCSEL 芯片等，硅基衬底包括 PLC、 AWG、调制器、光开关芯片等， LiNbO3 包括高速调制器等。LED芯片又可进一步细分为普通LED、OLED、MiniLED、MicroLED等。接下来我们一一介绍。

1.光有源器件，是指在工作过程中需要外加能源驱动的光电器件，多数是进行光-电转换的器件，但也有不进行光电转换的器件，如光放大器。

（1）激光芯片，是光有源器件中非常重要的分类，可进一步细分为非通信用激光芯片和光通信激光芯片。非通信用激光芯片即是泵浦激光器芯片，即在其他类型激光器（如光纤/固体激光器）泵浦源的核心能量来源，是决定激光器性能及成本的核心元器件。如下图光纤激光器的泵浦源就包括了18个激光芯片，其与光通信激光芯片的主要区别是高功率，因此又称高功率激光芯片，未来发展方向是降本和向更高功率迈进。

光通信激光器芯片可进一步分类，按速率可分为 2.5G、 10G、 25G 及以上各速率光芯片。所谓速率即调制速率，指的是信号被调制以后在单位时间内的变化，即单位时间内载波参数变化的次数，它是对符号传输速率的一种度量。光芯片的调制速率较大程度上决定了光模块向高速率演进的速度。光芯片调制速率越高，对应的光模块单位时间传输信号量越大，因此光通信激光器芯片又称高速率激光芯片。

注：调制速率，指的是每秒传送的码元符号的个数，单位为symbol/second，如果单位时间内信号变化一次表示一个码元，则波特率与调制速率一致。与此相对，信息传输率，或者比特率，是指单位时间内传送信息的比特数，单位是bps。比特率和波特率的关系为：若一个码元能携带1bit数据，那么比特率=波特率；若一个码元能携带2bit数据，那么比特率=2倍的波特率。

光通信激光器芯片也可按照产品分为 VCSEL（垂直腔面反射激光器）芯片，以及边发射的 FP（法布里-珀罗激光器）、DFB（分布反馈式激光器）和 EML（电吸收调制激光器）芯片。它们可进一步分为：（1）按出光结构，可分为面发射的 VCSEL，以及边发射的 FP、DFB和 EML芯片；（2）按调制方式，可分为直接调制激光器，Directly Modulated Laser， DML芯片（直接调制是指通过改变激光器的注入电流，来控制激光器输出的强度）和电吸收调制激光器，Electro-absorption Moduled Laser，EML 芯片（集成了 EAM 调制器和 DFB 芯片，与直调激光器相对，激光器的注入电流不发生改变，激光器输出连续光，光强通过外置的调制器进行调节）；3）从距离角度，FP 和 VCSEL 芯片适合短距离场景，中距离场景多采用 DFB 芯片，长距离场景主要采用 EML 芯片。

值得注意的是VCSEL除了光通信外，还可用于3D传感和激光雷达领域，四种激光器的特点如下：

（2）探测器，如上所言，光电探测器能够检测光信号并完成光信号向电信号的转换，光探测芯片是光电探测器内部的核心元器件，因器件结构的不同，使得由其构成的探测器在应用领域上有所区别。光探测芯片依据器件结构方案可进一步分为 PIN-PD（PIN Photodiode，PIN光电二极管）、 APD（Avalanche Photodiode，雪崩二极管）、 SPAD（Single Photon Avalanche Diode，单光子雪崩二极管）以及 SiPM（Silicon photomultiplier，硅光电倍增管）等。

PIN是指在掺杂浓度很高的P型和N型之间，加进一个接近本征材料的I区，形成PIN结构的光电二极管。PIN的工作原理是当光照射在光敏面上时,会在整个耗尽区及耗尽区附近产生受激辐射现象,从而产生电子空穴对。在外加电场作用下,这种光生载流子运动到电极。当外部电路闭合时,就会在外部电路中有电流流过,从而完成光电的变换及探测过程。

APD是具有内部增益的光检测器，它可以用来检测微弱光信号并获得较大的输出光电流。APD能够获得内部增益是基于碰撞电离效应。当PN结上加高的反偏压时，耗尽层的电场很强，光生载流子经过时就会被电场加速，当电场强度足够高时，光生载流子获得很大的动能，它们在高速运动中与半导体晶格碰撞，使晶体中的原子电离，从而激发出新的电子-空穴对，这个过程称为碰撞电离。碰撞电离产生的电子-空穴对在强电场作用下同样又被加速，重复前一过程，这样多次碰撞电离的结果使载流子迅速增加，电流也迅速增大，形成雪崩倍增效应，APD就是利用雪崩倍增效应使光电流得到倍增的高灵敏度的光检测器。

SPAD、APD、PD属于同族的光电探测器，其工作机制的差异，主要在于不同电场下的载流子行为不同。PD 工作在反向偏压形成的小电场情况下，表现出无增益的特性。APD工作在击穿电压附近（小于击穿电压），表现出有限的增益。SPAD工作在击穿电压以上，表现出无限的增益（理论增益为无穷大）。

SPAD与APD的差异在于雪崩碰撞是否引入了空穴的正反馈碰撞效果。众所周知，Si 材料中，电子的离化率远大于空穴的离化率（不同电场下，电子空穴的离化率比值也是有差异的）。若耗尽区的电场大小可以使得电子达到离化的阈值，但不足以使得空穴获得足够的能量，去碰撞一个新的电子-空穴对时（空穴即使运动到最大的距离也无法获达到雪崩阈值的情形），此过程即只有电子参与雪崩过程，当电子流出PN结时，整个雪崩系统获得一个有限的增益，即APD的工作方式。

相反，若电场足够大，以至于空穴和电子均能在PN结内运动达到雪崩阈值，电子碰撞出新的电子-空穴对，新的电子空穴对中的空穴，反方向运动又也会碰撞出新的电子-空穴对，如此循环反馈，理论上会获得∞的增益（注意，实际上空穴并不移动，还是电子移动造成的空穴相对运动，只不过SPAD电子运动的更快更迅速）。

SiPM是由多个SPAD并联组成，每个单元是独立的，最终输出的信号是多个像素输出信号叠加，有幅度变化，照射到SiPM的光子数越多，幅度越大。滨松公司根据原理叫做MPPC（Multi-Pixel Photon Counter）， SiPM是多个 SPAD 的阵列形式，与未来的阵列式光源契合，并可获得更高的可探测范围，也更易集成 CMOS 工艺。

如上所述，PIN、 APD 工作在线性模式下，增益能力较低； SPAD、 SiPM工作在盖革模式下， 该模式偏置电压高于雪崩电压，增益能力高，单个光子吸收即可使探测器输出电流达到饱和。四者的主要区别和应用领域如下。

（3）调制器，是通过电压或电场的变化最终调控输出光的折射率、吸收率、振幅或相位的器件。它所依据的基本理论是各种不同形式的电光效应、声光效应、磁光效应、量子限制Stark效应等。

按照调制原理，光调制器可分为：a.电光调制器，是利用电光晶体(如酸)的折射率随外加电场而变即电光效应实现光调制。b.磁光调制器，是利用光通过磁光晶体(如钇铁石榴石 )时，在磁场作用下其偏振面可发生旋转实现光的调制。c.声光调制器，是利用材料(如酸)在责波作用下产生应变而引起折射率变化，即光弹效应实现光调制。d.电吸收型调制器，即上面提到的EAM，是利用半导体材料的量子限制Stark效应(QCSE)，此种调制机制主要用于半导体调制器中。在外加电场作用下，激子吸收峰将会移动，并且吸收系数也会发生变化，工作波长接近吸收峰时调制器件上的调制电场将产生明显的吸收调制。

（4）光放大器，是指—种不需要经过光/电/光的变换而直接对光信号进行放大的有源器件。能高效补偿光功率在光纤传输中的损耗，延长通信系统无中继的传输距离。可进一步分为三类：半导体光放大器(SOA，Semiconductor Optical Amplifier)、掺稀土元素(铒Er、铥Tm、镨Pr、铷Nd等)的光纤放大器和非线性光纤放大器（主要是光纤拉曼放大器，FRA，Fiber Raman Amplifier)。每类中又有不同的应用结构和形式，其中掺饵光纤放大器(EDFA)应用最为广泛。

上面我们简单提了一下，光纤通信在进行长距离传输时，由于光线中存在损耗和色散，使得光信号能量降低、光脉冲发生展宽。因此每隔一定距离就需设置一个中继器，以便对信号进行放大和再生，然后送入光纤继续传输。传统采用的方案是光——电——光的中继器，其工作原理是先将接收到的微弱光信号经光电检测器转换成电流信号，然后对此电信号进行放大、均衡、判决等信号再生，最后再通过半导体激光器完成电光转换们重新发送到下一段光纤中去。在光纤通信系统传输速率不断提高的现代通信中，这种光——电——光的中继变换处理方式的成本迅速增加，已经不能满足现代通信传输的要求。

光放大器因此应运而生，它能直接放大光信号，无需转换成电信号，其实质是在泵浦光的作用下，用输入的光信号去激励已经实现粒子数反转的激活物质，得到强度增大的光。它与激光器的区别在于反馈量的不同，激光器反馈较强以实现光振荡，而光放大器反馈较小，要抑制光振荡。光放大器对信号的格式和速率具有高度的透明性，使得整个光纤通信传输系统更加简单和灵活，它的出现和实用化在光纤通信中引起了一场革命。

5.CCD与CIS，由于两者具有替代关系，在此我们合并介绍。CCD，Charge-coupled Device，电荷耦合器件，是一种用电荷量表示信号大小，用耦合方式传输信号的探测元件。CIS（CMOS image sensor）是互补金属氧化物半导体图像传感器，也称CMOS图像传感器。CIS是一种光学传感器，其功能是将光信号转换为电信号，并通过读出电路转为数字化信号，广泛应用于视觉领域，是摄像头模组的核心元器件。

CCD和CMOS图像传感器都通过使用数千个或数百万个称为光点的光捕获井捕获光子来将光转换为电子。拍摄图像时，感光点会被揭开以收集光子并将它们存储为电信号。在 CCD 将光转换为电子，电荷通过芯片传输并在阵列的一个角落读取，模数转换器将每个光点的电荷转换为数字值。CIS则将光敏像素的电荷转换为像素位置的电压。然后，信号按行和列多路复用到多个片上数模转换器。因为每个光点都可以单独读取所以CIS相对于CCD更加灵活。

CCD将光生电荷从一个像素移动到另一个像素，并在输出节点将其转换为电压。CMOS 成像器将电荷转换为每个像素内的电压。CCD 图像传感器一直是需要高质量图像的传统选择。医疗和科学应用中的大多数相机都基于 CCD 技术。但它的缺点也十分明显: 读取时间更长功耗更高。目前CCD主要应用于工业自动化和机器视觉。但随着CIS分辨率的提高，CCD的应用场景正逐渐被CIS替代。

6.硅光芯片及其他，光子芯片根据基材的不同，大致可分为两类：一种是在以 InP 为代表的“有源材料”上集成制作元件的光芯片；另一种则是在以硅为代表的“无源材料”上制作的，即硅光芯片。硅光芯片是通过标准半导体工艺将硅光材料和器件集成在一起的集成光路，主要由调制器、探测器、无源波导器件等组成，它可以将多种光器件集成在同一硅基衬底上。

硅光是以光子和电子为信息载体的硅基光电子大规模集成技术，能够大大提高集成芯片的性能，利用基于硅材料的CMOS 微电子工艺实现光子器件的集成制备，融合了 CMOS技术的超大规模逻辑、超高精度制造的特性以及光子技术超高速率、超低功耗的优势，把原本分离器件众多的光、电元件缩小集成到至一个独立微芯片中，实现高集成度、低成本、高速光传输。与分立器件光模块相比，硅光子器件无需 ROSA 或 TOSA 封装，集成度更高，更加适应未来高速流量传输处理需要， 与此同时更紧密的集成方式降低了光模块的封装和制造成本。

2.光无源器件，在光纤通信实现自身功能过程中无需能量驱动，内部不发生光电能量转换的一类器件。

（1）光纤连接器，是实现光纤之间活动连接的无源光器件，它还有将光纤与有源器件、光纤与其它无源器件、光纤与系统和仪表进行连接的功能。光纤连接器伴随着光通信的发展而发展，现在已形成门类齐全、品种繁多的系统产品，是光纤应用领域中不可缺少的、应用广泛的基础元件之一。

（2）光分路器，与同轴电缆传输系统一样，光网络系统也需要将光信号进行耦合、分支、分配，这就需要光分路器来实现，光分路器是光纤链路中重要的无源器件之一，是具有多个输入端和多个输出端的光纤汇接器件。光分路器按原理可以分为光纤型和平面波导型（PLC）两种，光纤熔融拉锥型产品是将两根或多根光纤进行侧面熔接而成；PLC是微光学元件型产品，采用光刻技术，在介质或半导体基板上形成光波导，实现分支分配功能。

（3）光衰减器是一种非常重要的光学无源器件，主要用于对光路中的光能量进行衰减，其温度特性。在系统的调试中，常用于模拟光信号经过一段光纤后的相应衰减或用在中继站中减小富余的光功率，防止光接收机饱和；也可用于对光测试仪器的校准定标。光衰减器包括固定衰减器（固定量衰减）和可变衰减器（衰减量可变）两种。

（4）光隔离器是一种非互易光学元件，它只容许光束沿一个方向通过，对反射光有很强的阻挡作用。

（5）波分复用器，在一根光纤内同时传送几个不同波长的光信号通信方式收做波分复用，采用波分复用技术，只要在发送端和接收端增加少量的合波、分波设备，就可以大幅度增加光纤的传输容量，提高经济效益。对于已经铺设的光缆，采用波分复用技术，也可实现多路传输，起到降低成本和扩充容量的作用。波分复用器在光路中起到合波和分波的作用，它把不同波长的光信号汇集（合波）到一根光纤中传输，到了接收端，又把由光纤传输来的复用光信号重新分离（分波）出来。根据分光原理的不同，波分复用器又可分为枝镜型、干涉模型和衍射光栅型三种，目前市场上的产品大多数是衍射光栅型。

阵列波导光栅（Arrayed Waveguide Grating，AWG）是具有代表性的波分复用器，，其做法为在硅晶圆上沉积二氧化硅（SiO2）膜层，再利用微影制程（Photolithography）及反应式离子蚀刻法（Reactive Ion Etch）定义出阵列波导及分光元件等，接著在最上层覆以保护层即可完成。AWG是密集波分复用系统（Dense Wavelength Division Multiplexing，DWDM）网络的关键器件。AWG可获得大量的波长和信道数，实现数十个至几百个波长的复用和解复用，并能灵活地与其它光器件构成多功能器件和模块。

（6）光开关，是一种光路控制器件，起着切换光路的作用，在光纤传输网络和各种光交换系统中，可由微机控制实现分光交换，实现各终端之间、终端与中心之间信息的分配与交换智能化；在普通的光传输系统中，可用于主备用光路的切换，也可用于光纤、光器件的测试及光纤传感网络中，使光纤传输系统，测量仪表或传感系统工作稳定可靠，使用方便。

3.LED芯片，也称为LED发光芯片，是一种固态的半导体器件，是LED灯的核心组件，也就是指的P-N结。当电流通过导线作用于LED芯片时，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。而光的波长也就是光的颜色，是由形成P-N结的材料决定的。LED的心脏是一个半导体的芯片，芯片的一端附在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个芯片被环氧树脂封装起来。其主要功能是把电能转化为光能。

LED芯片的分类标准很多，包括按功率、按形状、按发光亮度等分类，我们则根据技术发展趋势将其分为普通LED芯片、OLED芯片及MiniLED、MicroLED芯片。普通LED芯片和OLED芯片我们都比较熟悉，接下来简单介绍一下另外另类LED芯片。

MiniLED 是次毫米发光二极管，指芯片尺寸介于 50~200μm 之间的 LED。MiniLED是为了解决传统LED分区控光粒度不够精细的问题而研发的，LED发光晶体更小，单位面积背光面板能够嵌入的晶体数量更多，同一块屏幕上可以集成更多的背光灯珠。相较于传统LED，MiniLED所占体积更小、混光距离更短、亮度和对比度更高、功耗更低、寿命更长。

MicroLED是微发光二极管，是LED微缩化和矩阵化技术。其可以让LED单元小于100μm，有着比MiniLED更小的晶体，是对LED背光源的薄膜化、微小化和阵列化，能够实现每个图元单独定址，单独驱动发光（自发光）。采用无机材料构成发光层，所以不容易出现烧屏问题，同时屏幕通透率优于传统LED，更加省电。MicroLED具有高亮度、高对比度、高清晰度、可靠性强、反应时间快、更加节能、更低功耗等特性。

至此，我们已经完成了集成电路、分立器件和光电器件等半导体三个大的细分行业的介绍，下周我们将继续前行，进行半导体最后一个细分行业传感器的介绍和学习，让我们下周继续吧。