前沿拓展：

導語–前面我們用了十一篇文章介紹了半導體的基本原理，及集成電路、分立器件的知識。本篇文章我們講光電器件的知識，并試圖厘清幾個比較容易混淆的概念，讓我們一起開始吧。

光電器件，是利用光-電轉換效應制成的各種功能器件，代表器件有LED（發(fā)光二極管）、LD（激光二極管）與光電探測器，部分資料將其歸為分立器件的一個細分種類，應用于醫(yī)學檢測**、**探測、光電瞄具等領域，市場份額約占半導體總市場份額的9%。實際上由于市面上對光電器件的內(nèi)涵、分類不一，光芯片、光電器件、光模塊等概念混在一起，這就導致在進行行業(yè)劃分時出現(xiàn)非常多的版本，這就導致了在描述行業(yè)規(guī)模等數(shù)字時出現(xiàn)差距非常大的數(shù)字。因此在介紹光電器件之前，我們有必要澄清這篇文章的基本概念，為此我們主要參考的依據(jù)是WSTS和Gartner的分類。我們主要在事先明確以下幾個問題。

1.我們之前講到光電器件可根據(jù)用途進一步細分為光通信器件和顯示照明器件，這也是很多人的分法，但實際上光電器件的應用非常廣闊，包括了通信、工業(yè)、消費等領域，因此實際中的分類也可以將工業(yè)、消費領域包括進來形成光通信及其他器件、顯示照明器件兩類。

2.光通信器件的產(chǎn)業(yè)鏈包括光芯片、光電器件、光模塊及下游應用，經(jīng)常會有人把光模塊也算入光芯片和光電器件中，也有人把光電器件直接叫光芯片，但在我們看來實際上是光芯片是光電器件的重要組成部分，光電器件是光模塊的重要組成部分，是包含關系，如光模塊是由光電器件、功能電路和光接口等組成，可以稱之為一個組件。因此本文中我們所指的光電器件指的是光芯片和光電器件。光模塊以后有機會我們將會在通信行業(yè)研究中進行介紹。

3.經(jīng)常有文章在半導體光電器件分類下放一個激光器分類，我們認為這容易引起混淆。光電器件下的激光器是激光器芯片或者說半導體激光器，實際上激光器包含固體、氣體、液體、燃料激光器，半導體激光器只是固體激光器的一類（如最早的紅寶石激光器就是固體激光器的一種）。為了方便后面的理解我們簡單說一下激光器的原理，詳細的激光器分類我們將在后面專門研究激光器行業(yè)的文章里再討論。激光器的種類繁多，但都遵循光電效應這一基本原理，我們在之前的半導體系列1-什么是半導體文章中已經(jīng)知道原子外的電子是分布在能級上的。低能級的電子吸收光子的能量可以躍遷到高能級上，高能級電子躍遷到低能級上會輻射出光子，這就是光電轉換效應。

自然狀態(tài)下這種轉換也會進行，輻射出光子的現(xiàn)象成為自發(fā)輻射，除自發(fā)輻射外，處于激發(fā)態(tài)的發(fā)光原子在外來輻射場的作用下也會向下躍遷輻射光子，這一現(xiàn)象成為受激輻射。此時，外來輻射的能量必須恰好是原子兩能級的能量差，發(fā)出的光子和外來光子的頻率、位相、傳播方向以及偏振狀態(tài)全相同。受激輻射是產(chǎn)生激光的必要條件，它發(fā)生的幾率與兩能級粒子數(shù)差有關，通常情況下低能級粒子數(shù)更多，因此不易發(fā)生受激輻射。為了更容易發(fā)生受激輻射產(chǎn)生激光，就需要想辦法提高高能級的粒子數(shù)，直至高能級粒子數(shù)大于低能級粒子數(shù)，這就稱為粒子數(shù)反轉。

明白了這一原理，那么激光器的主要構成就很簡單了。第一要形成粒子數(shù)反轉，就需要把低能級電子“搬到”高能級上去，這就是泵浦源（激勵源）；第三要有物質作為泵浦源的工作對象以及在粒子數(shù)反轉下發(fā)出激光，這就是增益介質（工作物質）；最后需要對光子特性（頻率、相位和運行方向）進行調節(jié)，通過控制光子振蕩來獲得高質量的激光，這就是諧振腔。一般來說所有的激光器都有這三個部分，不同激光器的區(qū)別也來自于這三個部分的一種或多種不同，如紅寶石激光器的增益介質是紅寶石，與半導體的增益介質是半導體材料就不同。

此外激光芯片中的某些類型也經(jīng)常用作其他激光器泵浦源的組成部分，如光纖激光器的增益介質是摻稀土元素玻璃光纖，泵浦源中的核心部件則包括激光芯片和慢軸準直鏡（SAC）、快軸準直鏡（FAC）、偏振分束/合束器（PBS/PBC）、反射鏡（Mirror）、聚焦透鏡（Focusing lens）、光纖頭(FTA)等激光光學元器件激光器基本知識貼（長光華芯招股說明書）。這也是容易導致混淆的地方，事實上光電器件下的激光器應該是激光芯片。

4.經(jīng)常有文章把CMOS圖像傳感器（CMOS Image Sensor，CIS）當做傳感器來研究，我們承認CIS有傳感器的作用，但其基本原理仍是光電轉換器件，因此我們遵循Gartner的分類，將CIS、CCD（電荷耦合元件，Charge-coupled Device）也劃為光電器件范疇。

5.光通信廣義上的分類包括大氣激光通信、藍綠光通信、**線通信、紫外線通信和光纖通信，我們常常提到的光通信的概念多指光纖通信。光纖通信是指以石英光纖作為傳輸媒介，以光作為信息載體的通信方式，工作范圍在近**區(qū)域，對應波長區(qū)域是800nm~1800nm。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，光纖通信已經(jīng)成為現(xiàn)代通信的主要支柱之一，在現(xiàn)代通信網(wǎng)中起著舉足輕重的作用。

電磁波譜及各種通信方式的波長，資料來源：《光纖通信系統(tǒng)》

光通信系統(tǒng)的典型構成包括電端機、光發(fā)送機、光纖光纜、中繼站和光接收機五大部分，如下圖，電端機作用是對來自信號源的信號進行處理，如模/數(shù)變化、多路復用處理，其一般是電通信設備。光發(fā)射機由光源、驅動器和調制器組成，光源是其核心，經(jīng)常使用激光芯片作為光源。光纖光纜作為光信號傳輸線路，其作用是把來自發(fā)送機的光信號以盡可能小的失真和衰減傳輸?shù)焦饨邮諜C。中繼器將經(jīng)過長距離光纖衰減和畸變的微弱光信號經(jīng)放大、整形、再生成一定強度的光信號，繼續(xù)送向前方以保證良好的通信質量。光接收機由光檢測器、放大器和相關電路組成，光檢測器（探測器）是核心，作用是把從光纖線路輸出、產(chǎn)生畸變和衰減的微弱光信號轉化為電信號，并經(jīng)過放大和后處理后恢復成發(fā)射前的電信號。這里面包含的光電器件我們將在下面一并介紹。

對以上容易混淆的地方做了澄清后，我們對光電器件的分類研究就會比較簡單了。按照慣例，我們第一放一下光電器件分類的思維導圖。

本文我們采用光通信及其他器件和顯示照明器件的細分方法，其中光通信及其他器件按功能又可劃分為光有源器件和光無源器件，按材料體系可分為 InP、 GaAs、硅基和薄膜鈮酸鋰四類， 其中 InP 襯底主要包括直接調制 DFB/電吸收調制 EML 芯片、探測器 PIN/APD 芯片、 放大器芯片、調制器芯片等，GaAs 襯底包括高功率激光芯片、 VCSEL 芯片等，硅基襯底包括 PLC、 AWG、調制器、光開關芯片等， LiNbO3 包括高速調制器等。LED芯片又可進一步細分為普通LED、OLED、MiniLED、MicroLED等。接下來我們一一介紹。

1.光有源器件，是指在工作過程中需要外加能源驅動的光電器件，多數(shù)是進行光-電轉換的器件，但也有不進行光電轉換的器件，如光放大器。

（1）激光芯片，是光有源器件中非常重要的分類，可進一步細分為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，即在其他類型激光器（如光纖/固體激光器）泵浦源的核心能量來源，是決定激光器性能及成本的核心元器件。如下圖光纖激光器的泵浦源就包括了18個激光芯片，其與光通信激光芯片的主要區(qū)別是高功率，因此又稱高功率激光芯片，未來發(fā)展方向是降本和向更高功率邁進。

光通信激光器芯片可進一步分類，按速率可分為 2.5G、 10G、 25G 及以上各速率光芯片。所謂速率即調制速率，指的是信號被調制以后在單位時間內(nèi)的變化，即單位時間內(nèi)載波參數(shù)變化的次數(shù)，它是對符號傳輸速率的一種度量。光芯片的調制速率較大程度上決定了光模塊向高速率演進的速度。光芯片調制速率越高，對應的光模塊單位時間傳輸信號量越大，因此光通信激光器芯片又稱高速率激光芯片。

注：調制速率，指的是每秒傳送的碼元符號的個數(shù)，單位為symbol/second，如果單位時間內(nèi)信號變化一次表示一個碼元，則波特率與調制速率一致。與此相對，信息傳輸率，或者比特率，是指單位時間內(nèi)傳送信息的比特數(shù)，單位是bps。比特率和波特率的關系為：若一個碼元能攜帶1bit數(shù)據(jù)，那么比特率=波特率；若一個碼元能攜帶2bit數(shù)據(jù)，那么比特率=2倍的波特率。

光通信激光器芯片也可按照產(chǎn)品分為 VCSEL（垂直腔面反射激光器）芯片，以及邊發(fā)射的 FP（法布里-珀羅激光器）、DFB（分布反饋式激光器）和 EML（電吸收調制激光器）芯片。它們可進一步分為：（1）按出光結構，可分為面發(fā)射的 VCSEL，以及邊發(fā)射的 FP、DFB和 EML芯片；（2）按調制方式，可分為直接調制激光器，Directly Modulated Laser， DML芯片（直接調制是指通過改變激光器的注入電流，來控制激光器輸出的強度）和電吸收調制激光器，Electro-absorption Moduled Laser，EML 芯片（集成了 EAM 調制器和 DFB 芯片，與直調激光器相對，激光器的注入電流不發(fā)生改變，激光器輸出連續(xù)光，光強通過外置的調制器進行調節(jié)）；3）從距離角度，F(xiàn)P 和 VCSEL 芯片適合短距離場景，中距離場景多采用 DFB 芯片，長距離場景主要采用 EML 芯片。

值得注意的是VCSEL除了光通信外，還可用于3D傳感和激光雷達領域，四種激光器的特點如下：

（2）探測器，如上所言，光電探測器能夠檢測光信號并完成光信號向電信號的轉換，光探測芯片是光電探測器內(nèi)部的核心元器件，因器件結構的不同，使得由其構成的探測器在應用領域上有所區(qū)別。光探測芯片依據(jù)器件結構方案可進一步分為 PIN-PD（PIN Photodiode，PIN光電二極管）、 APD（Avalanche Photodiode，雪崩二極管）、 SPAD（Single Photon Avalanche Diode，單光子雪崩二極管）以及 SiPM（Silicon photomultiplier，硅光電倍增管）等。

PIN是指在摻雜濃度很高的P型和N型之間，加進一個接近本征材料的I區(qū)，形成PIN結構的光電二極管。PIN的工作原理是當光照射在光敏面上時,會在整個耗盡區(qū)及耗盡區(qū)附近產(chǎn)生受激輻射現(xiàn)象,從而產(chǎn)生電子空穴對。在外加電場作用下,這種光生載流子運動到電極。當外部電路閉合時,就會在外部電路中有電流流過,從而完成光電的變換及探測過程。

APD是具有內(nèi)部增益的光檢測器，它可以用來檢測微弱光信號并獲得較大的輸出光電流。APD能夠獲得內(nèi)部增益是基于碰撞電離效應。當PN結上加高的反偏壓時，耗盡層的電場很強，光生載流子經(jīng)過時就會被電場加速，當電場強度足夠高時，光生載流子獲得很大的動能，它們在高速運動中與半導體晶格碰撞，使晶體中的原子電離，從而激發(fā)出新的電子-空穴對，這個過程稱為碰撞電離。碰撞電離產(chǎn)生的電子-空穴對在強電場作用下同樣又被加速，重復前一過程，這樣多次碰撞電離的結果使載流子迅速增加，電流也迅速增大，形成雪崩倍增效應，APD就是利用雪崩倍增效應使光電流得到倍增的高靈敏度的光檢測器。

SPAD、APD、PD屬于同族的光電探測器，其工作機制的差異，主要在于不同電場下的載流子行為不同。PD 工作在反向偏壓形成的小電場情況下，表現(xiàn)出無增益的特性。APD工作在擊穿電壓附近（小于擊穿電壓），表現(xiàn)出有限的增益。SPAD工作在擊穿電壓以上，表現(xiàn)出無限的增益（理論增益為無窮大）。

SPAD與APD的差異在于雪崩碰撞是否引入了空穴的正反饋碰撞效果。眾所周知，Si 材料中，電子的離化率遠大于空穴的離化率（不同電場下，電子空穴的離化率比值也是有差異的）。若耗盡區(qū)的電場大小可以使得電子達到離化的閾值，但不足以使得空穴獲得足夠的能量，去碰撞一個新的電子-空穴對時（空穴即使運動到最大的距離也無法獲達到雪崩閾值的情形），此過程即只有電子參與雪崩過程，當電子流出PN結時，整個雪崩系統(tǒng)獲得一個有限的增益，即APD的工作方式。

相反，若電場足夠大，以至于空穴和電子均能在PN結內(nèi)運動達到雪崩閾值，電子碰撞出新的電子-空穴對，新的電子空穴對中的空穴，反方向運動又也會碰撞出新的電子-空穴對，如此循環(huán)反饋，理論上會獲得∞的增益（注意，實際上空穴并不移動，還是電子移動造成的空穴相對運動，只不過SPAD電子運動的更快更迅速）。

SiPM是由多個SPAD并聯(lián)組成，每個單元是**的，最終輸出的信號是多個像素輸出信號疊加，有幅度變化，照射到SiPM的光子數(shù)越多，幅度越大。濱松公司根據(jù)原理叫做MPPC（Multi-Pixel Photon Counter）， SiPM是多個 SPAD 的陣列形式，與未來的陣列式光源契合，并可獲得更高的可探測范圍，也更易集成 CMOS 工藝。

如上所述，PIN、 APD 工作在線性模式下，增益能力較低； SPAD、 SiPM工作在蓋革模式下， 該模式偏置電壓高于雪崩電壓，增益能力高，單個光子吸收即可使探測器輸出電流達到飽和。四者的主要區(qū)別和應用領域如下。

（3）調制器，是通過電壓或電場的變化最終調控輸出光的折射率、吸收率、振幅或相位的器件。它所依據(jù)的基本理論是各種不同形式的電光效應、聲光效應、磁光效應、量子限制Stark效應等。

按照調制原理，光調制器可分為：a.電光調制器，是利用電光晶體(如酸)的折射率隨外加電場而變即電光效應實現(xiàn)光調制。b.磁光調制器，是利用光通過磁光晶體(如釔鐵石榴石 )時，在磁場作用下其偏振面可發(fā)生旋轉實現(xiàn)光的調制。c.聲光調制器，是利用材料(如酸)在責波作用下產(chǎn)生應變而引起折射率變化，即光彈效應實現(xiàn)光調制。d.電吸收型調制器，即上面提到的EAM，是利用半導體材料的量子限制Stark效應(QCSE)，此種調制機制主要用于半導體調制器中。在外加電場作用下，激子吸收峰將會移動，并且吸收系數(shù)也會發(fā)生變化，工作波長接近吸收峰時調制器件上的調制電場將產(chǎn)生明顯的吸收調制。

（4）光放大器，是指—種不需要經(jīng)過光/電/光的變換而直接對光信號進行放大的有源器件。能高效補償光功率在光纖傳輸中的損耗，延長通信系統(tǒng)無中繼的傳輸距離?？蛇M一步分為三類：半導體光放大器(SOA，Semiconductor Optical Amplifier)、摻稀土元素(鉺Er、銩Tm、鐠Pr、銣Nd等)的光纖放大器和非線性光纖放大器（主要是光纖拉曼放大器，F(xiàn)RA，F(xiàn)iber Raman Amplifier)。每類中又有不同的應用結構和形式，其中摻餌光纖放大器(EDFA)應用最為廣泛。

上面我們簡單提了一下，光纖通信在進行長距離傳輸時，由于光線中存在損耗和色散，使得光信號能量降低、光脈沖發(fā)生展寬。因此每隔一定距離就需設置一個中繼器，以便對信號進行放大和再生，第二送入光纖繼續(xù)傳輸。傳統(tǒng)采用的方案是光——電——光的中繼器，其工作原理是先將接收到的微弱光信號經(jīng)光電檢測器轉換成電流信號，第二對此電信號進行放大、均衡、判決等信號再生，最后再通過半導體激光器完成電光轉換們重新發(fā)送到下一段光纖中去。在光纖通信系統(tǒng)傳輸速率不斷提高的現(xiàn)代通信中，這種光——電——光的中繼變換處理方式的成本迅速增加，已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代通信傳輸?shù)囊蟆?/p>

光放大器因此應運而生，它能直接放大光信號，無需轉換成電信號，其實質是在泵浦光的作用下，用輸入的光信號去激勵已經(jīng)實現(xiàn)粒子數(shù)反轉的激活物質，得到強度增大的光。它與激光器的區(qū)別在于反饋量的不同，激光器反饋較強以實現(xiàn)光振蕩，而光放大器反饋較小，要抑制光振蕩。光放大器對信號的格式和速率具有高度的透明性，使得整個光纖通信傳輸系統(tǒng)更加簡單和靈活，它的出現(xiàn)和實用化在光纖通信中引起了一場革命。

5.CCD與CIS，由于兩者具有替代關系，在此我們合并介紹。CCD，Charge-coupled Device，電荷耦合器件，是一種用電荷量表示信號大小，用耦合方式傳輸信號的探測元件。CIS（CMOS image sensor）是互補金屬氧化物半導體圖像傳感器，也稱CMOS圖像傳感器。CIS是一種光學傳感器，其功能是將光信號轉換為電信號，并通過讀出電路轉為數(shù)字化信號，廣泛應用于視覺領域，是攝像頭模組的核心元器件。

CCD和CMOS圖像傳感器都通過使用數(shù)千個或數(shù)百萬個稱為光點的光捕獲井捕獲光子來將光轉換為電子。拍攝圖像時，感光點會被揭開以收集光子并將它們存儲為電信號。在 CCD 將光轉換為電子，電荷通過芯片傳輸并在陣列的一個角落讀取，模數(shù)轉換器將每個光點的電荷轉換為數(shù)字值。CIS則將光敏像素的電荷轉換為像素位置的電壓。第二，信號按行和列多路復用到多個片上數(shù)模轉換器。因為每個光點都可以單獨讀取所以CIS相對于CCD更加靈活。

CCD將光生電荷從一個像素移動到另一個像素，并在輸出節(jié)點將其轉換為電壓。CMOS 成像器將電荷轉換為每個像素內(nèi)的電壓。CCD 圖像傳感器一直是需要高質量圖像的傳統(tǒng)選擇。醫(yī)療和科學應用中的大多數(shù)相機都基于 CCD 技術。但它的缺點也十分明顯: 讀取時間更長功耗更高。目前CCD主要應用于工業(yè)自動化和機器視覺。但隨著CIS分辨率的提高，CCD的應用場景正逐漸被CIS替代。

6.硅光芯片及其他，光子芯片根據(jù)基材的不同，大致可分為兩類：一種是在以 InP 為代表的“有源材料”上集成制作元件的光芯片；另一種則是在以硅為代表的“無源材料”上制作的，即硅光芯片。硅光芯片是通過標準半導體工藝將硅光材料和器件集成在一起的集成光路，主要由調制器、探測器、無源波導器件等組成，它可以將多種光器件集成在同一硅基襯底上。

硅光是以光子和電子為信息載體的硅基光電子大規(guī)模集成技術，能夠大大提高集成芯片的性能，利用基于硅材料的CMOS 微電子工藝實現(xiàn)光子器件的集成制備，融合了 CMOS技術的超大規(guī)模邏輯、超高精度制造的特性以及光子技術超高速率、超低功耗的優(yōu)勢，把原本分離器件眾多的光、電元件縮小集成到至一個**微芯片中，實現(xiàn)高集成度、低成本、高速光傳輸。與分立器件光模塊相比，硅光子器件無需 ROSA 或 TOSA 封裝，集成度更高，更加適應未來高速流量傳輸處理需要， 與此同時更緊密的集成方式降低了光模塊的封裝和制造成本。

2.光無源器件，在光纖通信實現(xiàn)自身功能過程中無需能量驅動，內(nèi)部不發(fā)生光電能量轉換的一類器件。

（1）光纖連接器，是實現(xiàn)光纖之間活動連接的無源光器件，它還有將光纖與有源器件、光纖與其它無源器件、光纖與系統(tǒng)和儀表進行連接的功能。光纖連接器伴隨著光通信的發(fā)展而發(fā)展，現(xiàn)在已形成門類齊全、品種繁多的系統(tǒng)產(chǎn)品，是光纖應用領域中不可缺少的、應用廣泛的基礎元件之一。

（2）光分路器，與同軸電纜傳輸系統(tǒng)一樣，光網(wǎng)絡系統(tǒng)也需要將光信號進行耦合、分支、分配，這就需要光分路器來實現(xiàn)，光分路器是光纖鏈路中重要的無源器件之一，是具有多個輸入端和多個輸出端的光纖匯接器件。光分路器按原理可以分為光纖型和平面波導型（PLC）兩種，光纖熔融拉錐型產(chǎn)品是將兩根或多根光纖進行側面熔接而成；PLC是微光學元件型產(chǎn)品，采用光刻技術，在介質或半導體基板上形成光波導，實現(xiàn)分支分配功能。

（3）光衰減器是一種非常重要的光學無源器件，主要用于對光路中的光能量進行衰減，其溫度特性。在系統(tǒng)的調試中，常用于模擬光信號經(jīng)過一段光纖后的相應衰減或用在中繼站中減小富余的光功率，防止光接收機飽和；也可用于對光測試儀器的校準定標。光衰減器包括固定衰減器（固定量衰減）和可變衰減器（衰減量可變）兩種。

（4）光隔離器是一種非互易光學元件，它只容許光束沿一個方向通過，對反射光有很強的阻擋作用。

（5）波分復用器，在一根光纖內(nèi)同時傳送幾個不同波長的光信號通信方式收做波分復用，采用波分復用技術，只要在發(fā)送端和接收端增加少量的合波、分波設備，就可以大幅度增加光纖的傳輸容量，提高經(jīng)濟效益。對于已經(jīng)鋪設的光纜，采用波分復用技術，也可實現(xiàn)多路傳輸，起到降低成本和擴充容量的作用。波分復用器在光路中起到合波和分波的作用，它把不同波長的光信號匯集（合波）到一根光纖中傳輸，到了接收端，又把由光纖傳輸來的復用光信號重新分離（分波）出來。根據(jù)分光原理的不同，波分復用器又可分為枝鏡型、干涉模型和衍射光柵型三種，目前市場上的產(chǎn)品大多數(shù)是衍射光柵型。

陣列波導光柵（Arrayed Waveguide Grating，AWG）是具有代表性的波分復用器，，其做法為在硅晶圓上沉積二氧化硅（SiO2）膜層，再利用微影制程（Photolithography）及反應式離子蝕刻法（Reactive Ion Etch）定義出陣列波導及分光元件等，接著在最上層覆以保護層即可完成。AWG是密集波分復用系統(tǒng)（Dense Wavelength Division Multiplexing，DWDM）網(wǎng)絡的關鍵器件。AWG可獲得大量的波長和信道數(shù)，實現(xiàn)數(shù)十個至幾百個波長的復用和解復用，并能靈活地與其它光器件構成多功能器件和模塊。

（6）光開關，是一種光路控制器件，起著切換光路的作用，在光纖傳輸網(wǎng)絡和各種光交換系統(tǒng)中，可由微機控制實現(xiàn)分光交換，實現(xiàn)各終端之間、終端與中心之間信息的分配與交換智能化；在普通的光傳輸系統(tǒng)中，可用于主備用光路的切換，也可用于光纖、光器件的測試及光纖傳感網(wǎng)絡中，使光纖傳輸系統(tǒng)，測量儀表或傳感系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，使用方便。

3.LED芯片，也稱為LED發(fā)光芯片，是一種固態(tài)的半導體器件，是LED燈的核心組件，也就是指的P-N結。當電流通過導線作用于LED芯片時，電子就會被推向P區(qū)，在P區(qū)里電子跟空穴復合，第二就會以光子的形式發(fā)出能量，這就是LED發(fā)光的原理。而光的波長也就是光的顏色，是由形成P-N結的材料決定的。LED的心臟是一個半導體的芯片，芯片的一端附在一個支架上，一端是負極，另一端連接電源的正極，使整個芯片被環(huán)氧樹脂封裝起來。其主要功能是把電能轉化為光能。

LED芯片的分類標準很多，包括按功率、按形狀、按發(fā)光亮度等分類，我們則根據(jù)技術發(fā)展趨勢將其分為普通LED芯片、OLED芯片及MiniLED、MicroLED芯片。普通LED芯片和OLED芯片我們都比較熟悉，接下來簡單介紹一下另外另類LED芯片。

MiniLED 是次毫米發(fā)光二極管，指芯片尺寸介于 50~200μm 之間的 LED。MiniLED是為了解決傳統(tǒng)LED分區(qū)控光粒度不夠精細的問題而研發(fā)的，LED發(fā)光晶體更小，單位面積背光面板能夠嵌入的晶體數(shù)量更多，同一塊屏幕上可以集成更多的背光燈珠。相較于傳統(tǒng)LED，MiniLED所占體積更小、混光距離更短、亮度和對比度更高、功耗更低、壽命更長。

MicroLED是微發(fā)光二極管，是LED微縮化和矩陣化技術。其可以讓LED單元小于100μm，有著比MiniLED更小的晶體，是對LED背光源的薄膜化、微小化和陣列化，能夠實現(xiàn)每個圖元單獨定址，單獨驅動發(fā)光（自發(fā)光）。采用無機材料構成發(fā)光層，所以不容易出現(xiàn)燒屏問題，同時屏幕通透率優(yōu)于傳統(tǒng)LED，更加省電。MicroLED具有高亮度、高對比度、高清晰度、可靠性強、反應時間快、更加節(jié)能、更低功耗等特性。

至此，我們已經(jīng)完成了集成電路、分立器件和光電器件等半導體三個大的細分行業(yè)的介紹，下周我們將繼續(xù)前行，進行半導體最后一個細分行業(yè)傳感器的介紹和學習，讓我們下周繼續(xù)吧。

拓展知識：

前沿拓展：

導語–前面我們用了十一篇文章介紹了半導體的基本原理，及集成電路、分立器件的知識。本篇文章我們講光電器件的知識，并試圖厘清幾個比較容易混淆的概念，讓我們一起開始吧。

光電器件，是利用光-電轉換效應制成的各種功能器件，代表器件有LED（發(fā)光二極管）、LD（激光二極管）與光電探測器，部分資料將其歸為分立器件的一個細分種類，應用于醫(yī)學檢測**、**探測、光電瞄具等領域，市場份額約占半導體總市場份額的9%。實際上由于市面上對光電器件的內(nèi)涵、分類不一，光芯片、光電器件、光模塊等概念混在一起，這就導致在進行行業(yè)劃分時出現(xiàn)非常多的版本，這就導致了在描述行業(yè)規(guī)模等數(shù)字時出現(xiàn)差距非常大的數(shù)字。因此在介紹光電器件之前，我們有必要澄清這篇文章的基本概念，為此我們主要參考的依據(jù)是WSTS和Gartner的分類。我們主要在事先明確以下幾個問題。

1.我們之前講到光電器件可根據(jù)用途進一步細分為光通信器件和顯示照明器件，這也是很多人的分法，但實際上光電器件的應用非常廣闊，包括了通信、工業(yè)、消費等領域，因此實際中的分類也可以將工業(yè)、消費領域包括進來形成光通信及其他器件、顯示照明器件兩類。

2.光通信器件的產(chǎn)業(yè)鏈包括光芯片、光電器件、光模塊及下游應用，經(jīng)常會有人把光模塊也算入光芯片和光電器件中，也有人把光電器件直接叫光芯片，但在我們看來實際上是光芯片是光電器件的重要組成部分，光電器件是光模塊的重要組成部分，是包含關系，如光模塊是由光電器件、功能電路和光接口等組成，可以稱之為一個組件。因此本文中我們所指的光電器件指的是光芯片和光電器件。光模塊以后有機會我們將會在通信行業(yè)研究中進行介紹。

3.經(jīng)常有文章在半導體光電器件分類下放一個激光器分類，我們認為這容易引起混淆。光電器件下的激光器是激光器芯片或者說半導體激光器，實際上激光器包含固體、氣體、液體、燃料激光器，半導體激光器只是固體激光器的一類（如最早的紅寶石激光器就是固體激光器的一種）。為了方便后面的理解我們簡單說一下激光器的原理，詳細的激光器分類我們將在后面專門研究激光器行業(yè)的文章里再討論。激光器的種類繁多，但都遵循光電效應這一基本原理，我們在之前的半導體系列1-什么是半導體文章中已經(jīng)知道原子外的電子是分布在能級上的。低能級的電子吸收光子的能量可以躍遷到高能級上，高能級電子躍遷到低能級上會輻射出光子，這就是光電轉換效應。

自然狀態(tài)下這種轉換也會進行，輻射出光子的現(xiàn)象成為自發(fā)輻射，除自發(fā)輻射外，處于激發(fā)態(tài)的發(fā)光原子在外來輻射場的作用下也會向下躍遷輻射光子，這一現(xiàn)象成為受激輻射。此時，外來輻射的能量必須恰好是原子兩能級的能量差，發(fā)出的光子和外來光子的頻率、位相、傳播方向以及偏振狀態(tài)全相同。受激輻射是產(chǎn)生激光的必要條件，它發(fā)生的幾率與兩能級粒子數(shù)差有關，通常情況下低能級粒子數(shù)更多，因此不易發(fā)生受激輻射。為了更容易發(fā)生受激輻射產(chǎn)生激光，就需要想辦法提高高能級的粒子數(shù)，直至高能級粒子數(shù)大于低能級粒子數(shù)，這就稱為粒子數(shù)反轉。

明白了這一原理，那么激光器的主要構成就很簡單了。第一要形成粒子數(shù)反轉，就需要把低能級電子“搬到”高能級上去，這就是泵浦源（激勵源）；第三要有物質作為泵浦源的工作對象以及在粒子數(shù)反轉下發(fā)出激光，這就是增益介質（工作物質）；最后需要對光子特性（頻率、相位和運行方向）進行調節(jié)，通過控制光子振蕩來獲得高質量的激光，這就是諧振腔。一般來說所有的激光器都有這三個部分，不同激光器的區(qū)別也來自于這三個部分的一種或多種不同，如紅寶石激光器的增益介質是紅寶石，與半導體的增益介質是半導體材料就不同。

此外激光芯片中的某些類型也經(jīng)常用作其他激光器泵浦源的組成部分，如光纖激光器的增益介質是摻稀土元素玻璃光纖，泵浦源中的核心部件則包括激光芯片和慢軸準直鏡（SAC）、快軸準直鏡（FAC）、偏振分束/合束器（PBS/PBC）、反射鏡（Mirror）、聚焦透鏡（Focusing lens）、光纖頭(FTA)等激光光學元器件激光器基本知識貼（長光華芯招股說明書）。這也是容易導致混淆的地方，事實上光電器件下的激光器應該是激光芯片。

4.經(jīng)常有文章把CMOS圖像傳感器（CMOS Image Sensor，CIS）當做傳感器來研究，我們承認CIS有傳感器的作用，但其基本原理仍是光電轉換器件，因此我們遵循Gartner的分類，將CIS、CCD（電荷耦合元件，Charge-coupled Device）也劃為光電器件范疇。

5.光通信廣義上的分類包括大氣激光通信、藍綠光通信、**線通信、紫外線通信和光纖通信，我們常常提到的光通信的概念多指光纖通信。光纖通信是指以石英光纖作為傳輸媒介，以光作為信息載體的通信方式，工作范圍在近**區(qū)域，對應波長區(qū)域是800nm~1800nm。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，光纖通信已經(jīng)成為現(xiàn)代通信的主要支柱之一，在現(xiàn)代通信網(wǎng)中起著舉足輕重的作用。

電磁波譜及各種通信方式的波長，資料來源：《光纖通信系統(tǒng)》

光通信系統(tǒng)的典型構成包括電端機、光發(fā)送機、光纖光纜、中繼站和光接收機五大部分，如下圖，電端機作用是對來自信號源的信號進行處理，如模/數(shù)變化、多路復用處理，其一般是電通信設備。光發(fā)射機由光源、驅動器和調制器組成，光源是其核心，經(jīng)常使用激光芯片作為光源。光纖光纜作為光信號傳輸線路，其作用是把來自發(fā)送機的光信號以盡可能小的失真和衰減傳輸?shù)焦饨邮諜C。中繼器將經(jīng)過長距離光纖衰減和畸變的微弱光信號經(jīng)放大、整形、再生成一定強度的光信號，繼續(xù)送向前方以保證良好的通信質量。光接收機由光檢測器、放大器和相關電路組成，光檢測器（探測器）是核心，作用是把從光纖線路輸出、產(chǎn)生畸變和衰減的微弱光信號轉化為電信號，并經(jīng)過放大和后處理后恢復成發(fā)射前的電信號。這里面包含的光電器件我們將在下面一并介紹。

對以上容易混淆的地方做了澄清后，我們對光電器件的分類研究就會比較簡單了。按照慣例，我們第一放一下光電器件分類的思維導圖。

本文我們采用光通信及其他器件和顯示照明器件的細分方法，其中光通信及其他器件按功能又可劃分為光有源器件和光無源器件，按材料體系可分為 InP、 GaAs、硅基和薄膜鈮酸鋰四類， 其中 InP 襯底主要包括直接調制 DFB/電吸收調制 EML 芯片、探測器 PIN/APD 芯片、 放大器芯片、調制器芯片等，GaAs 襯底包括高功率激光芯片、 VCSEL 芯片等，硅基襯底包括 PLC、 AWG、調制器、光開關芯片等， LiNbO3 包括高速調制器等。LED芯片又可進一步細分為普通LED、OLED、MiniLED、MicroLED等。接下來我們一一介紹。

1.光有源器件，是指在工作過程中需要外加能源驅動的光電器件，多數(shù)是進行光-電轉換的器件，但也有不進行光電轉換的器件，如光放大器。

（1）激光芯片，是光有源器件中非常重要的分類，可進一步細分為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，即在其他類型激光器（如光纖/固體激光器）泵浦源的核心能量來源，是決定激光器性能及成本的核心元器件。如下圖光纖激光器的泵浦源就包括了18個激光芯片，其與光通信激光芯片的主要區(qū)別是高功率，因此又稱高功率激光芯片，未來發(fā)展方向是降本和向更高功率邁進。

光通信激光器芯片可進一步分類，按速率可分為 2.5G、 10G、 25G 及以上各速率光芯片。所謂速率即調制速率，指的是信號被調制以后在單位時間內(nèi)的變化，即單位時間內(nèi)載波參數(shù)變化的次數(shù)，它是對符號傳輸速率的一種度量。光芯片的調制速率較大程度上決定了光模塊向高速率演進的速度。光芯片調制速率越高，對應的光模塊單位時間傳輸信號量越大，因此光通信激光器芯片又稱高速率激光芯片。

注：調制速率，指的是每秒傳送的碼元符號的個數(shù)，單位為symbol/second，如果單位時間內(nèi)信號變化一次表示一個碼元，則波特率與調制速率一致。與此相對，信息傳輸率，或者比特率，是指單位時間內(nèi)傳送信息的比特數(shù)，單位是bps。比特率和波特率的關系為：若一個碼元能攜帶1bit數(shù)據(jù)，那么比特率=波特率；若一個碼元能攜帶2bit數(shù)據(jù)，那么比特率=2倍的波特率。

光通信激光器芯片也可按照產(chǎn)品分為 VCSEL（垂直腔面反射激光器）芯片，以及邊發(fā)射的 FP（法布里-珀羅激光器）、DFB（分布反饋式激光器）和 EML（電吸收調制激光器）芯片。它們可進一步分為：（1）按出光結構，可分為面發(fā)射的 VCSEL，以及邊發(fā)射的 FP、DFB和 EML芯片；（2）按調制方式，可分為直接調制激光器，Directly Modulated Laser， DML芯片（直接調制是指通過改變激光器的注入電流，來控制激光器輸出的強度）和電吸收調制激光器，Electro-absorption Moduled Laser，EML 芯片（集成了 EAM 調制器和 DFB 芯片，與直調激光器相對，激光器的注入電流不發(fā)生改變，激光器輸出連續(xù)光，光強通過外置的調制器進行調節(jié)）；3）從距離角度，F(xiàn)P 和 VCSEL 芯片適合短距離場景，中距離場景多采用 DFB 芯片，長距離場景主要采用 EML 芯片。

值得注意的是VCSEL除了光通信外，還可用于3D傳感和激光雷達領域，四種激光器的特點如下：

（2）探測器，如上所言，光電探測器能夠檢測光信號并完成光信號向電信號的轉換，光探測芯片是光電探測器內(nèi)部的核心元器件，因器件結構的不同，使得由其構成的探測器在應用領域上有所區(qū)別。光探測芯片依據(jù)器件結構方案可進一步分為 PIN-PD（PIN Photodiode，PIN光電二極管）、 APD（Avalanche Photodiode，雪崩二極管）、 SPAD（Single Photon Avalanche Diode，單光子雪崩二極管）以及 SiPM（Silicon photomultiplier，硅光電倍增管）等。

PIN是指在摻雜濃度很高的P型和N型之間，加進一個接近本征材料的I區(qū)，形成PIN結構的光電二極管。PIN的工作原理是當光照射在光敏面上時,會在整個耗盡區(qū)及耗盡區(qū)附近產(chǎn)生受激輻射現(xiàn)象,從而產(chǎn)生電子空穴對。在外加電場作用下,這種光生載流子運動到電極。當外部電路閉合時,就會在外部電路中有電流流過,從而完成光電的變換及探測過程。

APD是具有內(nèi)部增益的光檢測器，它可以用來檢測微弱光信號并獲得較大的輸出光電流。APD能夠獲得內(nèi)部增益是基于碰撞電離效應。當PN結上加高的反偏壓時，耗盡層的電場很強，光生載流子經(jīng)過時就會被電場加速，當電場強度足夠高時，光生載流子獲得很大的動能，它們在高速運動中與半導體晶格碰撞，使晶體中的原子電離，從而激發(fā)出新的電子-空穴對，這個過程稱為碰撞電離。碰撞電離產(chǎn)生的電子-空穴對在強電場作用下同樣又被加速，重復前一過程，這樣多次碰撞電離的結果使載流子迅速增加，電流也迅速增大，形成雪崩倍增效應，APD就是利用雪崩倍增效應使光電流得到倍增的高靈敏度的光檢測器。

SPAD、APD、PD屬于同族的光電探測器，其工作機制的差異，主要在于不同電場下的載流子行為不同。PD 工作在反向偏壓形成的小電場情況下，表現(xiàn)出無增益的特性。APD工作在擊穿電壓附近（小于擊穿電壓），表現(xiàn)出有限的增益。SPAD工作在擊穿電壓以上，表現(xiàn)出無限的增益（理論增益為無窮大）。

SPAD與APD的差異在于雪崩碰撞是否引入了空穴的正反饋碰撞效果。眾所周知，Si 材料中，電子的離化率遠大于空穴的離化率（不同電場下，電子空穴的離化率比值也是有差異的）。若耗盡區(qū)的電場大小可以使得電子達到離化的閾值，但不足以使得空穴獲得足夠的能量，去碰撞一個新的電子-空穴對時（空穴即使運動到最大的距離也無法獲達到雪崩閾值的情形），此過程即只有電子參與雪崩過程，當電子流出PN結時，整個雪崩系統(tǒng)獲得一個有限的增益，即APD的工作方式。

相反，若電場足夠大，以至于空穴和電子均能在PN結內(nèi)運動達到雪崩閾值，電子碰撞出新的電子-空穴對，新的電子空穴對中的空穴，反方向運動又也會碰撞出新的電子-空穴對，如此循環(huán)反饋，理論上會獲得∞的增益（注意，實際上空穴并不移動，還是電子移動造成的空穴相對運動，只不過SPAD電子運動的更快更迅速）。

SiPM是由多個SPAD并聯(lián)組成，每個單元是**的，最終輸出的信號是多個像素輸出信號疊加，有幅度變化，照射到SiPM的光子數(shù)越多，幅度越大。濱松公司根據(jù)原理叫做MPPC（Multi-Pixel Photon Counter）， SiPM是多個 SPAD 的陣列形式，與未來的陣列式光源契合，并可獲得更高的可探測范圍，也更易集成 CMOS 工藝。

如上所述，PIN、 APD 工作在線性模式下，增益能力較低； SPAD、 SiPM工作在蓋革模式下， 該模式偏置電壓高于雪崩電壓，增益能力高，單個光子吸收即可使探測器輸出電流達到飽和。四者的主要區(qū)別和應用領域如下。

（3）調制器，是通過電壓或電場的變化最終調控輸出光的折射率、吸收率、振幅或相位的器件。它所依據(jù)的基本理論是各種不同形式的電光效應、聲光效應、磁光效應、量子限制Stark效應等。

按照調制原理，光調制器可分為：a.電光調制器，是利用電光晶體(如酸)的折射率隨外加電場而變即電光效應實現(xiàn)光調制。b.磁光調制器，是利用光通過磁光晶體(如釔鐵石榴石 )時，在磁場作用下其偏振面可發(fā)生旋轉實現(xiàn)光的調制。c.聲光調制器，是利用材料(如酸)在責波作用下產(chǎn)生應變而引起折射率變化，即光彈效應實現(xiàn)光調制。d.電吸收型調制器，即上面提到的EAM，是利用半導體材料的量子限制Stark效應(QCSE)，此種調制機制主要用于半導體調制器中。在外加電場作用下，激子吸收峰將會移動，并且吸收系數(shù)也會發(fā)生變化，工作波長接近吸收峰時調制器件上的調制電場將產(chǎn)生明顯的吸收調制。

（4）光放大器，是指—種不需要經(jīng)過光/電/光的變換而直接對光信號進行放大的有源器件。能高效補償光功率在光纖傳輸中的損耗，延長通信系統(tǒng)無中繼的傳輸距離?？蛇M一步分為三類：半導體光放大器(SOA，Semiconductor Optical Amplifier)、摻稀土元素(鉺Er、銩Tm、鐠Pr、銣Nd等)的光纖放大器和非線性光纖放大器（主要是光纖拉曼放大器，F(xiàn)RA，F(xiàn)iber Raman Amplifier)。每類中又有不同的應用結構和形式，其中摻餌光纖放大器(EDFA)應用最為廣泛。

上面我們簡單提了一下，光纖通信在進行長距離傳輸時，由于光線中存在損耗和色散，使得光信號能量降低、光脈沖發(fā)生展寬。因此每隔一定距離就需設置一個中繼器，以便對信號進行放大和再生，第二送入光纖繼續(xù)傳輸。傳統(tǒng)采用的方案是光——電——光的中繼器，其工作原理是先將接收到的微弱光信號經(jīng)光電檢測器轉換成電流信號，第二對此電信號進行放大、均衡、判決等信號再生，最后再通過半導體激光器完成電光轉換們重新發(fā)送到下一段光纖中去。在光纖通信系統(tǒng)傳輸速率不斷提高的現(xiàn)代通信中，這種光——電——光的中繼變換處理方式的成本迅速增加，已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代通信傳輸?shù)囊蟆?/p>

光放大器因此應運而生，它能直接放大光信號，無需轉換成電信號，其實質是在泵浦光的作用下，用輸入的光信號去激勵已經(jīng)實現(xiàn)粒子數(shù)反轉的激活物質，得到強度增大的光。它與激光器的區(qū)別在于反饋量的不同，激光器反饋較強以實現(xiàn)光振蕩，而光放大器反饋較小，要抑制光振蕩。光放大器對信號的格式和速率具有高度的透明性，使得整個光纖通信傳輸系統(tǒng)更加簡單和靈活，它的出現(xiàn)和實用化在光纖通信中引起了一場革命。

5.CCD與CIS，由于兩者具有替代關系，在此我們合并介紹。CCD，Charge-coupled Device，電荷耦合器件，是一種用電荷量表示信號大小，用耦合方式傳輸信號的探測元件。CIS（CMOS image sensor）是互補金屬氧化物半導體圖像傳感器，也稱CMOS圖像傳感器。CIS是一種光學傳感器，其功能是將光信號轉換為電信號，并通過讀出電路轉為數(shù)字化信號，廣泛應用于視覺領域，是攝像頭模組的核心元器件。

CCD和CMOS圖像傳感器都通過使用數(shù)千個或數(shù)百萬個稱為光點的光捕獲井捕獲光子來將光轉換為電子。拍攝圖像時，感光點會被揭開以收集光子并將它們存儲為電信號。在 CCD 將光轉換為電子，電荷通過芯片傳輸并在陣列的一個角落讀取，模數(shù)轉換器將每個光點的電荷轉換為數(shù)字值。CIS則將光敏像素的電荷轉換為像素位置的電壓。第二，信號按行和列多路復用到多個片上數(shù)模轉換器。因為每個光點都可以單獨讀取所以CIS相對于CCD更加靈活。

CCD將光生電荷從一個像素移動到另一個像素，并在輸出節(jié)點將其轉換為電壓。CMOS 成像器將電荷轉換為每個像素內(nèi)的電壓。CCD 圖像傳感器一直是需要高質量圖像的傳統(tǒng)選擇。醫(yī)療和科學應用中的大多數(shù)相機都基于 CCD 技術。但它的缺點也十分明顯: 讀取時間更長功耗更高。目前CCD主要應用于工業(yè)自動化和機器視覺。但隨著CIS分辨率的提高，CCD的應用場景正逐漸被CIS替代。

6.硅光芯片及其他，光子芯片根據(jù)基材的不同，大致可分為兩類：一種是在以 InP 為代表的“有源材料”上集成制作元件的光芯片；另一種則是在以硅為代表的“無源材料”上制作的，即硅光芯片。硅光芯片是通過標準半導體工藝將硅光材料和器件集成在一起的集成光路，主要由調制器、探測器、無源波導器件等組成，它可以將多種光器件集成在同一硅基襯底上。

硅光是以光子和電子為信息載體的硅基光電子大規(guī)模集成技術，能夠大大提高集成芯片的性能，利用基于硅材料的CMOS 微電子工藝實現(xiàn)光子器件的集成制備，融合了 CMOS技術的超大規(guī)模邏輯、超高精度制造的特性以及光子技術超高速率、超低功耗的優(yōu)勢，把原本分離器件眾多的光、電元件縮小集成到至一個**微芯片中，實現(xiàn)高集成度、低成本、高速光傳輸。與分立器件光模塊相比，硅光子器件無需 ROSA 或 TOSA 封裝，集成度更高，更加適應未來高速流量傳輸處理需要， 與此同時更緊密的集成方式降低了光模塊的封裝和制造成本。

2.光無源器件，在光纖通信實現(xiàn)自身功能過程中無需能量驅動，內(nèi)部不發(fā)生光電能量轉換的一類器件。

（1）光纖連接器，是實現(xiàn)光纖之間活動連接的無源光器件，它還有將光纖與有源器件、光纖與其它無源器件、光纖與系統(tǒng)和儀表進行連接的功能。光纖連接器伴隨著光通信的發(fā)展而發(fā)展，現(xiàn)在已形成門類齊全、品種繁多的系統(tǒng)產(chǎn)品，是光纖應用領域中不可缺少的、應用廣泛的基礎元件之一。

（2）光分路器，與同軸電纜傳輸系統(tǒng)一樣，光網(wǎng)絡系統(tǒng)也需要將光信號進行耦合、分支、分配，這就需要光分路器來實現(xiàn)，光分路器是光纖鏈路中重要的無源器件之一，是具有多個輸入端和多個輸出端的光纖匯接器件。光分路器按原理可以分為光纖型和平面波導型（PLC）兩種，光纖熔融拉錐型產(chǎn)品是將兩根或多根光纖進行側面熔接而成；PLC是微光學元件型產(chǎn)品，采用光刻技術，在介質或半導體基板上形成光波導，實現(xiàn)分支分配功能。

（3）光衰減器是一種非常重要的光學無源器件，主要用于對光路中的光能量進行衰減，其溫度特性。在系統(tǒng)的調試中，常用于模擬光信號經(jīng)過一段光纖后的相應衰減或用在中繼站中減小富余的光功率，防止光接收機飽和；也可用于對光測試儀器的校準定標。光衰減器包括固定衰減器（固定量衰減）和可變衰減器（衰減量可變）兩種。

（4）光隔離器是一種非互易光學元件，它只容許光束沿一個方向通過，對反射光有很強的阻擋作用。

（5）波分復用器，在一根光纖內(nèi)同時傳送幾個不同波長的光信號通信方式收做波分復用，采用波分復用技術，只要在發(fā)送端和接收端增加少量的合波、分波設備，就可以大幅度增加光纖的傳輸容量，提高經(jīng)濟效益。對于已經(jīng)鋪設的光纜，采用波分復用技術，也可實現(xiàn)多路傳輸，起到降低成本和擴充容量的作用。波分復用器在光路中起到合波和分波的作用，它把不同波長的光信號匯集（合波）到一根光纖中傳輸，到了接收端，又把由光纖傳輸來的復用光信號重新分離（分波）出來。根據(jù)分光原理的不同，波分復用器又可分為枝鏡型、干涉模型和衍射光柵型三種，目前市場上的產(chǎn)品大多數(shù)是衍射光柵型。

陣列波導光柵（Arrayed Waveguide Grating，AWG）是具有代表性的波分復用器，，其做法為在硅晶圓上沉積二氧化硅（SiO2）膜層，再利用微影制程（Photolithography）及反應式離子蝕刻法（Reactive Ion Etch）定義出陣列波導及分光元件等，接著在最上層覆以保護層即可完成。AWG是密集波分復用系統(tǒng)（Dense Wavelength Division Multiplexing，DWDM）網(wǎng)絡的關鍵器件。AWG可獲得大量的波長和信道數(shù)，實現(xiàn)數(shù)十個至幾百個波長的復用和解復用，并能靈活地與其它光器件構成多功能器件和模塊。

（6）光開關，是一種光路控制器件，起著切換光路的作用，在光纖傳輸網(wǎng)絡和各種光交換系統(tǒng)中，可由微機控制實現(xiàn)分光交換，實現(xiàn)各終端之間、終端與中心之間信息的分配與交換智能化；在普通的光傳輸系統(tǒng)中，可用于主備用光路的切換，也可用于光纖、光器件的測試及光纖傳感網(wǎng)絡中，使光纖傳輸系統(tǒng)，測量儀表或傳感系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，使用方便。

3.LED芯片，也稱為LED發(fā)光芯片，是一種固態(tài)的半導體器件，是LED燈的核心組件，也就是指的P-N結。當電流通過導線作用于LED芯片時，電子就會被推向P區(qū)，在P區(qū)里電子跟空穴復合，第二就會以光子的形式發(fā)出能量，這就是LED發(fā)光的原理。而光的波長也就是光的顏色，是由形成P-N結的材料決定的。LED的心臟是一個半導體的芯片，芯片的一端附在一個支架上，一端是負極，另一端連接電源的正極，使整個芯片被環(huán)氧樹脂封裝起來。其主要功能是把電能轉化為光能。

LED芯片的分類標準很多，包括按功率、按形狀、按發(fā)光亮度等分類，我們則根據(jù)技術發(fā)展趨勢將其分為普通LED芯片、OLED芯片及MiniLED、MicroLED芯片。普通LED芯片和OLED芯片我們都比較熟悉，接下來簡單介紹一下另外另類LED芯片。

MiniLED 是次毫米發(fā)光二極管，指芯片尺寸介于 50~200μm 之間的 LED。MiniLED是為了解決傳統(tǒng)LED分區(qū)控光粒度不夠精細的問題而研發(fā)的，LED發(fā)光晶體更小，單位面積背光面板能夠嵌入的晶體數(shù)量更多，同一塊屏幕上可以集成更多的背光燈珠。相較于傳統(tǒng)LED，MiniLED所占體積更小、混光距離更短、亮度和對比度更高、功耗更低、壽命更長。

MicroLED是微發(fā)光二極管，是LED微縮化和矩陣化技術。其可以讓LED單元小于100μm，有著比MiniLED更小的晶體，是對LED背光源的薄膜化、微小化和陣列化，能夠實現(xiàn)每個圖元單獨定址，單獨驅動發(fā)光（自發(fā)光）。采用無機材料構成發(fā)光層，所以不容易出現(xiàn)燒屏問題，同時屏幕通透率優(yōu)于傳統(tǒng)LED，更加省電。MicroLED具有高亮度、高對比度、高清晰度、可靠性強、反應時間快、更加節(jié)能、更低功耗等特性。

至此，我們已經(jīng)完成了集成電路、分立器件和光電器件等半導體三個大的細分行業(yè)的介紹，下周我們將繼續(xù)前行，進行半導體最后一個細分行業(yè)傳感器的介紹和學習，讓我們下周繼續(xù)吧。

拓展知識：

前沿拓展：

導語–前面我們用了十一篇文章介紹了半導體的基本原理，及集成電路、分立器件的知識。本篇文章我們講光電器件的知識，并試圖厘清幾個比較容易混淆的概念，讓我們一起開始吧。

光電器件，是利用光-電轉換效應制成的各種功能器件，代表器件有LED（發(fā)光二極管）、LD（激光二極管）與光電探測器，部分資料將其歸為分立器件的一個細分種類，應用于醫(yī)學檢測**、**探測、光電瞄具等領域，市場份額約占半導體總市場份額的9%。實際上由于市面上對光電器件的內(nèi)涵、分類不一，光芯片、光電器件、光模塊等概念混在一起，這就導致在進行行業(yè)劃分時出現(xiàn)非常多的版本，這就導致了在描述行業(yè)規(guī)模等數(shù)字時出現(xiàn)差距非常大的數(shù)字。因此在介紹光電器件之前，我們有必要澄清這篇文章的基本概念，為此我們主要參考的依據(jù)是WSTS和Gartner的分類。我們主要在事先明確以下幾個問題。

1.我們之前講到光電器件可根據(jù)用途進一步細分為光通信器件和顯示照明器件，這也是很多人的分法，但實際上光電器件的應用非常廣闊，包括了通信、工業(yè)、消費等領域，因此實際中的分類也可以將工業(yè)、消費領域包括進來形成光通信及其他器件、顯示照明器件兩類。

2.光通信器件的產(chǎn)業(yè)鏈包括光芯片、光電器件、光模塊及下游應用，經(jīng)常會有人把光模塊也算入光芯片和光電器件中，也有人把光電器件直接叫光芯片，但在我們看來實際上是光芯片是光電器件的重要組成部分，光電器件是光模塊的重要組成部分，是包含關系，如光模塊是由光電器件、功能電路和光接口等組成，可以稱之為一個組件。因此本文中我們所指的光電器件指的是光芯片和光電器件。光模塊以后有機會我們將會在通信行業(yè)研究中進行介紹。

3.經(jīng)常有文章在半導體光電器件分類下放一個激光器分類，我們認為這容易引起混淆。光電器件下的激光器是激光器芯片或者說半導體激光器，實際上激光器包含固體、氣體、液體、燃料激光器，半導體激光器只是固體激光器的一類（如最早的紅寶石激光器就是固體激光器的一種）。為了方便后面的理解我們簡單說一下激光器的原理，詳細的激光器分類我們將在后面專門研究激光器行業(yè)的文章里再討論。激光器的種類繁多，但都遵循光電效應這一基本原理，我們在之前的半導體系列1-什么是半導體文章中已經(jīng)知道原子外的電子是分布在能級上的。低能級的電子吸收光子的能量可以躍遷到高能級上，高能級電子躍遷到低能級上會輻射出光子，這就是光電轉換效應。

自然狀態(tài)下這種轉換也會進行，輻射出光子的現(xiàn)象成為自發(fā)輻射，除自發(fā)輻射外，處于激發(fā)態(tài)的發(fā)光原子在外來輻射場的作用下也會向下躍遷輻射光子，這一現(xiàn)象成為受激輻射。此時，外來輻射的能量必須恰好是原子兩能級的能量差，發(fā)出的光子和外來光子的頻率、位相、傳播方向以及偏振狀態(tài)全相同。受激輻射是產(chǎn)生激光的必要條件，它發(fā)生的幾率與兩能級粒子數(shù)差有關，通常情況下低能級粒子數(shù)更多，因此不易發(fā)生受激輻射。為了更容易發(fā)生受激輻射產(chǎn)生激光，就需要想辦法提高高能級的粒子數(shù)，直至高能級粒子數(shù)大于低能級粒子數(shù)，這就稱為粒子數(shù)反轉。

明白了這一原理，那么激光器的主要構成就很簡單了。第一要形成粒子數(shù)反轉，就需要把低能級電子“搬到”高能級上去，這就是泵浦源（激勵源）；第三要有物質作為泵浦源的工作對象以及在粒子數(shù)反轉下發(fā)出激光，這就是增益介質（工作物質）；最后需要對光子特性（頻率、相位和運行方向）進行調節(jié)，通過控制光子振蕩來獲得高質量的激光，這就是諧振腔。一般來說所有的激光器都有這三個部分，不同激光器的區(qū)別也來自于這三個部分的一種或多種不同，如紅寶石激光器的增益介質是紅寶石，與半導體的增益介質是半導體材料就不同。

此外激光芯片中的某些類型也經(jīng)常用作其他激光器泵浦源的組成部分，如光纖激光器的增益介質是摻稀土元素玻璃光纖，泵浦源中的核心部件則包括激光芯片和慢軸準直鏡（SAC）、快軸準直鏡（FAC）、偏振分束/合束器（PBS/PBC）、反射鏡（Mirror）、聚焦透鏡（Focusing lens）、光纖頭(FTA)等激光光學元器件激光器基本知識貼（長光華芯招股說明書）。這也是容易導致混淆的地方，事實上光電器件下的激光器應該是激光芯片。

4.經(jīng)常有文章把CMOS圖像傳感器（CMOS Image Sensor，CIS）當做傳感器來研究，我們承認CIS有傳感器的作用，但其基本原理仍是光電轉換器件，因此我們遵循Gartner的分類，將CIS、CCD（電荷耦合元件，Charge-coupled Device）也劃為光電器件范疇。

5.光通信廣義上的分類包括大氣激光通信、藍綠光通信、**線通信、紫外線通信和光纖通信，我們常常提到的光通信的概念多指光纖通信。光纖通信是指以石英光纖作為傳輸媒介，以光作為信息載體的通信方式，工作范圍在近**區(qū)域，對應波長區(qū)域是800nm~1800nm。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，光纖通信已經(jīng)成為現(xiàn)代通信的主要支柱之一，在現(xiàn)代通信網(wǎng)中起著舉足輕重的作用。

電磁波譜及各種通信方式的波長，資料來源：《光纖通信系統(tǒng)》

光通信系統(tǒng)的典型構成包括電端機、光發(fā)送機、光纖光纜、中繼站和光接收機五大部分，如下圖，電端機作用是對來自信號源的信號進行處理，如模/數(shù)變化、多路復用處理，其一般是電通信設備。光發(fā)射機由光源、驅動器和調制器組成，光源是其核心，經(jīng)常使用激光芯片作為光源。光纖光纜作為光信號傳輸線路，其作用是把來自發(fā)送機的光信號以盡可能小的失真和衰減傳輸?shù)焦饨邮諜C。中繼器將經(jīng)過長距離光纖衰減和畸變的微弱光信號經(jīng)放大、整形、再生成一定強度的光信號，繼續(xù)送向前方以保證良好的通信質量。光接收機由光檢測器、放大器和相關電路組成，光檢測器（探測器）是核心，作用是把從光纖線路輸出、產(chǎn)生畸變和衰減的微弱光信號轉化為電信號，并經(jīng)過放大和后處理后恢復成發(fā)射前的電信號。這里面包含的光電器件我們將在下面一并介紹。

對以上容易混淆的地方做了澄清后，我們對光電器件的分類研究就會比較簡單了。按照慣例，我們第一放一下光電器件分類的思維導圖。

本文我們采用光通信及其他器件和顯示照明器件的細分方法，其中光通信及其他器件按功能又可劃分為光有源器件和光無源器件，按材料體系可分為 InP、 GaAs、硅基和薄膜鈮酸鋰四類， 其中 InP 襯底主要包括直接調制 DFB/電吸收調制 EML 芯片、探測器 PIN/APD 芯片、 放大器芯片、調制器芯片等，GaAs 襯底包括高功率激光芯片、 VCSEL 芯片等，硅基襯底包括 PLC、 AWG、調制器、光開關芯片等， LiNbO3 包括高速調制器等。LED芯片又可進一步細分為普通LED、OLED、MiniLED、MicroLED等。接下來我們一一介紹。

1.光有源器件，是指在工作過程中需要外加能源驅動的光電器件，多數(shù)是進行光-電轉換的器件，但也有不進行光電轉換的器件，如光放大器。

（1）激光芯片，是光有源器件中非常重要的分類，可進一步細分為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，即在其他類型激光器（如光纖/固體激光器）泵浦源的核心能量來源，是決定激光器性能及成本的核心元器件。如下圖光纖激光器的泵浦源就包括了18個激光芯片，其與光通信激光芯片的主要區(qū)別是高功率，因此又稱高功率激光芯片，未來發(fā)展方向是降本和向更高功率邁進。

光通信激光器芯片可進一步分類，按速率可分為 2.5G、 10G、 25G 及以上各速率光芯片。所謂速率即調制速率，指的是信號被調制以后在單位時間內(nèi)的變化，即單位時間內(nèi)載波參數(shù)變化的次數(shù)，它是對符號傳輸速率的一種度量。光芯片的調制速率較大程度上決定了光模塊向高速率演進的速度。光芯片調制速率越高，對應的光模塊單位時間傳輸信號量越大，因此光通信激光器芯片又稱高速率激光芯片。

注：調制速率，指的是每秒傳送的碼元符號的個數(shù)，單位為symbol/second，如果單位時間內(nèi)信號變化一次表示一個碼元，則波特率與調制速率一致。與此相對，信息傳輸率，或者比特率，是指單位時間內(nèi)傳送信息的比特數(shù)，單位是bps。比特率和波特率的關系為：若一個碼元能攜帶1bit數(shù)據(jù)，那么比特率=波特率；若一個碼元能攜帶2bit數(shù)據(jù)，那么比特率=2倍的波特率。

光通信激光器芯片也可按照產(chǎn)品分為 VCSEL（垂直腔面反射激光器）芯片，以及邊發(fā)射的 FP（法布里-珀羅激光器）、DFB（分布反饋式激光器）和 EML（電吸收調制激光器）芯片。它們可進一步分為：（1）按出光結構，可分為面發(fā)射的 VCSEL，以及邊發(fā)射的 FP、DFB和 EML芯片；（2）按調制方式，可分為直接調制激光器，Directly Modulated Laser， DML芯片（直接調制是指通過改變激光器的注入電流，來控制激光器輸出的強度）和電吸收調制激光器，Electro-absorption Moduled Laser，EML 芯片（集成了 EAM 調制器和 DFB 芯片，與直調激光器相對，激光器的注入電流不發(fā)生改變，激光器輸出連續(xù)光，光強通過外置的調制器進行調節(jié)）；3）從距離角度，F(xiàn)P 和 VCSEL 芯片適合短距離場景，中距離場景多采用 DFB 芯片，長距離場景主要采用 EML 芯片。

值得注意的是VCSEL除了光通信外，還可用于3D傳感和激光雷達領域，四種激光器的特點如下：

（2）探測器，如上所言，光電探測器能夠檢測光信號并完成光信號向電信號的轉換，光探測芯片是光電探測器內(nèi)部的核心元器件，因器件結構的不同，使得由其構成的探測器在應用領域上有所區(qū)別。光探測芯片依據(jù)器件結構方案可進一步分為 PIN-PD（PIN Photodiode，PIN光電二極管）、 APD（Avalanche Photodiode，雪崩二極管）、 SPAD（Single Photon Avalanche Diode，單光子雪崩二極管）以及 SiPM（Silicon photomultiplier，硅光電倍增管）等。

PIN是指在摻雜濃度很高的P型和N型之間，加進一個接近本征材料的I區(qū)，形成PIN結構的光電二極管。PIN的工作原理是當光照射在光敏面上時,會在整個耗盡區(qū)及耗盡區(qū)附近產(chǎn)生受激輻射現(xiàn)象,從而產(chǎn)生電子空穴對。在外加電場作用下,這種光生載流子運動到電極。當外部電路閉合時,就會在外部電路中有電流流過,從而完成光電的變換及探測過程。

APD是具有內(nèi)部增益的光檢測器，它可以用來檢測微弱光信號并獲得較大的輸出光電流。APD能夠獲得內(nèi)部增益是基于碰撞電離效應。當PN結上加高的反偏壓時，耗盡層的電場很強，光生載流子經(jīng)過時就會被電場加速，當電場強度足夠高時，光生載流子獲得很大的動能，它們在高速運動中與半導體晶格碰撞，使晶體中的原子電離，從而激發(fā)出新的電子-空穴對，這個過程稱為碰撞電離。碰撞電離產(chǎn)生的電子-空穴對在強電場作用下同樣又被加速，重復前一過程，這樣多次碰撞電離的結果使載流子迅速增加，電流也迅速增大，形成雪崩倍增效應，APD就是利用雪崩倍增效應使光電流得到倍增的高靈敏度的光檢測器。

SPAD、APD、PD屬于同族的光電探測器，其工作機制的差異，主要在于不同電場下的載流子行為不同。PD 工作在反向偏壓形成的小電場情況下，表現(xiàn)出無增益的特性。APD工作在擊穿電壓附近（小于擊穿電壓），表現(xiàn)出有限的增益。SPAD工作在擊穿電壓以上，表現(xiàn)出無限的增益（理論增益為無窮大）。

SPAD與APD的差異在于雪崩碰撞是否引入了空穴的正反饋碰撞效果。眾所周知，Si 材料中，電子的離化率遠大于空穴的離化率（不同電場下，電子空穴的離化率比值也是有差異的）。若耗盡區(qū)的電場大小可以使得電子達到離化的閾值，但不足以使得空穴獲得足夠的能量，去碰撞一個新的電子-空穴對時（空穴即使運動到最大的距離也無法獲達到雪崩閾值的情形），此過程即只有電子參與雪崩過程，當電子流出PN結時，整個雪崩系統(tǒng)獲得一個有限的增益，即APD的工作方式。

相反，若電場足夠大，以至于空穴和電子均能在PN結內(nèi)運動達到雪崩閾值，電子碰撞出新的電子-空穴對，新的電子空穴對中的空穴，反方向運動又也會碰撞出新的電子-空穴對，如此循環(huán)反饋，理論上會獲得∞的增益（注意，實際上空穴并不移動，還是電子移動造成的空穴相對運動，只不過SPAD電子運動的更快更迅速）。

SiPM是由多個SPAD并聯(lián)組成，每個單元是**的，最終輸出的信號是多個像素輸出信號疊加，有幅度變化，照射到SiPM的光子數(shù)越多，幅度越大。濱松公司根據(jù)原理叫做MPPC（Multi-Pixel Photon Counter）， SiPM是多個 SPAD 的陣列形式，與未來的陣列式光源契合，并可獲得更高的可探測范圍，也更易集成 CMOS 工藝。

如上所述，PIN、 APD 工作在線性模式下，增益能力較低； SPAD、 SiPM工作在蓋革模式下， 該模式偏置電壓高于雪崩電壓，增益能力高，單個光子吸收即可使探測器輸出電流達到飽和。四者的主要區(qū)別和應用領域如下。

（3）調制器，是通過電壓或電場的變化最終調控輸出光的折射率、吸收率、振幅或相位的器件。它所依據(jù)的基本理論是各種不同形式的電光效應、聲光效應、磁光效應、量子限制Stark效應等。

按照調制原理，光調制器可分為：a.電光調制器，是利用電光晶體(如酸)的折射率隨外加電場而變即電光效應實現(xiàn)光調制。b.磁光調制器，是利用光通過磁光晶體(如釔鐵石榴石 )時，在磁場作用下其偏振面可發(fā)生旋轉實現(xiàn)光的調制。c.聲光調制器，是利用材料(如酸)在責波作用下產(chǎn)生應變而引起折射率變化，即光彈效應實現(xiàn)光調制。d.電吸收型調制器，即上面提到的EAM，是利用半導體材料的量子限制Stark效應(QCSE)，此種調制機制主要用于半導體調制器中。在外加電場作用下，激子吸收峰將會移動，并且吸收系數(shù)也會發(fā)生變化，工作波長接近吸收峰時調制器件上的調制電場將產(chǎn)生明顯的吸收調制。

（4）光放大器，是指—種不需要經(jīng)過光/電/光的變換而直接對光信號進行放大的有源器件。能高效補償光功率在光纖傳輸中的損耗，延長通信系統(tǒng)無中繼的傳輸距離?？蛇M一步分為三類：半導體光放大器(SOA，Semiconductor Optical Amplifier)、摻稀土元素(鉺Er、銩Tm、鐠Pr、銣Nd等)的光纖放大器和非線性光纖放大器（主要是光纖拉曼放大器，F(xiàn)RA，F(xiàn)iber Raman Amplifier)。每類中又有不同的應用結構和形式，其中摻餌光纖放大器(EDFA)應用最為廣泛。

上面我們簡單提了一下，光纖通信在進行長距離傳輸時，由于光線中存在損耗和色散，使得光信號能量降低、光脈沖發(fā)生展寬。因此每隔一定距離就需設置一個中繼器，以便對信號進行放大和再生，第二送入光纖繼續(xù)傳輸。傳統(tǒng)采用的方案是光——電——光的中繼器，其工作原理是先將接收到的微弱光信號經(jīng)光電檢測器轉換成電流信號，第二對此電信號進行放大、均衡、判決等信號再生，最后再通過半導體激光器完成電光轉換們重新發(fā)送到下一段光纖中去。在光纖通信系統(tǒng)傳輸速率不斷提高的現(xiàn)代通信中，這種光——電——光的中繼變換處理方式的成本迅速增加，已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代通信傳輸?shù)囊蟆?/p>

光放大器因此應運而生，它能直接放大光信號，無需轉換成電信號，其實質是在泵浦光的作用下，用輸入的光信號去激勵已經(jīng)實現(xiàn)粒子數(shù)反轉的激活物質，得到強度增大的光。它與激光器的區(qū)別在于反饋量的不同，激光器反饋較強以實現(xiàn)光振蕩，而光放大器反饋較小，要抑制光振蕩。光放大器對信號的格式和速率具有高度的透明性，使得整個光纖通信傳輸系統(tǒng)更加簡單和靈活，它的出現(xiàn)和實用化在光纖通信中引起了一場革命。

5.CCD與CIS，由于兩者具有替代關系，在此我們合并介紹。CCD，Charge-coupled Device，電荷耦合器件，是一種用電荷量表示信號大小，用耦合方式傳輸信號的探測元件。CIS（CMOS image sensor）是互補金屬氧化物半導體圖像傳感器，也稱CMOS圖像傳感器。CIS是一種光學傳感器，其功能是將光信號轉換為電信號，并通過讀出電路轉為數(shù)字化信號，廣泛應用于視覺領域，是攝像頭模組的核心元器件。

CCD和CMOS圖像傳感器都通過使用數(shù)千個或數(shù)百萬個稱為光點的光捕獲井捕獲光子來將光轉換為電子。拍攝圖像時，感光點會被揭開以收集光子并將它們存儲為電信號。在 CCD 將光轉換為電子，電荷通過芯片傳輸并在陣列的一個角落讀取，模數(shù)轉換器將每個光點的電荷轉換為數(shù)字值。CIS則將光敏像素的電荷轉換為像素位置的電壓。第二，信號按行和列多路復用到多個片上數(shù)模轉換器。因為每個光點都可以單獨讀取所以CIS相對于CCD更加靈活。

CCD將光生電荷從一個像素移動到另一個像素，并在輸出節(jié)點將其轉換為電壓。CMOS 成像器將電荷轉換為每個像素內(nèi)的電壓。CCD 圖像傳感器一直是需要高質量圖像的傳統(tǒng)選擇。醫(yī)療和科學應用中的大多數(shù)相機都基于 CCD 技術。但它的缺點也十分明顯: 讀取時間更長功耗更高。目前CCD主要應用于工業(yè)自動化和機器視覺。但隨著CIS分辨率的提高，CCD的應用場景正逐漸被CIS替代。

6.硅光芯片及其他，光子芯片根據(jù)基材的不同，大致可分為兩類：一種是在以 InP 為代表的“有源材料”上集成制作元件的光芯片；另一種則是在以硅為代表的“無源材料”上制作的，即硅光芯片。硅光芯片是通過標準半導體工藝將硅光材料和器件集成在一起的集成光路，主要由調制器、探測器、無源波導器件等組成，它可以將多種光器件集成在同一硅基襯底上。

硅光是以光子和電子為信息載體的硅基光電子大規(guī)模集成技術，能夠大大提高集成芯片的性能，利用基于硅材料的CMOS 微電子工藝實現(xiàn)光子器件的集成制備，融合了 CMOS技術的超大規(guī)模邏輯、超高精度制造的特性以及光子技術超高速率、超低功耗的優(yōu)勢，把原本分離器件眾多的光、電元件縮小集成到至一個**微芯片中，實現(xiàn)高集成度、低成本、高速光傳輸。與分立器件光模塊相比，硅光子器件無需 ROSA 或 TOSA 封裝，集成度更高，更加適應未來高速流量傳輸處理需要， 與此同時更緊密的集成方式降低了光模塊的封裝和制造成本。

2.光無源器件，在光纖通信實現(xiàn)自身功能過程中無需能量驅動，內(nèi)部不發(fā)生光電能量轉換的一類器件。

（1）光纖連接器，是實現(xiàn)光纖之間活動連接的無源光器件，它還有將光纖與有源器件、光纖與其它無源器件、光纖與系統(tǒng)和儀表進行連接的功能。光纖連接器伴隨著光通信的發(fā)展而發(fā)展，現(xiàn)在已形成門類齊全、品種繁多的系統(tǒng)產(chǎn)品，是光纖應用領域中不可缺少的、應用廣泛的基礎元件之一。

（2）光分路器，與同軸電纜傳輸系統(tǒng)一樣，光網(wǎng)絡系統(tǒng)也需要將光信號進行耦合、分支、分配，這就需要光分路器來實現(xiàn)，光分路器是光纖鏈路中重要的無源器件之一，是具有多個輸入端和多個輸出端的光纖匯接器件。光分路器按原理可以分為光纖型和平面波導型（PLC）兩種，光纖熔融拉錐型產(chǎn)品是將兩根或多根光纖進行側面熔接而成；PLC是微光學元件型產(chǎn)品，采用光刻技術，在介質或半導體基板上形成光波導，實現(xiàn)分支分配功能。

（3）光衰減器是一種非常重要的光學無源器件，主要用于對光路中的光能量進行衰減，其溫度特性。在系統(tǒng)的調試中，常用于模擬光信號經(jīng)過一段光纖后的相應衰減或用在中繼站中減小富余的光功率，防止光接收機飽和；也可用于對光測試儀器的校準定標。光衰減器包括固定衰減器（固定量衰減）和可變衰減器（衰減量可變）兩種。

（4）光隔離器是一種非互易光學元件，它只容許光束沿一個方向通過，對反射光有很強的阻擋作用。

（5）波分復用器，在一根光纖內(nèi)同時傳送幾個不同波長的光信號通信方式收做波分復用，采用波分復用技術，只要在發(fā)送端和接收端增加少量的合波、分波設備，就可以大幅度增加光纖的傳輸容量，提高經(jīng)濟效益。對于已經(jīng)鋪設的光纜，采用波分復用技術，也可實現(xiàn)多路傳輸，起到降低成本和擴充容量的作用。波分復用器在光路中起到合波和分波的作用，它把不同波長的光信號匯集（合波）到一根光纖中傳輸，到了接收端，又把由光纖傳輸來的復用光信號重新分離（分波）出來。根據(jù)分光原理的不同，波分復用器又可分為枝鏡型、干涉模型和衍射光柵型三種，目前市場上的產(chǎn)品大多數(shù)是衍射光柵型。

陣列波導光柵（Arrayed Waveguide Grating，AWG）是具有代表性的波分復用器，，其做法為在硅晶圓上沉積二氧化硅（SiO2）膜層，再利用微影制程（Photolithography）及反應式離子蝕刻法（Reactive Ion Etch）定義出陣列波導及分光元件等，接著在最上層覆以保護層即可完成。AWG是密集波分復用系統(tǒng)（Dense Wavelength Division Multiplexing，DWDM）網(wǎng)絡的關鍵器件。AWG可獲得大量的波長和信道數(shù)，實現(xiàn)數(shù)十個至幾百個波長的復用和解復用，并能靈活地與其它光器件構成多功能器件和模塊。

（6）光開關，是一種光路控制器件，起著切換光路的作用，在光纖傳輸網(wǎng)絡和各種光交換系統(tǒng)中，可由微機控制實現(xiàn)分光交換，實現(xiàn)各終端之間、終端與中心之間信息的分配與交換智能化；在普通的光傳輸系統(tǒng)中，可用于主備用光路的切換，也可用于光纖、光器件的測試及光纖傳感網(wǎng)絡中，使光纖傳輸系統(tǒng)，測量儀表或傳感系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，使用方便。

3.LED芯片，也稱為LED發(fā)光芯片，是一種固態(tài)的半導體器件，是LED燈的核心組件，也就是指的P-N結。當電流通過導線作用于LED芯片時，電子就會被推向P區(qū)，在P區(qū)里電子跟空穴復合，第二就會以光子的形式發(fā)出能量，這就是LED發(fā)光的原理。而光的波長也就是光的顏色，是由形成P-N結的材料決定的。LED的心臟是一個半導體的芯片，芯片的一端附在一個支架上，一端是負極，另一端連接電源的正極，使整個芯片被環(huán)氧樹脂封裝起來。其主要功能是把電能轉化為光能。

LED芯片的分類標準很多，包括按功率、按形狀、按發(fā)光亮度等分類，我們則根據(jù)技術發(fā)展趨勢將其分為普通LED芯片、OLED芯片及MiniLED、MicroLED芯片。普通LED芯片和OLED芯片我們都比較熟悉，接下來簡單介紹一下另外另類LED芯片。

MiniLED 是次毫米發(fā)光二極管，指芯片尺寸介于 50~200μm 之間的 LED。MiniLED是為了解決傳統(tǒng)LED分區(qū)控光粒度不夠精細的問題而研發(fā)的，LED發(fā)光晶體更小，單位面積背光面板能夠嵌入的晶體數(shù)量更多，同一塊屏幕上可以集成更多的背光燈珠。相較于傳統(tǒng)LED，MiniLED所占體積更小、混光距離更短、亮度和對比度更高、功耗更低、壽命更長。

MicroLED是微發(fā)光二極管，是LED微縮化和矩陣化技術。其可以讓LED單元小于100μm，有著比MiniLED更小的晶體，是對LED背光源的薄膜化、微小化和陣列化，能夠實現(xiàn)每個圖元單獨定址，單獨驅動發(fā)光（自發(fā)光）。采用無機材料構成發(fā)光層，所以不容易出現(xiàn)燒屏問題，同時屏幕通透率優(yōu)于傳統(tǒng)LED，更加省電。MicroLED具有高亮度、高對比度、高清晰度、可靠性強、反應時間快、更加節(jié)能、更低功耗等特性。

至此，我們已經(jīng)完成了集成電路、分立器件和光電器件等半導體三個大的細分行業(yè)的介紹，下周我們將繼續(xù)前行，進行半導體最后一個細分行業(yè)傳感器的介紹和學習，讓我們下周繼續(xù)吧。

拓展知識：

前沿拓展：

導語–前面我們用了十一篇文章介紹了半導體的基本原理，及集成電路、分立器件的知識。本篇文章我們講光電器件的知識，并試圖厘清幾個比較容易混淆的概念，讓我們一起開始吧。

光電器件，是利用光-電轉換效應制成的各種功能器件，代表器件有LED（發(fā)光二極管）、LD（激光二極管）與光電探測器，部分資料將其歸為分立器件的一個細分種類，應用于醫(yī)學檢測**、**探測、光電瞄具等領域，市場份額約占半導體總市場份額的9%。實際上由于市面上對光電器件的內(nèi)涵、分類不一，光芯片、光電器件、光模塊等概念混在一起，這就導致在進行行業(yè)劃分時出現(xiàn)非常多的版本，這就導致了在描述行業(yè)規(guī)模等數(shù)字時出現(xiàn)差距非常大的數(shù)字。因此在介紹光電器件之前，我們有必要澄清這篇文章的基本概念，為此我們主要參考的依據(jù)是WSTS和Gartner的分類。我們主要在事先明確以下幾個問題。

1.我們之前講到光電器件可根據(jù)用途進一步細分為光通信器件和顯示照明器件，這也是很多人的分法，但實際上光電器件的應用非常廣闊，包括了通信、工業(yè)、消費等領域，因此實際中的分類也可以將工業(yè)、消費領域包括進來形成光通信及其他器件、顯示照明器件兩類。

2.光通信器件的產(chǎn)業(yè)鏈包括光芯片、光電器件、光模塊及下游應用，經(jīng)常會有人把光模塊也算入光芯片和光電器件中，也有人把光電器件直接叫光芯片，但在我們看來實際上是光芯片是光電器件的重要組成部分，光電器件是光模塊的重要組成部分，是包含關系，如光模塊是由光電器件、功能電路和光接口等組成，可以稱之為一個組件。因此本文中我們所指的光電器件指的是光芯片和光電器件。光模塊以后有機會我們將會在通信行業(yè)研究中進行介紹。

3.經(jīng)常有文章在半導體光電器件分類下放一個激光器分類，我們認為這容易引起混淆。光電器件下的激光器是激光器芯片或者說半導體激光器，實際上激光器包含固體、氣體、液體、燃料激光器，半導體激光器只是固體激光器的一類（如最早的紅寶石激光器就是固體激光器的一種）。為了方便后面的理解我們簡單說一下激光器的原理，詳細的激光器分類我們將在后面專門研究激光器行業(yè)的文章里再討論。激光器的種類繁多，但都遵循光電效應這一基本原理，我們在之前的半導體系列1-什么是半導體文章中已經(jīng)知道原子外的電子是分布在能級上的。低能級的電子吸收光子的能量可以躍遷到高能級上，高能級電子躍遷到低能級上會輻射出光子，這就是光電轉換效應。

自然狀態(tài)下這種轉換也會進行，輻射出光子的現(xiàn)象成為自發(fā)輻射，除自發(fā)輻射外，處于激發(fā)態(tài)的發(fā)光原子在外來輻射場的作用下也會向下躍遷輻射光子，這一現(xiàn)象成為受激輻射。此時，外來輻射的能量必須恰好是原子兩能級的能量差，發(fā)出的光子和外來光子的頻率、位相、傳播方向以及偏振狀態(tài)全相同。受激輻射是產(chǎn)生激光的必要條件，它發(fā)生的幾率與兩能級粒子數(shù)差有關，通常情況下低能級粒子數(shù)更多，因此不易發(fā)生受激輻射。為了更容易發(fā)生受激輻射產(chǎn)生激光，就需要想辦法提高高能級的粒子數(shù)，直至高能級粒子數(shù)大于低能級粒子數(shù)，這就稱為粒子數(shù)反轉。

明白了這一原理，那么激光器的主要構成就很簡單了。第一要形成粒子數(shù)反轉，就需要把低能級電子“搬到”高能級上去，這就是泵浦源（激勵源）；第三要有物質作為泵浦源的工作對象以及在粒子數(shù)反轉下發(fā)出激光，這就是增益介質（工作物質）；最后需要對光子特性（頻率、相位和運行方向）進行調節(jié)，通過控制光子振蕩來獲得高質量的激光，這就是諧振腔。一般來說所有的激光器都有這三個部分，不同激光器的區(qū)別也來自于這三個部分的一種或多種不同，如紅寶石激光器的增益介質是紅寶石，與半導體的增益介質是半導體材料就不同。

此外激光芯片中的某些類型也經(jīng)常用作其他激光器泵浦源的組成部分，如光纖激光器的增益介質是摻稀土元素玻璃光纖，泵浦源中的核心部件則包括激光芯片和慢軸準直鏡（SAC）、快軸準直鏡（FAC）、偏振分束/合束器（PBS/PBC）、反射鏡（Mirror）、聚焦透鏡（Focusing lens）、光纖頭(FTA)等激光光學元器件激光器基本知識貼（長光華芯招股說明書）。這也是容易導致混淆的地方，事實上光電器件下的激光器應該是激光芯片。

4.經(jīng)常有文章把CMOS圖像傳感器（CMOS Image Sensor，CIS）當做傳感器來研究，我們承認CIS有傳感器的作用，但其基本原理仍是光電轉換器件，因此我們遵循Gartner的分類，將CIS、CCD（電荷耦合元件，Charge-coupled Device）也劃為光電器件范疇。

5.光通信廣義上的分類包括大氣激光通信、藍綠光通信、**線通信、紫外線通信和光纖通信，我們常常提到的光通信的概念多指光纖通信。光纖通信是指以石英光纖作為傳輸媒介，以光作為信息載體的通信方式，工作范圍在近**區(qū)域，對應波長區(qū)域是800nm~1800nm。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，光纖通信已經(jīng)成為現(xiàn)代通信的主要支柱之一，在現(xiàn)代通信網(wǎng)中起著舉足輕重的作用。

電磁波譜及各種通信方式的波長，資料來源：《光纖通信系統(tǒng)》

光通信系統(tǒng)的典型構成包括電端機、光發(fā)送機、光纖光纜、中繼站和光接收機五大部分，如下圖，電端機作用是對來自信號源的信號進行處理，如模/數(shù)變化、多路復用處理，其一般是電通信設備。光發(fā)射機由光源、驅動器和調制器組成，光源是其核心，經(jīng)常使用激光芯片作為光源。光纖光纜作為光信號傳輸線路，其作用是把來自發(fā)送機的光信號以盡可能小的失真和衰減傳輸?shù)焦饨邮諜C。中繼器將經(jīng)過長距離光纖衰減和畸變的微弱光信號經(jīng)放大、整形、再生成一定強度的光信號，繼續(xù)送向前方以保證良好的通信質量。光接收機由光檢測器、放大器和相關電路組成，光檢測器（探測器）是核心，作用是把從光纖線路輸出、產(chǎn)生畸變和衰減的微弱光信號轉化為電信號，并經(jīng)過放大和后處理后恢復成發(fā)射前的電信號。這里面包含的光電器件我們將在下面一并介紹。

對以上容易混淆的地方做了澄清后，我們對光電器件的分類研究就會比較簡單了。按照慣例，我們第一放一下光電器件分類的思維導圖。

本文我們采用光通信及其他器件和顯示照明器件的細分方法，其中光通信及其他器件按功能又可劃分為光有源器件和光無源器件，按材料體系可分為 InP、 GaAs、硅基和薄膜鈮酸鋰四類， 其中 InP 襯底主要包括直接調制 DFB/電吸收調制 EML 芯片、探測器 PIN/APD 芯片、 放大器芯片、調制器芯片等，GaAs 襯底包括高功率激光芯片、 VCSEL 芯片等，硅基襯底包括 PLC、 AWG、調制器、光開關芯片等， LiNbO3 包括高速調制器等。LED芯片又可進一步細分為普通LED、OLED、MiniLED、MicroLED等。接下來我們一一介紹。

1.光有源器件，是指在工作過程中需要外加能源驅動的光電器件，多數(shù)是進行光-電轉換的器件，但也有不進行光電轉換的器件，如光放大器。

（1）激光芯片，是光有源器件中非常重要的分類，可進一步細分為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，即在其他類型激光器（如光纖/固體激光器）泵浦源的核心能量來源，是決定激光器性能及成本的核心元器件。如下圖光纖激光器的泵浦源就包括了18個激光芯片，其與光通信激光芯片的主要區(qū)別是高功率，因此又稱高功率激光芯片，未來發(fā)展方向是降本和向更高功率邁進。

光通信激光器芯片可進一步分類，按速率可分為 2.5G、 10G、 25G 及以上各速率光芯片。所謂速率即調制速率，指的是信號被調制以后在單位時間內(nèi)的變化，即單位時間內(nèi)載波參數(shù)變化的次數(shù)，它是對符號傳輸速率的一種度量。光芯片的調制速率較大程度上決定了光模塊向高速率演進的速度。光芯片調制速率越高，對應的光模塊單位時間傳輸信號量越大，因此光通信激光器芯片又稱高速率激光芯片。

注：調制速率，指的是每秒傳送的碼元符號的個數(shù)，單位為symbol/second，如果單位時間內(nèi)信號變化一次表示一個碼元，則波特率與調制速率一致。與此相對，信息傳輸率，或者比特率，是指單位時間內(nèi)傳送信息的比特數(shù)，單位是bps。比特率和波特率的關系為：若一個碼元能攜帶1bit數(shù)據(jù)，那么比特率=波特率；若一個碼元能攜帶2bit數(shù)據(jù)，那么比特率=2倍的波特率。

光通信激光器芯片也可按照產(chǎn)品分為 VCSEL（垂直腔面反射激光器）芯片，以及邊發(fā)射的 FP（法布里-珀羅激光器）、DFB（分布反饋式激光器）和 EML（電吸收調制激光器）芯片。它們可進一步分為：（1）按出光結構，可分為面發(fā)射的 VCSEL，以及邊發(fā)射的 FP、DFB和 EML芯片；（2）按調制方式，可分為直接調制激光器，Directly Modulated Laser， DML芯片（直接調制是指通過改變激光器的注入電流，來控制激光器輸出的強度）和電吸收調制激光器，Electro-absorption Moduled Laser，EML 芯片（集成了 EAM 調制器和 DFB 芯片，與直調激光器相對，激光器的注入電流不發(fā)生改變，激光器輸出連續(xù)光，光強通過外置的調制器進行調節(jié)）；3）從距離角度，F(xiàn)P 和 VCSEL 芯片適合短距離場景，中距離場景多采用 DFB 芯片，長距離場景主要采用 EML 芯片。

值得注意的是VCSEL除了光通信外，還可用于3D傳感和激光雷達領域，四種激光器的特點如下：

（2）探測器，如上所言，光電探測器能夠檢測光信號并完成光信號向電信號的轉換，光探測芯片是光電探測器內(nèi)部的核心元器件，因器件結構的不同，使得由其構成的探測器在應用領域上有所區(qū)別。光探測芯片依據(jù)器件結構方案可進一步分為 PIN-PD（PIN Photodiode，PIN光電二極管）、 APD（Avalanche Photodiode，雪崩二極管）、 SPAD（Single Photon Avalanche Diode，單光子雪崩二極管）以及 SiPM（Silicon photomultiplier，硅光電倍增管）等。

PIN是指在摻雜濃度很高的P型和N型之間，加進一個接近本征材料的I區(qū)，形成PIN結構的光電二極管。PIN的工作原理是當光照射在光敏面上時,會在整個耗盡區(qū)及耗盡區(qū)附近產(chǎn)生受激輻射現(xiàn)象,從而產(chǎn)生電子空穴對。在外加電場作用下,這種光生載流子運動到電極。當外部電路閉合時,就會在外部電路中有電流流過,從而完成光電的變換及探測過程。

APD是具有內(nèi)部增益的光檢測器，它可以用來檢測微弱光信號并獲得較大的輸出光電流。APD能夠獲得內(nèi)部增益是基于碰撞電離效應。當PN結上加高的反偏壓時，耗盡層的電場很強，光生載流子經(jīng)過時就會被電場加速，當電場強度足夠高時，光生載流子獲得很大的動能，它們在高速運動中與半導體晶格碰撞，使晶體中的原子電離，從而激發(fā)出新的電子-空穴對，這個過程稱為碰撞電離。碰撞電離產(chǎn)生的電子-空穴對在強電場作用下同樣又被加速，重復前一過程，這樣多次碰撞電離的結果使載流子迅速增加，電流也迅速增大，形成雪崩倍增效應，APD就是利用雪崩倍增效應使光電流得到倍增的高靈敏度的光檢測器。

SPAD、APD、PD屬于同族的光電探測器，其工作機制的差異，主要在于不同電場下的載流子行為不同。PD 工作在反向偏壓形成的小電場情況下，表現(xiàn)出無增益的特性。APD工作在擊穿電壓附近（小于擊穿電壓），表現(xiàn)出有限的增益。SPAD工作在擊穿電壓以上，表現(xiàn)出無限的增益（理論增益為無窮大）。

SPAD與APD的差異在于雪崩碰撞是否引入了空穴的正反饋碰撞效果。眾所周知，Si 材料中，電子的離化率遠大于空穴的離化率（不同電場下，電子空穴的離化率比值也是有差異的）。若耗盡區(qū)的電場大小可以使得電子達到離化的閾值，但不足以使得空穴獲得足夠的能量，去碰撞一個新的電子-空穴對時（空穴即使運動到最大的距離也無法獲達到雪崩閾值的情形），此過程即只有電子參與雪崩過程，當電子流出PN結時，整個雪崩系統(tǒng)獲得一個有限的增益，即APD的工作方式。

相反，若電場足夠大，以至于空穴和電子均能在PN結內(nèi)運動達到雪崩閾值，電子碰撞出新的電子-空穴對，新的電子空穴對中的空穴，反方向運動又也會碰撞出新的電子-空穴對，如此循環(huán)反饋，理論上會獲得∞的增益（注意，實際上空穴并不移動，還是電子移動造成的空穴相對運動，只不過SPAD電子運動的更快更迅速）。

SiPM是由多個SPAD并聯(lián)組成，每個單元是**的，最終輸出的信號是多個像素輸出信號疊加，有幅度變化，照射到SiPM的光子數(shù)越多，幅度越大。濱松公司根據(jù)原理叫做MPPC（Multi-Pixel Photon Counter）， SiPM是多個 SPAD 的陣列形式，與未來的陣列式光源契合，并可獲得更高的可探測范圍，也更易集成 CMOS 工藝。

如上所述，PIN、 APD 工作在線性模式下，增益能力較低； SPAD、 SiPM工作在蓋革模式下， 該模式偏置電壓高于雪崩電壓，增益能力高，單個光子吸收即可使探測器輸出電流達到飽和。四者的主要區(qū)別和應用領域如下。

（3）調制器，是通過電壓或電場的變化最終調控輸出光的折射率、吸收率、振幅或相位的器件。它所依據(jù)的基本理論是各種不同形式的電光效應、聲光效應、磁光效應、量子限制Stark效應等。

按照調制原理，光調制器可分為：a.電光調制器，是利用電光晶體(如酸)的折射率隨外加電場而變即電光效應實現(xiàn)光調制。b.磁光調制器，是利用光通過磁光晶體(如釔鐵石榴石 )時，在磁場作用下其偏振面可發(fā)生旋轉實現(xiàn)光的調制。c.聲光調制器，是利用材料(如酸)在責波作用下產(chǎn)生應變而引起折射率變化，即光彈效應實現(xiàn)光調制。d.電吸收型調制器，即上面提到的EAM，是利用半導體材料的量子限制Stark效應(QCSE)，此種調制機制主要用于半導體調制器中。在外加電場作用下，激子吸收峰將會移動，并且吸收系數(shù)也會發(fā)生變化，工作波長接近吸收峰時調制器件上的調制電場將產(chǎn)生明顯的吸收調制。

（4）光放大器，是指—種不需要經(jīng)過光/電/光的變換而直接對光信號進行放大的有源器件。能高效補償光功率在光纖傳輸中的損耗，延長通信系統(tǒng)無中繼的傳輸距離。可進一步分為三類：半導體光放大器(SOA，Semiconductor Optical Amplifier)、摻稀土元素(鉺Er、銩Tm、鐠Pr、銣Nd等)的光纖放大器和非線性光纖放大器（主要是光纖拉曼放大器，F(xiàn)RA，F(xiàn)iber Raman Amplifier)。每類中又有不同的應用結構和形式，其中摻餌光纖放大器(EDFA)應用最為廣泛。

上面我們簡單提了一下，光纖通信在進行長距離傳輸時，由于光線中存在損耗和色散，使得光信號能量降低、光脈沖發(fā)生展寬。因此每隔一定距離就需設置一個中繼器，以便對信號進行放大和再生，第二送入光纖繼續(xù)傳輸。傳統(tǒng)采用的方案是光——電——光的中繼器，其工作原理是先將接收到的微弱光信號經(jīng)光電檢測器轉換成電流信號，第二對此電信號進行放大、均衡、判決等信號再生，最后再通過半導體激光器完成電光轉換們重新發(fā)送到下一段光纖中去。在光纖通信系統(tǒng)傳輸速率不斷提高的現(xiàn)代通信中，這種光——電——光的中繼變換處理方式的成本迅速增加，已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代通信傳輸?shù)囊蟆?/p>

光放大器因此應運而生，它能直接放大光信號，無需轉換成電信號，其實質是在泵浦光的作用下，用輸入的光信號去激勵已經(jīng)實現(xiàn)粒子數(shù)反轉的激活物質，得到強度增大的光。它與激光器的區(qū)別在于反饋量的不同，激光器反饋較強以實現(xiàn)光振蕩，而光放大器反饋較小，要抑制光振蕩。光放大器對信號的格式和速率具有高度的透明性，使得整個光纖通信傳輸系統(tǒng)更加簡單和靈活，它的出現(xiàn)和實用化在光纖通信中引起了一場革命。

5.CCD與CIS，由于兩者具有替代關系，在此我們合并介紹。CCD，Charge-coupled Device，電荷耦合器件，是一種用電荷量表示信號大小，用耦合方式傳輸信號的探測元件。CIS（CMOS image sensor）是互補金屬氧化物半導體圖像傳感器，也稱CMOS圖像傳感器。CIS是一種光學傳感器，其功能是將光信號轉換為電信號，并通過讀出電路轉為數(shù)字化信號，廣泛應用于視覺領域，是攝像頭模組的核心元器件。

CCD和CMOS圖像傳感器都通過使用數(shù)千個或數(shù)百萬個稱為光點的光捕獲井捕獲光子來將光轉換為電子。拍攝圖像時，感光點會被揭開以收集光子并將它們存儲為電信號。在 CCD 將光轉換為電子，電荷通過芯片傳輸并在陣列的一個角落讀取，模數(shù)轉換器將每個光點的電荷轉換為數(shù)字值。CIS則將光敏像素的電荷轉換為像素位置的電壓。第二，信號按行和列多路復用到多個片上數(shù)模轉換器。因為每個光點都可以單獨讀取所以CIS相對于CCD更加靈活。

CCD將光生電荷從一個像素移動到另一個像素，并在輸出節(jié)點將其轉換為電壓。CMOS 成像器將電荷轉換為每個像素內(nèi)的電壓。CCD 圖像傳感器一直是需要高質量圖像的傳統(tǒng)選擇。醫(yī)療和科學應用中的大多數(shù)相機都基于 CCD 技術。但它的缺點也十分明顯: 讀取時間更長功耗更高。目前CCD主要應用于工業(yè)自動化和機器視覺。但隨著CIS分辨率的提高，CCD的應用場景正逐漸被CIS替代。

6.硅光芯片及其他，光子芯片根據(jù)基材的不同，大致可分為兩類：一種是在以 InP 為代表的“有源材料”上集成制作元件的光芯片；另一種則是在以硅為代表的“無源材料”上制作的，即硅光芯片。硅光芯片是通過標準半導體工藝將硅光材料和器件集成在一起的集成光路，主要由調制器、探測器、無源波導器件等組成，它可以將多種光器件集成在同一硅基襯底上。

硅光是以光子和電子為信息載體的硅基光電子大規(guī)模集成技術，能夠大大提高集成芯片的性能，利用基于硅材料的CMOS 微電子工藝實現(xiàn)光子器件的集成制備，融合了 CMOS技術的超大規(guī)模邏輯、超高精度制造的特性以及光子技術超高速率、超低功耗的優(yōu)勢，把原本分離器件眾多的光、電元件縮小集成到至一個**微芯片中，實現(xiàn)高集成度、低成本、高速光傳輸。與分立器件光模塊相比，硅光子器件無需 ROSA 或 TOSA 封裝，集成度更高，更加適應未來高速流量傳輸處理需要， 與此同時更緊密的集成方式降低了光模塊的封裝和制造成本。

2.光無源器件，在光纖通信實現(xiàn)自身功能過程中無需能量驅動，內(nèi)部不發(fā)生光電能量轉換的一類器件。

（1）光纖連接器，是實現(xiàn)光纖之間活動連接的無源光器件，它還有將光纖與有源器件、光纖與其它無源器件、光纖與系統(tǒng)和儀表進行連接的功能。光纖連接器伴隨著光通信的發(fā)展而發(fā)展，現(xiàn)在已形成門類齊全、品種繁多的系統(tǒng)產(chǎn)品，是光纖應用領域中不可缺少的、應用廣泛的基礎元件之一。

（2）光分路器，與同軸電纜傳輸系統(tǒng)一樣，光網(wǎng)絡系統(tǒng)也需要將光信號進行耦合、分支、分配，這就需要光分路器來實現(xiàn)，光分路器是光纖鏈路中重要的無源器件之一，是具有多個輸入端和多個輸出端的光纖匯接器件。光分路器按原理可以分為光纖型和平面波導型（PLC）兩種，光纖熔融拉錐型產(chǎn)品是將兩根或多根光纖進行側面熔接而成；PLC是微光學元件型產(chǎn)品，采用光刻技術，在介質或半導體基板上形成光波導，實現(xiàn)分支分配功能。

（3）光衰減器是一種非常重要的光學無源器件，主要用于對光路中的光能量進行衰減，其溫度特性。在系統(tǒng)的調試中，常用于模擬光信號經(jīng)過一段光纖后的相應衰減或用在中繼站中減小富余的光功率，防止光接收機飽和；也可用于對光測試儀器的校準定標。光衰減器包括固定衰減器（固定量衰減）和可變衰減器（衰減量可變）兩種。

（4）光隔離器是一種非互易光學元件，它只容許光束沿一個方向通過，對反射光有很強的阻擋作用。

（5）波分復用器，在一根光纖內(nèi)同時傳送幾個不同波長的光信號通信方式收做波分復用，采用波分復用技術，只要在發(fā)送端和接收端增加少量的合波、分波設備，就可以大幅度增加光纖的傳輸容量，提高經(jīng)濟效益。對于已經(jīng)鋪設的光纜，采用波分復用技術，也可實現(xiàn)多路傳輸，起到降低成本和擴充容量的作用。波分復用器在光路中起到合波和分波的作用，它把不同波長的光信號匯集（合波）到一根光纖中傳輸，到了接收端，又把由光纖傳輸來的復用光信號重新分離（分波）出來。根據(jù)分光原理的不同，波分復用器又可分為枝鏡型、干涉模型和衍射光柵型三種，目前市場上的產(chǎn)品大多數(shù)是衍射光柵型。

陣列波導光柵（Arrayed Waveguide Grating，AWG）是具有代表性的波分復用器，，其做法為在硅晶圓上沉積二氧化硅（SiO2）膜層，再利用微影制程（Photolithography）及反應式離子蝕刻法（Reactive Ion Etch）定義出陣列波導及分光元件等，接著在最上層覆以保護層即可完成。AWG是密集波分復用系統(tǒng)（Dense Wavelength Division Multiplexing，DWDM）網(wǎng)絡的關鍵器件。AWG可獲得大量的波長和信道數(shù)，實現(xiàn)數(shù)十個至幾百個波長的復用和解復用，并能靈活地與其它光器件構成多功能器件和模塊。

（6）光開關，是一種光路控制器件，起著切換光路的作用，在光纖傳輸網(wǎng)絡和各種光交換系統(tǒng)中，可由微機控制實現(xiàn)分光交換，實現(xiàn)各終端之間、終端與中心之間信息的分配與交換智能化；在普通的光傳輸系統(tǒng)中，可用于主備用光路的切換，也可用于光纖、光器件的測試及光纖傳感網(wǎng)絡中，使光纖傳輸系統(tǒng)，測量儀表或傳感系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，使用方便。

3.LED芯片，也稱為LED發(fā)光芯片，是一種固態(tài)的半導體器件，是LED燈的核心組件，也就是指的P-N結。當電流通過導線作用于LED芯片時，電子就會被推向P區(qū)，在P區(qū)里電子跟空穴復合，第二就會以光子的形式發(fā)出能量，這就是LED發(fā)光的原理。而光的波長也就是光的顏色，是由形成P-N結的材料決定的。LED的心臟是一個半導體的芯片，芯片的一端附在一個支架上，一端是負極，另一端連接電源的正極，使整個芯片被環(huán)氧樹脂封裝起來。其主要功能是把電能轉化為光能。

LED芯片的分類標準很多，包括按功率、按形狀、按發(fā)光亮度等分類，我們則根據(jù)技術發(fā)展趨勢將其分為普通LED芯片、OLED芯片及MiniLED、MicroLED芯片。普通LED芯片和OLED芯片我們都比較熟悉，接下來簡單介紹一下另外另類LED芯片。

MiniLED 是次毫米發(fā)光二極管，指芯片尺寸介于 50~200μm 之間的 LED。MiniLED是為了解決傳統(tǒng)LED分區(qū)控光粒度不夠精細的問題而研發(fā)的，LED發(fā)光晶體更小，單位面積背光面板能夠嵌入的晶體數(shù)量更多，同一塊屏幕上可以集成更多的背光燈珠。相較于傳統(tǒng)LED，MiniLED所占體積更小、混光距離更短、亮度和對比度更高、功耗更低、壽命更長。

MicroLED是微發(fā)光二極管，是LED微縮化和矩陣化技術。其可以讓LED單元小于100μm，有著比MiniLED更小的晶體，是對LED背光源的薄膜化、微小化和陣列化，能夠實現(xiàn)每個圖元單獨定址，單獨驅動發(fā)光（自發(fā)光）。采用無機材料構成發(fā)光層，所以不容易出現(xiàn)燒屏問題，同時屏幕通透率優(yōu)于傳統(tǒng)LED，更加省電。MicroLED具有高亮度、高對比度、高清晰度、可靠性強、反應時間快、更加節(jié)能、更低功耗等特性。

至此，我們已經(jīng)完成了集成電路、分立器件和光電器件等半導體三個大的細分行業(yè)的介紹，下周我們將繼續(xù)前行，進行半導體最后一個細分行業(yè)傳感器的介紹和學習，讓我們下周繼續(xù)吧。

拓展知識：