自从1966年高锟（CharlesKKao）博士提出石英光纤可以作为光传输介质以后，研制和开发光纤通信用有源半导体光子器件的工作，如雨后春笋大量涌现。其中，用于光纤低损耗窗口传输的激光器，从0.85μm处的GaAs/AlGaAs短波长多模激光器，发展到了1.3μm和1.55μm处的InGaAsP/InP分布反馈（DFB）长波长单模激光器，时至今日，随着有源光子阵列与无源光波导、光合波分波器的单片集成芯片的实现，开创了以光子集成回路（PIC）为核心的光网新时代。
在光网中实现对光载波产生、调制、放大和检测功能的器件，主要包括激光器、光调制器、光放大器、光接收器和波长变换器等。DFB激光器和电吸收调制激光器（EML）是当今波分复用（WDM）光纤通信网络系统中不可或缺的关键器件，广泛应用于2.5Gbit/s、10Gbit/s、25Gbit/s和100Gbit/s（4×25Gbit/s）的光网系统中。
光通信激光源的突破口首先是石英光纤的第1个低损耗窗口即0.85μm短波长处。20世纪70年代初，采用液相外延技术，在GaAs基同质外延基础上，利用AlGaAs的高异质势垒，有效地阻挡住了GaAs有源区载流子的泄漏，同时又对传输光起到了空间限制的波导功能，研制成功GaAs/AlGaAs异质掩埋结构（BH）激光器，开拓了短距离光通信应用领域。
2光通信系统中宽带光载波的DFB激光器
2.1光纤干线和网络中的高速率光载波激光器
2.2波分复用和路由寻址的多波长和宽带可调谐DFB集成激光器
波分复用（WDM）是实现超大容量信息传输的最重要的途径。实用化的单信道传输码率为40Gbit/s，对此，1个10Tbit/s的传输干线就必须由250个不同波长的单信道复用来实现。通过阵列波导光栅复用器AWG把诸多信道光聚集有效耦合到单一的单模光纤中进行传输。但从工艺上要制作出模距严格一致的波长各异的众多激光器难度极大。因此需要发展一种波长可适度调谐的DFB激光器，通过调谐实现模匹配需求，它也是下一代波长寻址接入网系统中的关键器件。国内外均有报道，采用DFB或分布布拉格（DBR）多段式激光器、取样光栅（SG）DBR激光器、超结构光栅（SSG）DBR激光器等可以实现不同波长范围的调谐。日本富士通报道，可调双波导（TTG）DFB激光器可以实现连续无跳模的波长调谐。如图2（a）所示，这种器件为纵向PNP结构，上部PN结含有源MQW波导，可提供稳定的增益；下部NP结包含DFB光栅和调谐（tuning）波导层，可通过注入电流改变有效折射率。工作中TTG-DFB激光器的光栅布拉格反射峰与激光谐振腔纵模变化始终同步，从而能实现无跳模宽波长范围（8nm）的调谐，如图2（b）所示。
可调谐分布放大（TDA）-DFB激光器亦能实现连续无跳模的波长调谐，其结构如图3（a）所示。尽管这种器件具有多段式结构，但只有两个正面电极。通过有源段和调谐段波导层的交叉分布，布拉格反射峰和纵模光谱可以保持同步，从而避免激光模式的跳变。图3（b）为6信道TDA-DFB激光器阵列与半导体光放大器（SOA）集成后获得的110个频率信道光谱（间隔为50GHz），每个TDA-DFB激光器的连续可调波长范围达到7.5nm。
2.3窄线宽高稳频高功率DFB集成激光器
时分复用（TDM）技术是从光频域的不同初始相位上提取出多路载波光束，每路光束可分别独立地载入传输信息。把这些光束汇集输入传输光纤中，达到复用的目的。也可以缓解单一波分复用对激光器制作的苛刻要求，诸如放宽模距的调控精度等，因而也是实现超大容量信息传输的重要途径。一般单模光纤传输的入纤光功率为3~5mW，如果引入10个信道的时分复用，则对光载波激光器的光功率输出至少应达500mW以上。早期有用DFB激光器与半导体光放大器（SOA）的单片集成来实现，但成品率低、代价高。中国科学院半导体研究所的团队采用大光腔结构和非对称结构以及较长的腔长，配合采用较低耦合系数的DFB光栅实现了600mW的光输出，又改善了光束质量，压窄了线宽，能够满足TDM应用的要求，同时在以空分接入的光网络终端系统中已得到实际应用。
2.4多波长信道DFB载波激光器阵列模块化集成
实用化的波分复用系统中诸多激光源在时域中的高稳定性非常重要，同时它也是光通信系统硅基化光电混合集成的基础，已成为近些年来光子集成发展的热点。美国Infinera公司的光发射PIC芯片最具代表性，如图4所示为该公司成功开发的1.6Tbit/s速率的40信道、每个信道满足40Gbit/s码率的WDMPIC发射芯片结构及输出光谱。其结构中既包括有源器件，如可调谐DFB激光器、EAM、SOA和PD，也包括无源器件如弯曲波导（S-bend）、阵列波导光栅（AWG）和模斑转换器（SSC）等241个元件。
国内PIC的工作起步较晚，直至2014年，中国科学院半导体所才报道了100Gbit/sEMLPIC发射芯片。如图5所示，该芯片为10个10Gbit/s码率的EML与多模干涉耦合器（MMI）的集成，为使输出波长匹配于国际电信联盟（ITU）的要求，在每个激光器旁制作了Ti电阻波长调节器。整个PIC芯片包含的元件数为31个。难能可贵的是，该多波长阵列芯片是采用廉价的全息曝光光栅技术实现的。
同年，该研究所还首次报道了能让各个信道的波长间隔适用于DWDM系统用的SAG上波导限制层（USCH）新技术，图6（a）即该技术的原理示意，图6（b）为由SAG-USCH技术在1.55μm波段实现的波长间隔分别为0.2nm（25GHz）、0.4nm（50GHz）和0.8nm（100GHz）的多波长DFB激光器阵列光谱，亦采用全息曝光光栅技术完成。华中科技大学和光迅联合利用纳米压印和对接生长技术，在2015年研制出了16路DFB激光器阵列与AWG集成芯片，通道间隔为200GHz。
3中继放大器（EDFA）泵浦源用980nm半导体高功率激光器
980nm垂直腔面发射激光器（VCSEL）由于受到光纤激光器、固体激光器泵浦、激光显示等重要应用的牵引，其研究得到快速的发展。2001年德国UIm大学采用大直径（320μm）器件实现单管连续890mW，19个直径80μm器件列阵实现连续1.4W（相当于功率密度1kW/cm2）和纳秒窄脉冲10W的光输出。美国加州大学采用1000个直径45μm的列阵实现脉冲5W输出。2003年美国Novalux公司利用连续1W输出的980nm垂直腔面发射激光器，通过腔内倍频获得了42mW的蓝光高功率输出。美国Sandia国家实验室光泵浦垂直腔单管器件，实现980nm波长输出，脉冲功率达到4.4W。
在国内，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所在高功率980nmVCSEL方面做了很多的研究工作，并取得系列突破性和国际先进的成果。2003年采用3个应变补偿的InGaAs/GaAsP量子阱为有源区得到高性能的987nmVCSEL：口径为430μm的器件室温连续输出超过1.5W，激射峰半高宽仅为0.8nm，瓦级输出器件远场发散角低于10°，特征温度超过220K。随后优化器件结构和工艺，将0.98μm面发射半导体激光器的输出功率刷新到1.95W，脉冲输出10.5W，是当时国内外报道中的最高水平。2009年研制出连续输出超过2.5W的单管（效率20%）和脉冲输出达到千瓦的高密度集成列阵。
4光载波信息检测的半导体光—电接收器
基于InGaAs/InP材料体系的半导体光电检测器，以其精准的晶格匹配度以及直接带隙In0.53Ga0.47As材料的高吸收系数，是光纤通信系统理想的检测器材料。
4.1PIN型光电检测器
在检测器系列中，PIN型光电检测器是研究最为成熟以及商用最广泛的检测器，其器件结构由宽带隙P型和N型InP材料构成，中间I层为窄带隙In0.53Ga0.47As光吸收层。光吸收层为本征层，承受着PN结间的电场，光生载流子以饱和速度漂移并被两端电极分别收集。PIN检测器具有制备工艺简单、量子效率高、暗电流低的特点。
国内也多有对InP基波导探测器的研究，2013年中国科学院半导体所报道了一种高线性度的倏逝波耦合波导探测器，3dB带宽达到40GHz，线性响应输出光电流超过20mA；2015年报道了基于此种倏逝波耦合波导探测器的10×20GHz的探测器阵列。
4.2高饱和功率高速检测器
随着光纤通信网络的快速发展，人们不仅需要大量数据的快速传输，还希望能够随时随地通过无线网络传输大容量数据。光载微波通信（radiooverfiber，RoF）技术的提出有效解决了多频段快速无线传输的问题，同时大大提高了信号覆盖能力，由于微波终端发射的是模拟信号，从覆盖面和保真度考虑，对光接收器件提出了新的要求——高饱和光功率的宽带检测器。
以接收端光电检测器为例，无论是传统PIN结构还是高灵敏度的APD结构，随着入射光功率的不断增加，光电流会很快达到饱和值，而不再随着光功率线性增加。其主要原因是耗尽区内的空间电荷屏蔽效应：当耗尽区内（APD结构中的倍增区）的光生载流子数量不断增长至超过背景掺杂时，载流子无法完全迅速被收集，因此逐渐在耗尽区内堆积（尤其是漂移速度较慢的空穴）并改变暗场时的电场分布，从而导致耗尽区电场被严重屏蔽，载流子漂移速度下降，器件响应度随即下降。
为减缓空间电荷屏蔽效应的影响，日本NTT电子实验室首次提出了“单载流子”光电检测器（uni-traveling-carrierphotodiode，UTC-PD）结构，其能带结构如图9所示。该结构改变了传统PIN结构中的能带结构，调换本征区与P+区的材料，将本征区换成宽带隙InP材料，而P+区采用光吸收材料In0.53Ga0.47As。光生载流子直接产生于P+区，空穴不再经过耗尽的本征区而直接被P电极收集，只有电子漂移扫过本征区（收集区）。利用电子较高的漂移速度，甚至是过冲速度（2.0×107cm/s），可以有效减缓载流子在本征区内的堆积，从而实现较高的饱和光功率。
2013年，清华大学报道了一种“背对背”式UTC结构，将两个UTC结构在N接触层背靠背对接，呈现出“PINIP”的掺杂结构，通过上下两个P接触与中间N接触实现两部分UTC结构同时探测的工作方式，在不牺牲带宽的前提下大幅提高了响应度。研究结果表明在24GHz带宽下、饱和电流62mA时，响应度可达到0.86A/W。
4.3雪崩光电二极管
雪崩光电二极管（avalanchephotodiode，APD）是一种高灵敏度的检测器结构。它通过载流子与晶格的碰撞电离效应引入内增益机制，使器件灵敏度大大提高，平均比PIN检测器高5~10dB。用于光纤通信接收器的APD通常工作于线性模式，此时倍增区的电势在击穿VB电压以下，一般具有十几到几十的增益。在器件结构上，早期APD采用同质结构，这种结构由于吸收和倍增均发生窄带材料，在高电场情况下，会产生很大的隧穿电流，使得器件性能难以提高。为了解决这一问题，人们提出了一种新型结构，即SAM（separatedabsorptionandmultiplication）APD结构，如图11所示。在这种结构中吸收区和倍增区相互分离，雪崩倍增发生在宽带隙材料中，而吸收则在窄带隙材料中完成，吸收区电场较小，产生的隧道电流也较小，从而达到降低暗电流的目的。为了进一步调节吸收层和增益层的电场分布，在器件设计中又引入了电荷层，发展了SACM（separatedabsorptionchargemultiplication）结构，大大提高了器件各方面的性能。
对线性模式APD的研究主要围绕通过改善器件结构和材料降低过剩噪声及增加增益—带宽积两方面。从外延层的电学结构上讲，为降低吸收区和倍增区异质结界面处载流子的堆积从而提高器件带宽，通常需加入InGaAsP层平滑异质结处能带结构（SAGM）。另外，通过在倍增区中加入电荷层，可以更加灵活地调节器件内电场分布（SAGCM），使电场集中在倍增区中，同时保证吸收区的电场强度满足载流子高权重漂移的要求。从器件结构上，也可以采用平面型器件结构以降低暗电流。进一步地，为了降低扩散掺杂带来的边缘击穿效应，人们又在提出了两步扩散、刻蚀坑与浮动扩散保护环等平面结构。2003年韩国世宗大学报道了采用刻蚀坑与浮动扩散保护环相结合的平面型SAGCM-APD器件，获得了80GHz的增益—带宽积和约10GHz的最大带宽。
由于APD的噪声和带宽在倍增材料k值（低离化率载流子与高离化率载流子的离化率比值）越低时性能越优，而InP相对较高的k值制约了100GHz以上的增益—带宽积。随即，人们提出用In0.52Al0.48As材料作为低k值的倍增层代替InP材料。2010年阿尔卡特朗讯与泰雷兹联合实验室Ⅲ-V实验室报道了平面型InAlAs倍增层的APD器件，获得了11.8GHz的最大带宽和240GHz的增益—带宽积，其单位增益下的外量子效率高达0.73，k值在0.13~0.15。
为进一步降低过剩噪声，人们开始改善倍增区的结构，通过将宽、窄带隙材料相间的异质结构作为倍增区能带结构。载流子在宽带隙材料中不发生雪崩倍增，但可以积累较高的能量，以便在窄带隙材料中能够迅速引发碰撞电离，从而降低碰撞电离在空间上的不均匀性。这种设计被称为碰撞电离（impactionizationengineering，I2E）设计原理，k值可低到0.1。
线性模式的APD器件是光接收机中常用的检测器类型，如何改善其性能的研究一直未停下脚步。其本质是如何在保证一定增益下获得尽量高的带宽以及尽可能低的噪声。最近，日本NTT光子实验室又提出了一种新型“三台倒转P台面”APD器件结构，虽然是基于InAlAs倍增材料的SACM电学结构，但改善了原本的台面型结构，有效降低了倍增层侧壁的表面电场强度，大大提高了器件的稳定性与可靠性。研究制备出的单片集成四通道APD阵列在增益M=10的情况下，能够保证单个器件的高响应度为0.9A/W与大带宽为18GHz，可作为100Gbit/s以太网光接收机芯片使用。
国内对于APD的研究从20世纪80年代就已经开始，主要针对光纤通信方面的应用，经过多年的研究，APD性能不断提高。2012年中国科学院半导体所报道了一种具有极低暗电流的平面型InGaAs/InPAPD，直径30μm的器件在室温下90%击穿电压下暗电流为0.1nA，无减反膜时单位增益下响应度为0.65A/W；2015年又提出了一种新型的APD结构，以InAlAs作为倍增材料，并采用三级台阶型结构，有效降低了器件表面电场强度，直径55μm的器件在室温下90%击穿电压下暗电流为6nA，无减反膜单位增益光响应为0.77A/W。
目前，国际上商用高速光电检测器的供应商主要有美国的Finisar、Lumentum（原JDSU光器件部分），日本的滨松公司，NTT公司，德国的u2t公司等。它们不仅在检测器的研究与商用转化上处于国际领先低位，并且对很多新型高性能检测器的研究工作也处于国际领先水平。
国内的光电检测器生产研发机构主要包括武汉光迅科技、华工正源、深圳海思等公司，研究单位包括清华大学、中国科学院半导体研究所、北京邮电大学、重庆光电技术研究所、华中科技大学等。在高速检测器研究方面，国内已研制出40Gbit/s波导检测器，但尚未形成产品，主要受限于高频封装。对于传统结构的检测器，国内已实现较好的产业化，PIN传输速率可达10Gbit/s，APD速率可达2.5Gbit/s，但在高性能检测器商用产品方面，仍然与国外有较大差距。
5单片集成化接收机中的长波长硅基光电接收器
光纤通信波段的硅基长波长光电检测器的研究是从SiGe光电检测器开始的。由于Ge与Si晶格失配度达4.2%，生长高Ge组分的SiGe材料存在很大的挑战，SiGe光电检测器的探测波长只能拓展到1310nm左右，而采用Ge量子点材料，可以将探测波长拓展到1550nm，但是这两种光电检测器由于在1310nm和1550nm波段材料的吸收系数很低，器件的响应度差。为了提高响应度，在王启明院士的指导下，中国科学院半导体研究所研制出具有共振腔增强结构的SiGe和Ge量子点光电检测器，响应度提高了3倍，但是离实际的应用要求还有一定距离。随着硅衬底上高质量Ge材料外延生长的突破，硅基Ge光电检测器在短短几年内获得了快速发展，并在硅基光电子集成接收机芯片中获得应用，成为最主要的硅基光电检测器。
硅基锗光电检测器与SiCMOS工艺兼容，而且在光通信和光互连波段有高的响应度，是硅光子学的关键性器件。人们已经研制出了不同电学结构和光学结构的硅基锗光电检测器及其集成阵列，按照其光学结构不同，主要有面入射结构和波导结构两种，适用于不同的应用场景。按电学结构和工作原理不同，主要有PIN结构和APD结构两种器件。下面分别做简单的介绍。
5.1PIN结构硅基锗光电检测器
PIN结构器件可以实现高速、高响应、低暗电流，是研究得最多、性能最好的硅基锗光电检测器结构。依照不同应用需求，PIN结构硅基Ge光电检测器主要有面入射结构和波导结构两种。图12是面入射结构和波导结构的硅基PINGe光电探测器示意。
5.2Ge/Si异质结雪崩光电二极管
再则，利用硅衬底上制备的Ge材料，可以制备出MSM结构和PIN结构的GeAPD器件。器件虽然制备在硅衬底上，但Si材料并不参与光电检测器的工作。MSM结构的GeAPD器件首先由IBM于2010年研制成功。他们采用快速熔融法制备SiON上的Ge薄层，用叉指结构W金属与Ge接触形成一系列沿波导方向的肖特基结。当电压高于Ge击穿电压时，就可以实现APD工作。由于接触电极间距只有200nm，在3.4V偏压下，增益达到10，40Gbit/s的眼图可以很好地张开。横向PIN结构的GeAPD由法国巴黎第11大学首先报道。在220nm的SOI上制备波导，在波导的端头腐蚀Si到40nm厚作为Ge外延区域，外延Ge后通过化学机械抛光将Ge层减薄到300nm厚，制备横向结构的PIN器件，I层宽度为500nm。器件在偏压在5V下可以实现雪崩倍增。在无增益情况下，3dB带宽大于40GHz，增益为17时，带宽达11GHz。值得一提的是，对于一般PIN结构的硅基Ge光电检测器，偏压加得足够高时，也会发生雪崩倍增，实现APD工作，也能满足某些方面的需求，但信噪比较差。如比利时的IMEC研制的硅基Ge波导结构APD器件，其电学结构就是普通的PIN结构，在低偏压下，3dB带宽可以大于50GHz；在6.2V偏压下，带宽为10.4GHz，增益为10.2，增益带宽积达到100GHz。
综上所述，面入射结构的硅基GePIN光电检测器存在响应带宽与响应度之间的矛盾，需要根据实际应用需要找到平衡点，两者兼顾的典型器件性能是带宽25GHz左右，1550nm波长下的响应度约为0.3A/W。对于波导结构的硅基锗光电检测器，由于解除了响应度和带宽之间的制约，可以同时实现高响应度和高带宽，目前典型的研究结果是，带宽约40GHz，1550nm波长下的响应度约为1A/W。另外，为了实现对弱光的探测，硅基锗APD器件研究也是近年的研究热点。为了降低倍增中的过剩噪声，器件一般设计成吸收区与倍增区分离的结构，增益带宽积高达840GHz。另外，为实现低偏压下工作的硅基GeAPD器件，人们也研制出了电极间距很短的硅基MSM结构和横向PIN结构GeAPD器件。
6结束语
以上概要地展现和介绍了推动21世纪光纤通信系统迅速发展的主力——有源光电子器件和集成技术的概况。光纤通信的含义无疑已远远地超越了50年前的电信范畴。在传输信息的类别、传输功能的拓展、传输制式的多变、传输时域的加快和传输空域的扩大等方面，都有了前所未有的巨大跃变。数字光网络的实现、互联网的渗透与普及、量子密钥的采用、人工智能和虚拟现实的发展已使信息化社会迈向了智能化的新时代。
特大容量（Zbit/s）的数字化传输系统、ps级实时光交换和路由、低噪声高灵敏宽带接收机以及数字与模拟融合的超快信息处理技术将陆续登上舞台。其中，诸如密集波分复用（DWDM）技术的采用、ps级脉冲光频梳激光器、低噪声高灵敏的光电接收器、ps级波长变换器以及低功耗路由光开关、多波长发射的单光子发射与接收器将再次成为推动智能化时代发展的主力军。
在光电子信息传输系统的产业化规模化发展进程中，硅基材料将在系统集成中占据高位。硅基集成光电子将成为未来发展的主流。关键在于可与硅基CMOS电路兼容集成的激光器的突破性发展。硅微电子处理器芯片内的光互连无疑将取决于在硅基芯片中构建微型光网络的实现，它将对提升超快计算机运行速率做出划时代的奠基性贡献。
创新是人类社会发展的推动力，长江后浪推前浪是人类历史发展的真谛。