硅基光電子學

目錄
前言
第一部分 基礎篇
第1章 緒論 2
1.1 電子、光子、芯片 2
1.2 從微電子到光電子 3
1.2.1 微電子所面臨的挑戰(zhàn) 3
1.2.2 集成光路的困難 4
1.2.3 光電子集成 5
1.3 硅基光電子學的起源 7
1.3.1 定義 7
1.3.2 起源、趨勢與挑戰(zhàn) 8
1.4 發(fā)展與現(xiàn)狀 10
1.5 本章小結 15
參考文獻 16
第2章 硅基光電子學基本理論 21
2.1 光子光學 21
2.1.1 光子及其特性 21
2.1.2 光子的偏振 23
2，1.3 光子動量 25
2.1.4 光子能量和位置 26
2.1.5 光子的干涉 27
2.1.6 光子的時域特性 28
2.1.7 小結 29
2.2 半導體能帶結構 30
2.2.1 能帶和載流子 30
2.2.2 載流子濃度 34
2.2.3 載流子的產(chǎn)生、復合和注入 40
2.2.4 p-n結 43
2.3 硅基光子晶體帶隙結構 52
2.3.1 光子晶體的帶隙 54
2.3.2 硅基環(huán)形光子晶體的帶隙增強 58
2.3.3 光子晶體摻雜 63
2.3.4 小結 64
2.4 硅中光子與載流子的相互作用 65
2.4.1 帶間吸收和發(fā)射 67
2.4.2 吸收和發(fā)射速率 71
2.4.3 折射率 76
2.5 本章小結 77
參考文獻 78
第3章 硅基光波導 80
3.1 電磁理論基礎 80
3.1.1 電磁場基本方程 80
3.1.2 各向同性媒質(zhì)中的平面電磁波 85
3.1.3 各向異性媒質(zhì)巾的平面電磁波 89
3.2 光波導基本理論 93
3.2.1 平板波導理論 94
3.2.2 矩形波導理論 99
3.3 波導耦合理論 103
3.3.1 橫向弱耦合理論 103
3.3.2 不考慮輸入角度的縱向耦合理論 106
3.3.3 考慮光束傳輸角度的波導空間耦合理論 107
3.4 絕緣體上硅光波導 108
3.4.1 SOI材料制備工藝與SOI光波導 109
3.4.2 SOI光波導器件 110
3.5 本章小結 112
參考文獻 112
第4章 硅基光無源器件 115
4.1 光柵器件 115
4.1.1 布拉格條件 1 15
4.1.2 二元閃耀光柵 1 16
4.1.3 光柵器件的應用 118
4.2 光子晶體波導器件 120
4.2.1 光子晶體基本概念 120
4.2.2 光子晶體平板 121
4.2.3 光子晶體平板波導 122
4.2.4 光子晶體波導器件 123
4.3 光耦合器 126
4.3.1 多模干涉耦合器 126
4.3.2 多模干涉耦合器的應用 128
4.3.3 定向耦合器 129
4.4 陣列波導光柵 130
4.4.1 陣列波導光柵基本概念 130
4，4.2 AWG設計原理 130
4.4.3 AWG應用 134
4.5 微環(huán)諧振腔 135
4.5.1 微環(huán)諧振腔的基本概念 135
4.5.2 微環(huán)諧振腔模型 136
4.5.3 基于微環(huán)諧振腔的光集成器件 139
4.6 偏振調(diào)控器件 142
4.6.1 偏振分束器 142
4.6.2 偏振旋轉(zhuǎn)器與偏振旋轉(zhuǎn)分束器 145
4.7 本章小結 148
參考文獻 148
第5章 硅基光源 156
5.1 光發(fā)射基礎理論 156
5.1.1 光輻射理論 156
5.1.2 光放人和增益 159
5.1.3 激光器原理 161
5.2 硅放大的限制 163
5.2.1 硅的間接帶隙 163
5.2.2 硅的俄歇復合和自由載流子吸收 164
5.3 硅基發(fā)光材料 164
5.3.1 摻鉺材料 164
5.3.2 硅上III-V族半導體材料 168
5.3.3 鍺硅材料 171
5.4 硅基光波導放大器 173
5.4.1 摻鉺光波導放大器 174
5.4.2 硅基In-v族半導體光放大器 176
5.5 硅基激光器 178
5.5.1 硅基摻鉺激光器 178
5.5.2 硅基III-V族半導體激光器 1 79
5，5.3 鍺硅激光器 1 82
5.5.4 納米結構硅激光器 185
5.5.5 硅基拉曼激光器 185
5.6 本章小結 186
參考文獻 187
第6章 硅基光學調(diào)制 191
6.1 光學調(diào)制原理 191
6.1.1 電光調(diào)制 191
6.1.2 熱光調(diào)制 192
6.1.3 聲光調(diào)制 192
6.2 光學調(diào)制評價 193
6.2.1 調(diào)制帶寬 193
6.2.2 調(diào)制深度 193
6.2.3 插入損耗 193
6.2.4 比特能耗 194
6.2.5 調(diào)制器幾何尺度 194
6.2.6 光學帶寬 194
6.2.7 溫度和工藝的敏感度 194
6.3 硅基電光調(diào)制 194
6.3.1 硅的光吸收及電光效應 195
6.3.2 硅基電光調(diào)制機理 197
6.3.3 硅基電光調(diào)制器 201
6.3.4 硅基微環(huán)電光調(diào)制器 206
6.4 硅基熱光調(diào)制 214
6.4.1 硅基熱光調(diào)制原理和結構 214
6.4.2 主要性能指標 216
6.4.3 熱光調(diào)制研究進展 217
6.4.4 小結 219
6.5 硅基聲光調(diào)制 219
6.5.1 聲光調(diào)制原理 219
6.5.2 硅基聲光調(diào)制器結構參數(shù)及性能指標 222
6.5.3 聲光調(diào)制研究進展 223
6.5.4 小結 226
6.6 本章小結 226
參考文獻 226
第7章 硅基光電探測 230
7.1 光電探測的基本原理 230
7.1.1 半導體材料對光信號的吸收 230
7.1.2 光電探測的基本原理 232
7.2 光電探測的特性和結構 233
7.2.1 光電探測的特征參數(shù) 233
7.2.2 PN光電二極管 236
7.2.3 PIN光電探測器 237
7.2.4 雪崩光電探測器 238
7.2.5 MSM光電探測器 239
7.3 體硅光電探測器 241
7.4 鍺硅光電探測器 244
7.4.1 鍺硅材料的基本物理特性 244
7.4.2 鍺硅波導光電探測器 245
7.5 新型硅基光電探測器 252
7.5.1 硅基-二維材料探測器 252
7.5.2 砬基-III-V探測器 253
7.6 本章小結 255
參考文獻 255
第8章 硅基表面等離激元 259
8.1 表面等離激元概述 259
8.2 表面等離激元基本特性 260
8.2.1 金屬的光學特性 260
8.2.2 表而等離激元色散關系 262
8.2.3 表面等離激元特征尺寸 266
8.2.4 表面等離激元局域場增強特性 268
8.3 表面等離激元器件 270
8.3.1 表面等離激元源 270
8.3.2 表面等離激元波導 273
8.3.3 表面等離激元偏振調(diào)控器件 277
8.3.4 表而等離激元模式復用器件 282
8.3.5 表面等離激元調(diào)制器 283
8.4 本章小結 285
參考文獻 286
第9章 硅基非線性光學效應 290
9.1 硅基非線性光學簡介 290
9.2 非線性效應基礎理論 291
9.2.1 極化強度、極化率和非線性折射率 291
9.2.2 色散特性 292
9.2.3 麥克斯韋方程組 293
9.2.4 光脈沖傳輸方程 293
9.2.5 Lugiato-Lefever方程 294
9.2.6 克爾效應 295
9.2.7 受激拉曼散射 297
9.2.8 受激布里淵散射 298
9.3 常見硅基非線性材料特性 298
9.4 硅基非線性效應的應用 299
9.4.1 克爾效應在硅基波導中的應用 300
9.4.2 克爾效應在硅基微環(huán)諧振腔中的應用 304
9.4.3 控曼放大及拉曼激光 309
9.4.4 布里淵放大及布里淵激光 310
9.5 本章小結 310
參考文獻 311
第10章 硅基光電子器件工藝及系統(tǒng)集成 318
10.1 硅基光電子工藝特殊性及難點 318
10.2 從研發(fā)到人規(guī)模生產(chǎn) 321
10.2.1 硅基光電子工藝模式 321
10.2.2 成本分析 323
10.3 硅基光電子工藝開發(fā) 324
10.3.1 硅基光電子工藝要求 324
10.3.2 硅基光電子工藝流程 329
10.3.3 硅基光電子器件及工藝 333
10.3.4 版圖處理及檢查 350
10.3.5 工藝設計開發(fā)包 352
10.4 系統(tǒng)集成 353
10.4.1 多材料集成 353
10.4.2 光電集成 355
10.4.3 系統(tǒng)集成發(fā)展 356
10.5 本章小結 356
參考文獻 357
第二部分 應用篇
第11章 硅基光通信和光互連 361
11.1 背景及概述 361
11.1.1 光通信和光互連應用背景 361
11.1.2 硅基光電器件用于光通信和光互連意義 362
11.2 硅基光發(fā)射、復用和光接收 363
11.2.1 硅基光發(fā)射芯片 364
11.2.2 硅基光接收芯片 366
11.2.3 硅基多維復用技術及芯片 367
11.3 硅基相干光通信 372
11.3.1 先進調(diào)制及相干光接收技術 372
11.3.2 硅基高速相干光傳輸芯片 375
11.4 硅基光接入和無線光通信 377
11.4.1 用于二光接入網(wǎng)的硅基芯片 377
11.4.2 周于無線光通信的硅基芯片 378
11.5 硅基數(shù)據(jù)中心和計算機光互連 380
11.5.1 數(shù)據(jù)中心光互連芯片 380
11.5.2 片間及片上光電互連芯片 383
11.5.3 光電集成微系統(tǒng) 386
11.6 本章小結 387
參考文獻 388
第12章 硅基光交換 393
12.1 硅基光交換的研究及產(chǎn)業(yè)背景 393
12.1.1 光交換背景介紹 393
12.1.2 硅基光交換介紹 395
12.2 硅基光交換研究 400
12.2.1 光交換網(wǎng)絡與硅光 400
12.2.2 硅基光交換研究分類及優(yōu)缺點 402
12.3 硅基光交換單元器件研究關鍵技術 404
12.3.1 低損耗波導技術 405
12.3.2 相位訓節(jié)等開關基本動作控制器件 406
12.3.3 功率合束／分束器 407
12.3.4 交叉波導 407
12.3.5 偏振無關設計 408
12.3.6 光纖耦合器件 412
12.4 控制與封裝 414
12.4.1 電學信號控制技術 4