硅基光电子学

目录
前言
第一部分 基础篇
第1章 绪论 2
1.1 电子、光子、芯片 2
1.2 从微电子到光电子 3
1.2.1 微电子所面临的挑战 3
1.2.2 集成光路的困难 4
1.2.3 光电子集成 5
1.3 硅基光电子学的起源 7
1.3.1 定义 7
1.3.2 起源、趋势与挑战 8
1.4 发展与现状 10
1.5 本章小结 15
参考文献 16
第2章 硅基光电子学基本理论 21
2.1 光子光学 21
2.1.1 光子及其特性 21
2.1.2 光子的偏振 23
2，1.3 光子动量 25
2.1.4 光子能量和位置 26
2.1.5 光子的干涉 27
2.1.6 光子的时域特性 28
2.1.7 小结 29
2.2 半导体能带结构 30
2.2.1 能带和载流子 30
2.2.2 载流子浓度 34
2.2.3 载流子的产生、复合和注入 40
2.2.4 p-n结 43
2.3 硅基光子晶体带隙结构 52
2.3.1 光子晶体的带隙 54
2.3.2 硅基环形光子晶体的带隙增强 58
2.3.3 光子晶体掺杂 63
2.3.4 小结 64
2.4 硅中光子与载流子的相互作用 65
2.4.1 带间吸收和发射 67
2.4.2 吸收和发射速率 71
2.4.3 折射率 76
2.5 本章小结 77
参考文献 78
第3章 硅基光波导 80
3.1 电磁理论基础 80
3.1.1 电磁场基本方程 80
3.1.2 各向同性媒质中的平面电磁波 85
3.1.3 各向异性媒质巾的平面电磁波 89
3.2 光波导基本理论 93
3.2.1 平板波导理论 94
3.2.2 矩形波导理论 99
3.3 波导耦合理论 103
3.3.1 横向弱耦合理论 103
3.3.2 不考虑输入角度的纵向耦合理论 106
3.3.3 考虑光束传输角度的波导空间耦合理论 107
3.4 绝缘体上硅光波导 108
3.4.1 SOI材料制备工艺与SOI光波导 109
3.4.2 SOI光波导器件 110
3.5 本章小结 112
参考文献 112
第4章 硅基光无源器件 115
4.1 光栅器件 115
4.1.1 布拉格条件 1 15
4.1.2 二元闪耀光栅 1 16
4.1.3 光栅器件的应用 118
4.2 光子晶体波导器件 120
4.2.1 光子晶体基本概念 120
4.2.2 光子晶体平板 121
4.2.3 光子晶体平板波导 122
4.2.4 光子晶体波导器件 123
4.3 光耦合器 126
4.3.1 多模干涉耦合器 126
4.3.2 多模干涉耦合器的应用 128
4.3.3 定向耦合器 129
4.4 阵列波导光栅 130
4.4.1 阵列波导光栅基本概念 130
4，4.2 AWG设计原理 130
4.4.3 AWG应用 134
4.5 微环谐振腔 135
4.5.1 微环谐振腔的基本概念 135
4.5.2 微环谐振腔模型 136
4.5.3 基于微环谐振腔的光集成器件 139
4.6 偏振调控器件 142
4.6.1 偏振分束器 142
4.6.2 偏振旋转器与偏振旋转分束器 145
4.7 本章小结 148
参考文献 148
第5章 硅基光源 156
5.1 光发射基础理论 156
5.1.1 光辐射理论 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 硅的间接带隙 163
5.2.2 硅的俄歇复合和自由载流子吸收 164
5.3 硅基发光材料 164
5.3.1 掺铒材料 164
5.3.2 硅上III-V族半导体材料 168
5.3.3 锗硅材料 171
5.4 硅基光波导放大器 173
5.4.1 掺铒光波导放大器 174
5.4.2 硅基In-v族半导体光放大器 176
5.5 硅基激光器 178
5.5.1 硅基掺铒激光器 178
5.5.2 硅基III-V族半导体激光器 1 79
5，5.3 锗硅激光器 1 82
5.5.4 纳米结构硅激光器 185
5.5.5 硅基拉曼激光器 185
5.6 本章小结 186
参考文献 187
第6章 硅基光学调制 191
6.1 光学调制原理 191
6.1.1 电光调制 191
6.1.2 热光调制 192
6.1.3 声光调制 192
6.2 光学调制评价 193
6.2.1 调制带宽 193
6.2.2 调制深度 193
6.2.3 插入损耗 193
6.2.4 比特能耗 194
6.2.5 调制器几何尺度 194
6.2.6 光学带宽 194
6.2.7 温度和工艺的敏感度 194
6.3 硅基电光调制 194
6.3.1 硅的光吸收及电光效应 195
6.3.2 硅基电光调制机理 197
6.3.3 硅基电光调制器 201
6.3.4 硅基微环电光调制器 206
6.4 硅基热光调制 214
6.4.1 硅基热光调制原理和结构 214
6.4.2 主要性能指标 216
6.4.3 热光调制研究进展 217
6.4.4 小结 219
6.5 硅基声光调制 219
6.5.1 声光调制原理 219
6.5.2 硅基声光调制器结构参数及性能指标 222
6.5.3 声光调制研究进展 223
6.5.4 小结 226
6.6 本章小结 226
参考文献 226
第7章 硅基光电探测 230
7.1 光电探测的基本原理 230
7.1.1 半导体材料对光信号的吸收 230
7.1.2 光电探测的基本原理 232
7.2 光电探测的特性和结构 233
7.2.1 光电探测的特征参数 233
7.2.2 PN光电二极管 236
7.2.3 PIN光电探测器 237
7.2.4 雪崩光电探测器 238
7.2.5 MSM光电探测器 239
7.3 体硅光电探测器 241
7.4 锗硅光电探测器 244
7.4.1 锗硅材料的基本物理特性 244
7.4.2 锗硅波导光电探测器 245
7.5 新型硅基光电探测器 252
7.5.1 硅基-二维材料探测器 252
7.5.2 砬基-III-V探测器 253
7.6 本章小结 255
参考文献 255
第8章 硅基表面等离激元 259
8.1 表面等离激元概述 259
8.2 表面等离激元基本特性 260
8.2.1 金属的光学特性 260
8.2.2 表而等离激元色散关系 262
8.2.3 表面等离激元特征尺寸 266
8.2.4 表面等离激元局域场增强特性 268
8.3 表面等离激元器件 270
8.3.1 表面等离激元源 270
8.3.2 表面等离激元波导 273
8.3.3 表面等离激元偏振调控器件 277
8.3.4 表而等离激元模式复用器件 282
8.3.5 表面等离激元调制器 283
8.4 本章小结 285
参考文献 286
第9章 硅基非线性光学效应 290
9.1 硅基非线性光学简介 290
9.2 非线性效应基础理论 291
9.2.1 极化强度、极化率和非线性折射率 291
9.2.2 色散特性 292
9.2.3 麦克斯韦方程组 293
9.2.4 光脉冲传输方程 293
9.2.5 Lugiato-Lefever方程 294
9.2.6 克尔效应 295
9.2.7 受激拉曼散射 297
9.2.8 受激布里渊散射 298
9.3 常见硅基非线性材料特性 298
9.4 硅基非线性效应的应用 299
9.4.1 克尔效应在硅基波导中的应用 300
9.4.2 克尔效应在硅基微环谐振腔中的应用 304
9.4.3 控曼放大及拉曼激光 309
9.4.4 布里渊放大及布里渊激光 310
9.5 本章小结 310
参考文献 311
第10章 硅基光电子器件工艺及系统集成 318
10.1 硅基光电子工艺特殊性及难点 318
10.2 从研发到人规模生产 321
10.2.1 硅基光电子工艺模式 321
10.2.2 成本分析 323
10.3 硅基光电子工艺开发 324
10.3.1 硅基光电子工艺要求 324
10.3.2 硅基光电子工艺流程 329
10.3.3 硅基光电子器件及工艺 333
10.3.4 版图处理及检查 350
10.3.5 工艺设计开发包 352
10.4 系统集成 353
10.4.1 多材料集成 353
10.4.2 光电集成 355
10.4.3 系统集成发展 356
10.5 本章小结 356
参考文献 357
第二部分 应用篇
第11章 硅基光通信和光互连 361
11.1 背景及概述 361
11.1.1 光通信和光互连应用背景 361
11.1.2 硅基光电器件用于光通信和光互连意义 362
11.2 硅基光发射、复用和光接收 363
11.2.1 硅基光发射芯片 364
11.2.2 硅基光接收芯片 366
11.2.3 硅基多维复用技术及芯片 367
11.3 硅基相干光通信 372
11.3.1 先进调制及相干光接收技术 372
11.3.2 硅基高速相干光传输芯片 375
11.4 硅基光接入和无线光通信 377
11.4.1 用于二光接入网的硅基芯片 377
11.4.2 周于无线光通信的硅基芯片 378
11.5 硅基数据中心和计算机光互连 380
11.5.1 数据中心光互连芯片 380
11.5.2 片间及片上光电互连芯片 383
11.5.3 光电集成微系统 386
11.6 本章小结 387
参考文献 388
第12章 硅基光交换 393
12.1 硅基光交换的研究及产业背景 393
12.1.1 光交换背景介绍 393
12.1.2 硅基光交换介绍 395
12.2 硅基光交换研究 400
12.2.1 光交换网络与硅光 400
12.2.2 硅基光交换研究分类及优缺点 402
12.3 硅基光交换单元器件研究关键技术 404
12.3.1 低损耗波导技术 405
12.3.2 相位训节等开关基本动作控制器件 406
12.3.3 功率合束／分束器 407
12.3.4 交叉波导 407
12.3.5 偏振无关设计 408
12.3.6 光纤耦合器件 412
12.4 控制与封装 414
12.4.1 电学信号控制技术 4