1、浙江大学光电信息系1集成光电子器件及设计 第一章第一章 概论概论浙江大学光电信息系集成光电子器件及设计第一章2IC+Laser (and much more) on a chip=Integrated PhotonicsIntel 2010Charles H. Townes(Nobel Prize in Physics 1964) Arthur Leonard Schawlow(Nobel Prize in Physics 1981)2022-6-43半导体技术的发展趋势All optical networking2022-6-44硅上的三维光电集成PhotonicwaferIII-V mic
2、rolasermicroheaterwaveguidesBCBtransistorsmetal interconnectsBCBCMOSwaferTSVE. Beyne et al. ICICDT (2007)TSV：Through Silicon Vias(通孔)浙江大学光电信息系集成光电子器件及设计第一章5Intel公司报道了基于硅基混合激光器光源的四通道CWDM收发模块浙江大学光电信息系集成光电子器件及设计第一章61.1 课程简介o2学分（1.5-1）：24学时的理论授课，16学时的实验操作o夏季学期共8周的课程安排o考试时间：2015年7月8日 10:30-12:30浙江大学光电信息系
3、集成光电子器件及设计第一章7教学目的与基本要求o使学生对“集成光电子器件”的基础理论基础理论、器件原理器件原理以及制作工制作工艺流程艺流程等有比较全面的了解，o对光波导理论光波导理论、耦合模理论耦合模理论有较深的理解。o掌握典型的集成光电子器件集成光电子器件的工作原理、基本结构及应用。o结合国际上这一领域的最新进展，激发学生对该领域相关方向的兴趣，培养学生分析问题的能力和思维方式。 浙江大学光电信息系集成光电子器件及设计第一章8主要内容及学时分配 o概述 (1学时)（5月12日）o平面介质光波导和耦合模理论(6学时) 平面介质光波导(2学时)，耦合模理论(4学时)o晶体在外场作用下的光学性质(
4、2学时)（5月12日）o集成光无源器件(6学时) 定向耦合器、Y分支功分器、马赫泽德干涉仪、阵列波导光栅等(2学时) 电光集成器件、声光集成器件、热光开关与调制器、磁光隔离器与环形器(4学时)o光有源器件导论与系统集成 (3学时)（5月19日）o集成光学器件的材料 (2学时)o集成光学器件的主要制作工艺及平面介质光波导参量测试 (3学时)o集成光电子器件的最新进展 (1学时)课程实验初步安排实验一：实验一：马赫曾德马赫曾德光光调制器调制器的的BPM仿真仿真 （第四、五周的三个时间段，每个时间段（第四、五周的三个时间段，每个时间段2小时，小时，20-25人人/时间段）时间段）实验三：实验三：Y分
5、支分支功分器功分器测试实验测试实验 5人人/组组（第六、七周的五个时间段，每个时间段半（第六、七周的五个时间段，每个时间段半天，天，25人人/时间段）时间段）实验二：微环谐振腔的实验二：微环谐振腔的FDTD仿真仿真（第四、五周的三个时间段）（第四、五周的三个时间段）实验四：光波导器件制作流程（实验四：光波导器件制作流程（Video)浙江大学光电信息系10大型课程设计作业大型课程设计作业一种一种硅波导模式复用器硅波导模式复用器研究，要求：研究，要求：1.通过文献阅读和调研，提出一种硅纳米线波导实现模式复用的硅波导模式复用器通过文献阅读和调研，提出一种硅纳米线波导实现模式复用的硅波导模式复用器（M
6、ode (de)multiplexer)的结构和设计方法；的结构和设计方法；2.完成该器件的完成该器件的优化设计与分析优化设计与分析；实现两个通道以上复用，同时给出其工作带宽、实现两个通道以上复用，同时给出其工作带宽、损耗、消光比等损耗、消光比等。3.提交论文报告。提交论文报告。参考文献：参考文献：微纳光子集成微纳光子集成 何赛灵，戴道锌何赛灵，戴道锌. 科学出版社科学出版社光波导模式理论光波导模式理论 马春生，刘式墉马春生，刘式墉 吉林大学出版社吉林大学出版社硅光子学硅光子学余金中主编，科学出版社余金中主编，科学出版社 D. Dai, J. Wang, and S. He. Silicon
7、Multimode Photonic Integrated Devices for on-Chip Mode-Division-Multiplexed Optical Interconnects, Progress In Electromagnetics Research, 143, 773-819, 2013. 浙江大学光电信息系集成光电子器件及设计第一章11浙江大学光电信息系集成光电子器件及设计第一章12浙江大学光电信息系集成光电子器件及设计第一章13教材与参考文献教材：o集成光学唐天同、王兆宏著，科学出版社，2005年8月(第一版)参考书：o半导体导波光学器件理论及技术，赵策洲，国防工业
8、出版社。oIntegrated Optics: Theory and Technology, Robert G. Hunsperger (Sixth Edition), Springer, 2009o光集成器件，小林功郎著，科学出版社，2002o集成光学，T.塔米尔主编，科学出版社，1982课程课程网站网站：http:/ -电子学电子学系统的学科。o传统光学系统体积大体积大、稳定性差稳定性差、光束准直困难光束准直困难，不能适应光电子技术发展的需要。采用类似于半导体集成电路的方法，把光学元件以薄膜形式薄膜形式集成在同一衬底上的集成光路，器件体积小、性能可靠、效率高、功耗低，使用方便。o与微电子系
9、统相比，光集成采用集成光路替代集成电路，用光纤或介质平面光波导代替电线或同轴电缆；具有传输带宽更宽，光传输带宽更宽，光子运动速度更快，可实现波分复用子运动速度更快，可实现波分复用等优点。浙江大学光电信息系集成光电子器件及设计第一章161.集成光学的理论o平面介质光波导理论光波导理论 建立在麦克斯韦方程组基础上的媒质波导电磁理论波导电磁理论；从射线光学角度，建立了锯齿波模型锯齿波模型的波导理论。 o耦合模理论耦合模理论 耦合模的微扰理论，将耦合系统看作一个受到某种微扰微扰的理想波导。浙江大学光电信息系集成光电子器件及设计第一章172.集成光学的材料o光波导材料：具有与衬底、覆盖层匹配的折射率及厚
10、度匹配的折射率及厚度，易于使用扩散与离子交换等方法调控材料的折射率；在工作波长范围内极小的传输损耗极小的传输损耗(1dB/cm)。o激光器、放大器与探测器材料：载流子迁移率高载流子迁移率高（高频、高速）、材料与衬底晶格匹配晶格匹配、半导体带隙符合波长的要求、成分易于调控成分易于调控（掺杂、固溶）等。o调制器、开关、隔离器材料：物理效应明显物理效应明显（电光、声光、磁光、非线性等），有较强的调制能力及快速快速的调制响应。o材料在工艺上便于成膜便于成膜和器件制作与集成；在外界各种工作环境下具有长期稳定工作的性能。o常用的集成光学材料有玻璃、半导体、有机材料以及铁电体等。 浙江大学光电信息系集成光电
11、子器件及设计第一章183. 集成光学的制备工艺o工艺技术主要涉及成膜成膜与微细图形加工微细图形加工。o采用外延、质子轰击、离子注入、固态扩散、离子交换、高频溅射、真空蒸发、等离子聚合等作为成膜工艺o采用光刻、电子束曝光、全息曝光、同步辐射、光锁定、化学刻蚀、溅射刻蚀(离子铣)、反应离子刻蚀作为微细图形加工技术。另外，高速脉冲技术，则是测试及在应用中不可缺少的手段。浙江大学光电信息系集成光电子器件及设计第一章194. 集成光学器件o 对光波具有振荡、放大和光电转换等功能的有源器件有源器件。 半导体激光器、半导体光放大器、集成光探测器o 集成光无源器件无源器件 光波导、薄膜透镜、光开关、调制器、隔
12、离器、环形器等光互联的发展光互联的发展洲际互联（海底光缆）城际互联光纤到户机柜互联片间互联片上光互联20Copper wires reaching physical limits 10Gbps or higher becoming challenging Distance/speed tradeoff shortens lengthsOr, Transmit data over optical fiber Much further reach at any given speed Multiple signals can travel on one fiber Thin & light = e
13、asy cable managementIntel roadmap for tick year 22 nm14 nm10 nm 7 nm 5 nm2011 20132015+IN PRODUCTION IN DEVELOPMENT IN RESEARCHLithography, Materials, Interconnect.21浙江大学光电信息系集成光电子器件及设计第一章22Intel公司报道了基于硅基混合激光器光源的四通道CWDM收发模块浙江大学光电信息系集成光电子器件及设计第一章23 目前，Thunderbolt连接技术可以提供10Gbps的传输速度，也是当前最快的连接技术。不过Inte
14、l的研究人员表示，Intel公司目前正在研发一项新的连接技术，该技术将采用全新的传输协议及硅光技术硅光技术，其速度可达50Gbps，5倍于Thunderbolt。 这项新的连接技术使用的是硅光子学原理硅光子学原理，将硅元件和光学记忆芯片组合在一起，可以用高达50Gbps的速度在100米的距离内传输数据。Intel预计这项技术将在2015年公布。2011 MacBook Pro2012 MacBook Pro浙江大学光电信息系集成光电子器件及设计第一章24 IBM公司发布了在芯片技术领域的最新突破历时10年研发的CMOS集成硅纳米光子学技术 该芯片技术将电子和光子纳米器件集成在一块硅芯片上，使计算机芯片之间通过光脉冲(而不是电子信号)进行通讯。 这一新技术的另一个优势在于它可在一个标准的芯片制造生产线上生产，不需要新的或者特殊的工具。 科学家有望据此研制出比传统芯片更小、更快、能耗更低的芯片，为亿亿次超级计算机的研发开辟道路。IBM发布硅纳米光子芯片技术发布硅纳米光子芯片技术
