硅基光电子学是作者遵循半导体科学和信息科学的发展规律，在微电子、光电子、光通信领域数十年教学科研成果的总结。本书分为基础篇和应用篇。基础篇由第1章~第10章组成，包括绪论、硅基光电子学基本理论、硅基光波导、硅基光无源器件、硅基光源、硅基光学调制、硅基光电探测、硅基表面等离激元、硅基非线性光学效应、硅基光电子器件工艺及系统集成等。应用篇由第11章~第18章组成，包括硅基光通信和光互连、硅基光交换、硅基光电计算、硅基图像传感、硅基片上激光雷达、硅基光电生物传感、硅基光信号处理、硅基光电子芯片的设计与仿真等。
样章试读
目录
- 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 414
12.4.2 光学电学封装技术 415
12.5 测试与表征 419
12.5.1 电学测试 419
12.5.2 光学测试 421
12.5.3 规模阵列器件测试 424
12.6 本章小结 425
参考文献 426
第13章 硅基光电计算 430
13.1 光计算的发展历程 430
13.1.1 微电子摩尔定律趋于失效 430
13.1.2 光计算的兴起 432
13.1.3 硅基光电计算 433
13.2 光电计算的器件基础 434
13.2.1 集成马赫-曾德尔干涉仪 434
13.2.2 级联酉矩阵光电网络 435
13.3 深度学习芯片 437
13.3.1 人工神经网络与矩阵乘法 437
13.3.2 光电计算的算力与能耗分析 439
13.3.3 卷积神经网络 440
13.4 硅基光量子信息处理 442
13.4.1 量子逻辑门基础 442
13.4.2 集成硅基光电量子逻辑门 443
13.4.3 人规模光电晕子信息处理芯片 445
13.5 本章小结 445
参考文献 447
第14章 硅基图像传感 449
14.1 CMOS图像传感器的基本原理 449
14.1.1 CMOS图像传感器的丰要结构 449
14.1.2 CMOS图像传感器中的光电探测半导体器件 450
14.1.3 CMOS图像传感器的基本像素结构 451
14.1.4 CMOS图像传感器曝光方式 454
14.2 CMOS图像传感器的基本评价指标 457
14.2.1 量子效率 457
14.2.2 噪声 458
14.2.3 转换增益 459
14.2.4 满阱容量及动态范围 460
14.2.5 灵敏度 460
14.3 CMOS图像传感器的读出电路 461
14.3.1 模拟前端处理电路 461
14.3.2 CMOS图像传感器中模数转换器类型 462
14.3.3 CMOS图像传感器中主要列并行模数转换器 463
14.3.4 数字相关双采样及相关多采样 465
14.4 CMOS图像传感器的最新进展 468
14.4.1 量子图像传感器 468
14.4.2 动态视觉图像传感器 469
14.4.3 ToF图像传感器 470
14.5 本章小结 471
参考文献 471
第15章 硅基片上激光雷达 473
15.1 硅基片上激光雷达分类 473
15.1.1 非扫描激光雷达 475
15.1.2 固态扫描激光雷达 476
15.1.3 微机械扫描激光雷达 476
15.2 硅基片上激光雷达构成 477
15.2.1 整体系统考虑 477
15.2.2 关键性能指标 478
15.2.3 芯片集成平台 479
15.2.4 激光测距和成像 480
15.3 测距实现方式 48 1
15.3.1 脉冲制式 481
15.3.2 调幅连续波制式 482
15.3.3 调频连续波制式 483
15.4 波束调控方式 488
15.4.1 相控阵波束调控 488
15.4.2 相控阵理论分析 490
15.4.3 光路选通波束调控 493
15.4.4 光学发射天线 494
15.4.5 典型实例介绍 497
15.5 硅基光源和探测 500
15.5.1 硅基外腔激光器 500
15.5.2 硅基相干探测 501
15.6 硅基光电集成 503
15.7 本章小结 505
参考文献 505
第16章 硅基光电生物传感 507
16.1 概述 507
16.2 基于折射率变化的硅基生物传感 509
16.2.1 干涉型生物传感 510
16.2.2 微环谐振型生物传感 512
16.2.3 有拉格光栅型生物传感 513
16.2.4 提高传感性能的方法 5 14
16.3 基于荧光技术的硅基生物传感 517
16.3.1 片上荧光激发和收集 517
16.3.2 片上超分辨荧光显微技术 519
16.3.3 片上单分子荧光检测 523
16.4 基于拉曼技术的硅基生物传感 525
16.4.1 片上自发拉曼和受激拉曼散射 525
16.4.2 片上表面增强拉曼散射 526
16.4.3 片上单分子拉曼检测 528
16.5 全集成发展趋势 529
16.6 本章小结 531
参考文献 532
第17章 硅基光信号处理 534
17.1 时域信号处理 534
17.1.1 信号延迟 534
17.1.2 信号微分 537
17.1.3 信号积分 539
17.1.4 希尔伯特变换 541
17.2 频域信号处理 544
17.3 本章小结 548
参考文献 548
第18章 硅基光电子芯片的设计与仿真 552
18.1 概述 552
18.2 硅基光电子工艺设计包 554
18.2.1 硅基光电子工艺设计包概述 554
18.2.2 器件设计 554
18.2.3 设计库 560
18.3 硅基光电子芯片设计流程 564
18.3.1 版图驱动的设计流程 564
18.3.2 原理图驱动的设计流程 571
18.3.3 更具前瞻性的光电混合仿真 573
18.4 本章小结 575
参考文献 575
京公网安备 11010102004214号