集成光電子器件及設(shè)計(jì)課件

浙江大學(xué)光電信息系1集成光電子器件及設(shè)計(jì)

第一章概論浙江大學(xué)光電信息系集成光電子器件及設(shè)計(jì)第一章2IC+Laser(andmuchmore)onachip=IntegratedPhotonicsIntel2010CharlesH.Townes(NobelPrizeinPhysics1964)ArthurLeonardSchawlow(NobelPrizeinPhysics1981)2023/6/93半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)Allopticalnetworking2023/6/94硅上的三維光電集成PhotonicwaferIII-VmicrolasermicroheaterwaveguidesBCBtransistorsmetalinterconnectsBCBCMOSwaferTSVE.Beyneetal.ICICDT(2007)TSV：ThroughSiliconVias(通孔)浙江大學(xué)光電信息系集成光電子器件及設(shè)計(jì)第一章5Intel公司報(bào)道了基于硅基混合激光器光源的四通道CWDM收發(fā)模塊浙江大學(xué)光電信息系集成光電子器件及設(shè)計(jì)第一章61.1課程簡(jiǎn)介2學(xué)分（1.5-1）：24學(xué)時(shí)的理論授課，16學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)操作夏季學(xué)期共8周的課程安排考試時(shí)間：2015年7月8日

10:30-12:30浙江大學(xué)光電信息系集成光電子器件及設(shè)計(jì)第一章7教學(xué)目的與基本要求使學(xué)生對(duì)“集成光電子器件”的基礎(chǔ)理論、器件原理以及制作工藝流程等有比較全面的了解，對(duì)光波導(dǎo)理論、耦合模理論有較深的理解。掌握典型的集成光電子器件的工作原理、基本結(jié)構(gòu)及應(yīng)用。結(jié)合國(guó)際上這一領(lǐng)域的最新進(jìn)展，激發(fā)學(xué)生對(duì)該領(lǐng)域相關(guān)方向的興趣，培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題的能力和思維方式。浙江大學(xué)光電信息系集成光電子器件及設(shè)計(jì)第一章8主要內(nèi)容及學(xué)時(shí)分配概述(1學(xué)時(shí))（5月12日）平面介質(zhì)光波導(dǎo)和耦合模理論(6學(xué)時(shí))

平面介質(zhì)光波導(dǎo)(2學(xué)時(shí))，耦合模理論(4學(xué)時(shí))晶體在外場(chǎng)作用下的光學(xué)性質(zhì)(2學(xué)時(shí))（5月12日）集成光無(wú)源器件(6學(xué)時(shí))

定向耦合器、Y分支功分器、馬赫－澤德干涉儀、陣列波導(dǎo)光柵等(2學(xué)時(shí))

電光集成器件、聲光集成器件、熱光開(kāi)關(guān)與調(diào)制器、磁光隔離器與環(huán)形器(4學(xué)時(shí))光有源器件導(dǎo)論與系統(tǒng)集成(3學(xué)時(shí))（5月19日）集成光學(xué)器件的材料(2學(xué)時(shí))集成光學(xué)器件的主要制作工藝及平面介質(zhì)光波導(dǎo)參量測(cè)試(3學(xué)時(shí))集成光電子器件的最新進(jìn)展(1學(xué)時(shí))課程實(shí)驗(yàn)初步安排實(shí)驗(yàn)一：馬赫曾德光調(diào)制器的BPM仿真（第四、五周的三個(gè)時(shí)間段，每個(gè)時(shí)間段2小時(shí)，20-25人/時(shí)間段）實(shí)驗(yàn)三：Y分支功分器測(cè)試實(shí)驗(yàn)5人/組（第六、七周的五個(gè)時(shí)間段，每個(gè)時(shí)間段半天，25人/時(shí)間段）實(shí)驗(yàn)二：微環(huán)諧振腔的FDTD仿真（第四、五周的三個(gè)時(shí)間段）實(shí)驗(yàn)四：光波導(dǎo)器件制作流程（Video)浙江大學(xué)光電信息系10大型課程設(shè)計(jì)作業(yè)一種硅波導(dǎo)模式復(fù)用器研究，要求：通過(guò)文獻(xiàn)閱讀和調(diào)研，提出一種硅納米線波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)模式復(fù)用的硅波導(dǎo)模式復(fù)用器（Mode(de)multiplexer)的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)方法；完成該器件的優(yōu)化設(shè)計(jì)與分析；實(shí)現(xiàn)兩個(gè)通道以上復(fù)用，同時(shí)給出其工作帶寬、損耗、消光比等。提交論文報(bào)告。參考文獻(xiàn)：《微納光子集成》何賽靈，戴道鋅.科學(xué)出版社《光波導(dǎo)模式理論》馬春生，劉式墉吉林大學(xué)出版社《硅光子學(xué)》余金中主編，科學(xué)出版社D.Dai,J.Wang,andS.He.SiliconMultimodePhotonicIntegratedDevicesforon-ChipMode-Division-MultiplexedOpticalInterconnects,ProgressInElectromagneticsResearch,143,773-819,2013.

浙江大學(xué)光電信息系集成光電子器件及設(shè)計(jì)第一章11浙江大學(xué)光電信息系集成光電子器件及設(shè)計(jì)第一章12浙江大學(xué)光電信息系集成光電子器件及設(shè)計(jì)第一章13教材與參考文獻(xiàn)教材：《集成光學(xué)》唐天同、王兆宏著，科學(xué)出版社，2005年8月(第一版)參考書(shū)：《半導(dǎo)體導(dǎo)波光學(xué)器件理論及技術(shù)》，趙策洲，國(guó)防工業(yè)出版社。IntegratedOptics:TheoryandTechnology,RobertG.Hunsperger(SixthEdition),Springer,2009《光集成器件》，小林功郎著，科學(xué)出版社，2002《集成光學(xué)》，T.塔米爾主編，科學(xué)出版社，1982課程網(wǎng)站：/IntOpt/浙江大學(xué)光電信息系集成光電子器件及設(shè)計(jì)第一章14上課、作業(yè)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告、考試上課：早起（不睡懶覺(jué)），認(rèn)真聽(tīng)講，歡迎提問(wèn)與質(zhì)疑，及時(shí)復(fù)習(xí)。作業(yè)：課堂布置，必須獨(dú)立完成，及時(shí)上交，每次作業(yè)均有分?jǐn)?shù)，計(jì)入含有一定比例的平時(shí)成績(jī)。實(shí)驗(yàn)報(bào)告：包括相關(guān)課題的背景描述，實(shí)驗(yàn)原理，實(shí)驗(yàn)過(guò)程設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果，結(jié)論與結(jié)果討論等，是一份自己親身參與的研究報(bào)告。成績(jī)按一定比例計(jì)入總成績(jī)?？荚嚕洪]卷，多種題型，避免死記硬背，要求掌握基本物理，能夠?qū)χR(shí)融會(huì)貫通、靈活運(yùn)用。浙江大學(xué)光電信息系集成光電子器件及設(shè)計(jì)第一章151.2集成光學(xué)的概念與特點(diǎn)集成光學(xué)是在光電子學(xué)和微電子學(xué)基礎(chǔ)上，采用集成方法研究和發(fā)展光學(xué)器件和混合光學(xué)-電子學(xué)系統(tǒng)的學(xué)科。傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)體積大、穩(wěn)定性差、光束準(zhǔn)直困難，不能適應(yīng)光電子技術(shù)發(fā)展的需要。采用類似于半導(dǎo)體集成電路的方法，把光學(xué)元件以薄膜形式集成在同一襯底上的集成光路，器件體積小、性能可靠、效率高、功耗低，使用方便。與微電子系統(tǒng)相比，光集成采用集成光路替代集成電路，用光纖或介質(zhì)平面光波導(dǎo)代替電線或同軸電纜；具有傳輸帶寬更寬，光子運(yùn)動(dòng)速度更快，可實(shí)現(xiàn)波分復(fù)用等優(yōu)點(diǎn)。浙江大學(xué)光電信息系集成光電子器件及設(shè)計(jì)第一章161.集成光學(xué)的理論平面介質(zhì)光波導(dǎo)理論

建立在麥克斯韋方程組基礎(chǔ)上的媒質(zhì)波導(dǎo)電磁理論；從射線光學(xué)角度，建立了鋸齒波模型的波導(dǎo)理論。耦合模理論耦合模的微擾理論，將耦合系統(tǒng)看作一個(gè)受到某種微擾的理想波導(dǎo)。浙江大學(xué)光電信息系集成光電子器件及設(shè)計(jì)第一章172.集成光學(xué)的材料光波導(dǎo)材料：具有與襯底、覆蓋層匹配的折射率及厚度，易于使用擴(kuò)散與離子交換等方法調(diào)控材料的折射率；在工作波長(zhǎng)范圍內(nèi)極小的傳輸損耗(<1dB/cm)。激光器、放大器與探測(cè)器材料：載流子遷移率高（高頻、高速）、材料與襯底晶格匹配、半導(dǎo)體帶隙符合波長(zhǎng)的要求、成分易于調(diào)控（摻雜、固溶）等。調(diào)制器、開(kāi)關(guān)、隔離器材料：物理效應(yīng)明顯（電光、聲光、磁光、非線性等），有較強(qiáng)的調(diào)制能力及快速的調(diào)制響應(yīng)。材料在工藝上便于成膜和器件制作與集成；在外界各種工作環(huán)境下具有長(zhǎng)期穩(wěn)定工作的性能。常用的集成光學(xué)材料有玻璃、半導(dǎo)體、有機(jī)材料以及鐵電體等。浙江大學(xué)光電信息系集成光電子器件及設(shè)計(jì)第一章183.集成光學(xué)的制備工藝工藝技術(shù)主要涉及成膜與微細(xì)圖形加工。采用外延、質(zhì)子轟擊、離子注入、固態(tài)擴(kuò)散、離子交換、高頻濺射、真空蒸發(fā)、等離子聚合等作為成膜工藝采用光刻、電子束曝光、全息曝光、同步輻射、光鎖定、化學(xué)刻蝕、濺射刻蝕(離子銑)、反應(yīng)離子刻蝕作為微細(xì)圖形加工技術(shù)。另外，高速脈沖技術(shù)，則是測(cè)試及在應(yīng)用中不可缺少的手段。

浙江大學(xué)光電信息系集成光電子器件及設(shè)計(jì)第一章194.集成光學(xué)器件對(duì)光波具有振蕩、放大和光電轉(zhuǎn)換等功能的有源器件。半導(dǎo)體激光器、半導(dǎo)體光放大器、集成光探測(cè)器集成光無(wú)源器件光波導(dǎo)、薄膜透鏡、光開(kāi)關(guān)、調(diào)制器、隔離器、環(huán)形器等光互聯(lián)的發(fā)展洲際互聯(lián)（海底光纜）城際互聯(lián)光纖到戶機(jī)柜互聯(lián)片間互聯(lián)片上光互聯(lián)20Copperwiresreachingphysicallimits~10GbpsorhigherbecomingchallengingDistance/speedtradeoffshortenslengthsOr,TransmitdataoveropticalfiberMuchfurtherreachatanygivenspeedMultiplesignalscantravelononefiberThin&light=easycablemanagementIntelroadmapfortickyear22nm14nm10nm7nm5nm2011 2013 2015+INPRODUCTIONINDEVELOPMENTINRESEARCHLithography,Materials,Interconnect…..21浙江大學(xué)光電信息系集成光電子器件及設(shè)計(jì)第一章22Intel公司報(bào)道了基于硅基混合激光器光源的四通道CWDM收發(fā)模塊浙江大學(xué)光電信息系集成光電子器件及設(shè)計(jì)第一章23目前，Thunderbolt連接技術(shù)可以提供10Gbps的傳輸速度，也是當(dāng)前最快的連接技術(shù)。不過(guò)Intel的研究人員表示，Intel公司目前正在研發(fā)一項(xiàng)新的連接技術(shù)，該技術(shù)將采用全新的傳輸協(xié)議及硅光技術(shù)，其速度可達(dá)50Gbps，5倍于Thunderbolt。這項(xiàng)新的連接技術(shù)使用的是硅光子學(xué)原理，將硅元件和光學(xué)記憶芯片組合在一起，可以用高達(dá)50Gbps的速度在100米的距離內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)。Intel預(yù)計(jì)這項(xiàng)技術(shù)將在2015年公布。2011MacBookPro2012MacBookPro浙江大學(xué)光電信息系