(集成光电子学导论)绪论

1、( (集成光电子学导论集成光电子学导论) )绪绪论论什么是集成光电子学n在英语里集成光电子两个最普遍的称呼： -PLC（planar lightwave circuit） -OEIC（optical-electronic integrated circuit）集成光电子学不是光学应用的一个子方向，而是一种集成光电子学不是光学应用的一个子方向，而是一种全新的光学技术实现平台。也就是说将原有的尺寸大全新的光学技术实现平台。也就是说将原有的尺寸大的、空间的光电系统，用一个单片的，超紧凑的芯片的、空间的光电系统，用一个单片的，超紧凑的芯片实现，但功能不变。实现，但功能不变。一些例子n通过这些例子我们先

2、感性认识一下集成光电子学是研究什么的n特别注意理解一些基本概念斯坦福大学的集成显微镜便携式检测便携式检测Lab on a chip微损伤检测微损伤检测从下面的图片能对集成光电子有什么感性认识？为什么集成芯片越来越小？Intel为为Apple设计的新一代设计的新一代USB传输芯片，使用集成光互连技术，可实现传输芯片，使用集成光互连技术，可实现6.25 Gbit/s的数据传输速度的数据传输速度与现有USB电信号数据传输相比：USB 1.1 1.5Mbit/sUSB 2.0 60Mbit/s思考：为什么光互连芯片数据交换思考：为什么光互连芯片数据交换速度大幅提高？速度大幅提高？对这个例子的思考nUS

3、B1.1和和2.0是基于同轴电缆的电子传是基于同轴电缆的电子传输技术，而输技术，而Intel新开发的新开发的USB设备基于设备基于光子互连，进而提高了光子互连，进而提高了1000倍的传输速倍的传输速度，是否意味着光信号的传输速度比电度，是否意味着光信号的传输速度比电信号更高呢？信号更高呢？n为什么光互连能比电传输获得更高的速为什么光互连能比电传输获得更高的速度？度？两个基本问题n光信号和电信号哪个传输的快？光信号和电信号哪个传输的快？n光子和电子哪个传输的快？光子和电子哪个传输的快？电信号和电子传输速度n同轴电缆里电信号的传输速度接近光速n在电线里电信号的传输是依靠电场n电场加上后电流马上产生

4、，电流产生的速度和电场产生的速度相当n但电流全局移动的速度（电子移动速度）则相对缓慢很多，在集成电路芯片里电子移动速度约每秒60公里n电信号和光信号传输速度相同，但电子速度与光子速度相差很远另一个问题n既然光信号和电信号传输速度相同，为什么我们说光通信比电子通讯更具优势呢？教科书关于光通信好的答案n光纤传输带宽约10GHz甚至更高，而同轴电缆仅50MHz左右。因此利用光纤可传输的信号大约为同轴电缆的104倍。请问你是否已经理解了这段话的含义呢？请问你是否已经理解了这段话的含义呢？为什么带宽大就能支持更快的传输速为什么带宽大就能支持更快的传输速度，带宽是什么含义？度，带宽是什么含义？带宽n带宽是

5、以赫兹为单位、带宽是以赫兹为单位、在频域内信号的傅里在频域内信号的傅里叶变换功率在一个特叶变换功率在一个特定门限之上、例如与定门限之上、例如与最大值差在最大值差在 3dB 的之的之内的频率范围。信号内的频率范围。信号带宽是信号随着时间带宽是信号随着时间波动速度的一个度量，波动速度的一个度量，这样，带宽越大，信这样，带宽越大，信号的变化越快。号的变化越快。注意傅里叶变换的数学关系，频域信号宽则意味着时域信号窄，注意傅里叶变换的数学关系，频域信号宽则意味着时域信号窄，也就是说带宽大，时域信号窄，那么单位时间内可传输的信号位也就是说带宽大，时域信号窄，那么单位时间内可传输的信号位就多，进而传输速率就

6、大就多，进而传输速率就大再思考n光纤传输带宽是电缆的104倍，那么以USB 2.0为参照，新的光互连芯片应该实现至少600Gbit/s的传输速度，但为什么现在只是6 Gbit/s？受到调制技术的限制，这点在第受到调制技术的限制，这点在第7-10章会再展开探讨章会再展开探讨如果如果说说2020世世纪纪是是电电子的世子的世纪纪, , 2121世世纪则纪则是光子的世是光子的世纪纪n20世纪世纪: 电学电学电子学电子学 电子技术（模电数电）电子技术（模电数电） 电子工业电子工业 微电子工业微电子工业 光子将带来光子将带来1000倍倍甚至更多甚至更多的传输速度提升的传输速度提升 n21世纪世纪: 光子世

7、纪光子世纪 光学光学光子学光子学 (理论理论) 光子技术发展光子技术发展 光子工业光子工业 -全光网络全光网络 纳米和生物光子学纳米和生物光子学思考n前面提到光纤可传输的信号大约为同轴电缆的104倍，是否这已经是极限，能否再提高？注意光还具有波长、偏振、相位等多种信息注意光还具有波长、偏振、相位等多种信息参量。前面提的传输容量仅限于单波长，如参量。前面提的传输容量仅限于单波长，如果在同一根光纤里使用不同波长传输不同信果在同一根光纤里使用不同波长传输不同信号，不同偏振传输不同信号，是否速度可以号，不同偏振传输不同信号，是否速度可以进一步增加呢？进一步增加呢？英国海底光缆枢纽英国海底光缆枢纽思考：

8、对比光缆和思考：对比光缆和电缆的使用环境，电缆的使用环境，有什么区别，为什有什么区别，为什么？么？光传输的优势n电磁干扰小n无电流短路及接地问题n无静电火花n尺寸小重量轻n价格便宜光电子集成的终极应用目标之一是光计算机，以光作为载体，光电子集成的终极应用目标之一是光计算机，以光作为载体，实现个人计算机，将提高现有计算机速度实现个人计算机，将提高现有计算机速度100-1000倍，存储容倍，存储容量提高一百万倍。目前美国，英国，以色列等国家都积极开展量提高一百万倍。目前美国，英国，以色列等国家都积极开展相关研究。相关研究。Intel等芯片厂商已经取得突破性进展。等芯片厂商已经取得突破性进展。近年来

9、集成光电子学在生物传感与医疗近年来集成光电子学在生物传感与医疗领域得到广泛运用，生物集成芯片成为领域得到广泛运用，生物集成芯片成为集成光电子学重要应用领域之一集成光电子学重要应用领域之一集成光电子的产生n是对大规模集成电路的继承和发展是对大规模集成电路的继承和发展n探讨将激光器、调制器、探测器、无源探讨将激光器、调制器、探测器、无源器件等集成在同一衬底上的光电原理及器件等集成在同一衬底上的光电原理及制造方法制造方法n用光子来取代电子作为信息载体用光子来取代电子作为信息载体 应用领域已有广泛成熟市场的领域已有广泛成熟市场的领域: n 光纤通信光纤通信: 光纤光纤, 调制器调制器, 光互连模块光互

10、连模块, PLC收发模块等收发模块等n 光传感：光纤传感和分布式传感芯片光传感：光纤传感和分布式传感芯片n 光存储：光盘、全息光存储：光盘、全息n 光学应用：半导体激光器、信息处理芯片等光学应用：半导体激光器、信息处理芯片等潜在市场潜在市场:n生物光子学：超小样品检测芯片生物光子学：超小样品检测芯片n纳米光子学纳米光子学 (纳米尺度检测及加工纳米尺度检测及加工)n光逻辑处理与光计算光逻辑处理与光计算其他领域其他领域:n光学仪器光学仪器n光学材料处理光学材料处理 n光谱研究等光谱研究等集成光电子学的理论基础n两大理论基础：物理光学和光电子学两大理论基础：物理光学和光电子学n还涉及：电磁场与电磁波

11、、信息光学、还涉及：电磁场与电磁波、信息光学、非线性光学、半导体物理基础、晶体光非线性光学、半导体物理基础、晶体光学、薄膜光学、导波光学、微电子工艺学、薄膜光学、导波光学、微电子工艺基础基础通过这么课学什么？两个要点n集成光电子学的基本概念，内容和应用集成光电子学的基本概念，内容和应用n以集成光电子学为载体，通过简洁浅显的提以集成光电子学为载体，通过简洁浅显的提炼，勾勒出光电信息专业需掌握的最基本理炼，勾勒出光电信息专业需掌握的最基本理论和常用原理概念，丰富专业知识论和常用原理概念，丰富专业知识(即使你以即使你以后不再使用集成光电技术，也有助于加深你后不再使用集成光电技术，也有助于加深你对一些

12、光电基本问题的全面理解对一些光电基本问题的全面理解)n学习方法：勤于思考，对每个知识点能有自学习方法：勤于思考，对每个知识点能有自己的理解，学会辩证的看待专业领域己的理解，学会辩证的看待专业领域光电子与信息3Tn1T=1012n信息化的3T：信息传输速率达到1Tbit/s；单个计算机数据处理速度达到每秒1T次（万亿）； 每平方英寸信息存储能力达到1Tbit思考：这三个参数目前的技术达到多少？思考：这三个参数目前的技术达到多少？3T信息化时代是否到来？n信息传输速度：信息传输速度：1Tbit/s，目前骨干网一般，目前骨干网一般2.5-10 Gbit/s，即将，即将 40Gbit/s。继续提高依。

13、继续提高依赖全光网络技术，特别是波分复用技术；赖全光网络技术，特别是波分复用技术；n数据处理速度：尽管巨型计算机已经超过了数据处理速度：尽管巨型计算机已经超过了每秒万亿次的运算速度，但个人计算机目前每秒万亿次的运算速度，但个人计算机目前还在每秒几还在每秒几G（109）次的水平，目前的技术）次的水平，目前的技术已经出现瓶颈，有赖于使用光做信息载体，已经出现瓶颈，有赖于使用光做信息载体，将速度提高将速度提高1000倍左右；倍左右；n数据存储能力：目前的蓝光光盘一张能达到数据存储能力：目前的蓝光光盘一张能达到20-50Gbit的容量，半导体存储略低于这个数的容量，半导体存储略低于这个数值，要想实现值

14、，要想实现Tbit的存储，目前最可能商用的存储，目前最可能商用的技术是全息的技术是全息电子电子Electronics光子光子Photonics晶体管（晶体管（1947） 光纤和分立元件光纤和分立元件1970s集成电路（集成电路（IC）超大规模集成电路（超大规模集成电路（VLSI）分子电子学分子电子学平面光波导平面光波导集成光路（集成光路（PLC）光子晶体光子晶体1960s1980s2000s1970s1980s1990s不断减小的尺寸不断减小的尺寸光子技术的潜力Moores LawnGordon Moores law:“集成电路集成度每集成电路集成度每18个月翻一番个月翻一番”n过去几十年一直

15、成立过去几十年一直成立n但现在似乎有了问但现在似乎有了问题题集成光电子的Moores 定律集成光电子技术产生时间很短，但不断有新技术出集成光电子技术产生时间很短，但不断有新技术出现，以超摩尔定律的态势发展现，以超摩尔定律的态势发展集成电路 集成光路u单一材料：硅单一材料：硅u单一技术平台：单一技术平台：CMOS技术技术u已形成大规模市场具有成熟技已形成大规模市场具有成熟技术术u标准化构成单元：晶体管、电标准化构成单元：晶体管、电容、电阻容、电阻u技术方向及标准被少数几个大技术方向及标准被少数几个大公司把持公司把持u最小尺寸：最小尺寸：10nm 到几个到几个 umu多种材料：硅、多种材料：硅、I

16、nP、GaAs、聚合物、铌酸锂等聚合物、铌酸锂等u多样化的技术平台多样化的技术平台u有限且在成型中的市场有限且在成型中的市场u没有标准单元，不同的元件基没有标准单元，不同的元件基于不同的光学原理于不同的光学原理u不同公司拥有完全不同的技术不同公司拥有完全不同的技术方案方案u最小尺寸：几百最小尺寸：几百nm 到几个到几个 um光电子集成的方式n功能集成：在一个芯片上实现光发生、信号调制、放大，甚至接收解调等多种功能，是技术的难度也是发展的要点。华为在武汉的分公司近年来核心业务在于此n个数集成：阵列化的集成多个具有同样功能的模块，分线阵和面阵两种。深圳有大量的光电子公司做相关工作。功能集成个数集成

17、光电子集成的途径n单片集成：全部光电器件集成在一块芯单片集成：全部光电器件集成在一块芯片（例如一块硅片）上片（例如一块硅片）上n混合集成：用不同工艺制作一些分立集混合集成：用不同工艺制作一些分立集成器件，再组装到一起。成器件，再组装到一起。单片集成性能稳定，可靠性强，损耗小，是光电集成的发单片集成性能稳定，可靠性强，损耗小，是光电集成的发展目标，但受限于材料的光学特性，目前还没有价廉物美展目标，但受限于材料的光学特性，目前还没有价廉物美的实现方案。的实现方案。混合集成存在的原因n工艺标准化程度最高，成本最低，且与集成电路兼容的材料是硅n但用硅做激光器量子效率非常低n目前市面的半导体激光器几乎都是基于三五族材料的，如GaAs、InP，GaN等。n但三五族材料加工困难，难以实现大规模集成思考：原思考：原因因硅锗为间接带隙半导体，三五族是直接带隙半导体如何解决问题n硅材料是实现大规模集成的最佳材料n但由于量子效率低，目前集成激光器、探测器都是基于三五族材料的。请猜测怎样解决问题，实现单片集成的目标？目前的技术思路有两个：目前的技术思路有两个：p通过混合集成分别制作三五族和硅器件，再组装成一个集通过混合集成分别制作三五族和