集成光电子器件及设计课件

浙江大学光电信息系1集成光电子器件及设计

第一章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(andmuchmore)onachip=IntegratedPhotonicsIntel2010CharlesH.Townes(NobelPrizeinPhysics1964)ArthurLeonardSchawlow(NobelPrizeinPhysics1981)2023/6/93半导体技术的发展趋势Allopticalnetworking2023/6/94硅上的三维光电集成PhotonicwaferIII-VmicrolasermicroheaterwaveguidesBCBtransistorsmetalinterconnectsBCBCMOSwaferTSVE.Beyneetal.ICICDT(2007)TSV：ThroughSiliconVias(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2学分（1.5-1）：24学时的理论授课，16学时的实验操作夏季学期共8周的课程安排考试时间：2015年7月8日

10:30-12:30浙江大学光电信息系集成光电子器件及设计第一章7教学目的与基本要求使学生对“集成光电子器件”的基础理论、器件原理以及制作工艺流程等有比较全面的了解，对光波导理论、耦合模理论有较深的理解。掌握典型的集成光电子器件的工作原理、基本结构及应用。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概述(1学时)（5月12日）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)晶体在外场作用下的光学性质(2学时)（5月12日）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)光有源器件导论与系统集成(3学时)（5月19日）集成光学器件的材料(2学时)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)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：马赫曾德光调制器的BPM仿真（第四、五周的三个时间段，每个时间段2小时，20-25人/时间段）实验三：Y分支功分器测试实验5人/组（第六、七周的五个时间段，每个时间段半天，25人/时间段）实验二：微环谐振腔的FDTD仿真（第四、五周的三个时间段）实验四：光波导器件制作流程（Video)浙江大学光电信息系10大型课程设计作业一种硅波导模式复用器研究，要求：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（Mode(de)multiplexer)的结构和设计方法；完成该器件的优化设计与分析；实现两个通道以上复用，同时给出其工作带宽、损耗、消光比等。提交论文报告。参考文献：《微纳光子集成》何赛灵，戴道锌.科学出版社《光波导模式理论》马春生，刘式墉吉林大学出版社《硅光子学》余金中主编，科学出版社D.Dai,J.Wang,andS.He.SiliconMultimodePhotonicIntegratedDevicesforon-ChipMode-Division-MultiplexedOpticalInterconnects,ProgressInElectromagneticsResearch,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：《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：《半导体导波光学器件理论及技术》，赵策洲，国防工业出版社。IntegratedOptics:TheoryandTechnology,RobertG.Hunsperger(SixthEdition),Springer,2009《光集成器件》，小林功郎著，科学出版社，2002《集成光学》，T.塔米尔主编，科学出版社，1982课程网站：/IntOpt/浙江大学光电信息系集成光电子器件及设计第一章14上课、作业、实验报告、考试上课：早起（不睡懒觉），认真听讲，欢迎提问与质疑，及时复习。作业：课堂布置，必须独立完成，及时上交，每次作业均有分数，计入含有一定比例的平时成绩。实验报告：包括相关课题的背景描述，实验原理，实验过程设计，实验结果，结论与结果讨论等，是一份自己亲身参与的研究报告。成绩按一定比例计入总成绩。考试：闭卷，多种题型，避免死记硬背，要求掌握基本物理，能够对知识融会贯通、灵活运用。浙江大学光电信息系集成光电子器件及设计第一章151.2集成光学的概念与特点集成光学是在光电子学和微电子学基础上，采用集成方法研究和发展光学器件和混合光学-电子学系统的学科。传统光学系统体积大、稳定性差、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。与微电子系统相比，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.集成光学的理论平面介质光波导理论

建立在麦克斯韦方程组基础上的媒质波导电磁理论；从射线光学角度，建立了锯齿波模型的波导理论。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.集成光学的材料光波导材料：具有与衬底、覆盖层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(<1dB/cm)。激光器、放大器与探测器材料：载流子迁移率高（高频、高速）、材料与衬底晶格匹配、半导体带隙符合波长的要求、成分易于调控（掺杂、固溶）等。调制器、开关、隔离器材料：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的调制响应。材料在工艺上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。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子器件及设计第一章183.集成光学的制备工艺工艺技术主要涉及成膜与微细图形加工。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.集成光学器件对光波具有振荡、放大和光电转换等功能的有源器件。半导体激光器、半导体光放大器、集成光探测器集成光无源器件光波导、薄膜透镜、光开关、调制器、隔离器、环形器等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20Copperwiresreachingphysicallimits~10GbpsorhigherbecomingchallengingDistance/speedtradeoffshortenslengthsOr,TransmitdataoveropticalfiberMuchfurtherreachatanygivenspeedMultiplesignalscantravelononefiberThin&light=easycablemanagementIntelroadmapfortickyear22nm14nm10nm7nm5nm2011 2013 2015+INPRODUCTIONINDEVELOPMENTINRESEARCHLithography,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Intel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，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，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。2011MacBookPro2012MacBookPro浙江大学光电信息系