集成光电子器件与微纳制造方向课程介绍
微纳光电子学 教学大纲
微纳光电子学一、课程说明课程编号：140510Z10课程名称：微纳光电子学/ Micro- and Nano- Optoelectronics课程类别：专业核心课程学时/学分：48/3先修课程：固体物理、信息光学、光电子技术适用专业：光电信息科学与工程教材、教学参考书：1．原荣，邱琪编著.光子学与光电子学.北京: 机械工业出版社.2014年;2. 傅竹西编著.固体光电子学.合肥: 中国科学技术大学出版社(第2版).2012年;3. 周治平著.硅基光电子学.北京: 北京大学出版社.2012年;4. 刘旭等编著.光电子学.杭州: 浙江大学出版社.2014年。
二、课程设置的目的意义光子学、光电子学、和光电子技术是目前信息时代不可或缺的关键技术，产生了大量的光与电相结合的新型器件如手机、电脑、激光雷达、导航设备、光电探测器、太阳能电池等等，不一而足，为人们的生活和工作提供了极大的便利。
光子与电子的结合与相互调制是今后信息技术发展的一个重要方向，特别是由于半导体技术和微纳制作技术的兴起，光电子器件朝功能更强、尺寸更小的方向发展。
本课程重点讲述特征尺寸在微米或纳米级别的光与电相结合的新型光电子器件及其原理，结构、和应用等，使光电信息科学与工程等专业的学生能够了解和掌握有关微纳光电子学方面的最新进展和知识，为更好地适应以后相关的学习深造和研发工作打下坚实的专业基础。
三、课程的基本要求知识：本课程从光学原理如光的传播、干涉、衍射、偏振、双折射、光电效应、电光效应、非线性效应等出发，重点讲述所涉及到的当前微纳光电子学领域基本的、主要的、常用的器件，如波导、半导体激光器、滤波器、调制器、探测器、CCD、探测器等的原理、结构、及应用等。
能力：要求学生学习这些器件的基本结构、工作原理、主要特性及应用等知识时，不仅需了解微纳光电子器件的基本知识，还要能够举一反三、触类旁通、和具备进一步深入学习、研究及设计微纳光电子器件的能力，并能将器件知识与实际应用相结合。
《集成光学课程简介》课件
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新型光子材料的探索与应用
新型光子材料的探索和应用为集成光学的发展提供了更多可能性， 如拓扑光子学、非线性光子学等领域的发展。
集成光学面临的挑战与机遇
技术瓶颈
目前的光子集成芯片还存在一些 技术瓶颈，如高损耗、低稳定性 等问题，需要进一步研究和突破
。
市场需求
随着5G、物联网等技术的普及， 市场对光子集成芯片的需求越来越 大，为集成光学的发展提供了广阔 的市场前景。
光波导具有低损耗、低成本、 高集成度等优点，是集成光学 中的核心元件。
光波导的传输模式分为单模和 多模，单模光波导具有更高的 传输质量和更远的传输距离。
光波导器件
光波导器件是利用光波导原理制 成的各种光子器件，如光调制器
、光开关、光滤波器等。
光波导器件具有小型化、集成化 、高性能等优点，广泛应用于光 通信、光传感、光计算等领域。
04
集成光学的前沿研究
光子晶体
总结词
光子晶体是一种具有周期性折射率变 化的介质，能够控制光的传播行为。
详细描述
光子晶体具有类似于电子能带结构的 特性，能够实现对特定频率光子的禁 带特性，从而实现光子局域、光子带 隙和光子操控等功能。
光子集成电路
总结词
光子集成电路是一种集成了多个光子器件的集成光路，可以实现光信号的产生、调制、传输和检测等功能。
详细描述
光子集成电路具有低损耗、高集成度、高速传输等优点，是实现光通信、光计算和光传感等应用的关键技术之一 。
光量子计算与量子通信
总结词
光量子计算和量子通信是基于量子力学原理的信息处理和通信方式，具有高度安全性和 并行性。
微纳光电子系统_第二章微纳光电器件简介
16
2010-9-5
32×32微测辐射热计SEM照片
×200 倍
×500倍
测试系统原理图
17
2010-9-5
像元编号
像元黑体响应电压 (µ V)
像元响应率 (V/W) 1.52×104 1.23×104 1.11×104 1.46×104 1.42×104 1.35×104 0.99×104 1.44×104 1.56×104 1.28×104
读出电路 X 向电极
11
2010-9-5
微桥结构设计
• 热学设计 低热导和合适的热响应时间 • 光学设计 提高填充系数和红外吸收率 • 力学设计 确保结构的机械力学稳定性
1. 00 0. 90
吸 0. 70 收 0. 60 率 0. 50 （ 0. 40 ％） 0. 30
0. 20 0. 10 0. 00 1. 0 3. 0 5. 0 7. 0 9. 0 11. 0 13. 0 15. 0
硅 3.4
400μm 4μm 1 8 2π 1.67μm 1.96
硅 3.4
400μm 4μm 1 8 1.7 π 1.42μm 2.35
硅 3.4
400μm 4μm 1 8 0.95π 0.798μm 2.35
石英 1.47
400μm 0.5μm 1 8 2π 1.06μm 4.5
性能测试
衍射效率
微测辐射热计物理模型
微测辐射热计热学模型
热绝缘微桥结构
V dV I 0 dR dT I 0 R ＝ dQ dT dQ Geff
微桥结构 50 μm Y 向电极 红外 辐射 0.5μm
Gleg kleg
Aleg l
探测器响应率与探测 器和衬底间的热导G 呈反比，利用微桥结 构降低二者间的热导
微纳光电子器件的设计和制备技术
微纳光电子器件的设计和制备技术微纳光电子器件是目前光电子领域中的前沿研究领域。
因其微小的体积，具有良好的性能和独特的功能，被广泛应用于信息处理、生物医药、新能源等领域。
本文概述微纳光电子器件设计制备技术。
一、微纳光电子器件概述微纳光电子器件是指体积尺寸在微米乃至纳米量级的光电子器件，与传统的光电子器件相比，具有更高的集成度、更低的功耗、更高的速度、更强的可靠性和稳定性，因此在应用领域有着广泛发展前景。
目前，微纳光电子器件主要包括微波光子晶体、微环谐振器、微腔光机械振子、微进易出激光等。
这些器件均是基于微纳米加工技术制备的，因此需要掌握相应的设计和制备技术。
二、微纳光电子器件设计技术1. 光学仿真技术在微纳光电子器件设计中，光学仿真技术是非常重要的一部分。
通过对无限远场问题的研究，可以建立器件的电磁模型，并利用计算机仿真技术进行分析和设计优化。
光学仿真技术最常用的软件是COMSOL Multiphysics和Lumerical等。
通过光学仿真技术，可以优化器件的结构形状、材料选择、呈现和低损耗等。
2. 异质结构设计技术在微纳光电子器件很多器件应用中都需要通过异质结设计实现。
异质结异质材料的导带能带区在交界处会产生能带弯曲现象，从而形成能带偏差，这样就能够改变器件的电子结构和光学性质。
异质结是一种典型的二维和三维的结构，可以通过量子阱、能带混合、带隙调制等技术实现。
在微波光子晶体、微腔光学器件等方面有重要应用。
三、微纳光电子器件制备技术1. 电子束光刻技术电子束光刻技术（EBL）是一种高分辨率的微纳米制造技术，其分辨率可以达到亚纳米级别。
EBL主要是利用电子束照射石英等电子敏感材料，石英中会产生可溶解的空穴，再通过腐蚀、蒸镀等方式制造出器件形状。
EBL技术可以实现器件的多层加工和三维加工，但是其缺点是加工速度较慢，不能进行大面积加工和生产级量产。
2. 等离子体刻蚀技术等离子体刻蚀技术（RIE）是一种高效的微纳米制造技术，其主要原理是通过气体放电等离子体刻蚀目标材料。
微纳加工技术在集成光电子器件中的应用
微纳加工技术在集成光电子器件中的应用引言：随着科技的不断进步，人们对高性能和高集成度光电子器件的需求也越来越大。
微纳加工技术作为一种高精度、高灵活性的加工技术，已经逐渐成为集成光电子器件领域的关键技术。
本文将重点介绍微纳加工技术在集成光电子器件中的应用，探讨其在器件设计、制备和功能增强等方面的优势。
一、微纳加工技术在集成光电子器件设计中的应用1. 光子集成电路设计微纳加工技术在光子集成电路设计中发挥了重要作用。
通过利用微纳加工技术，可以实现复杂的光子晶体波导、微环谐振器、分束器、耦合器等器件结构，并将它们灵活地组合在一起，形成可编程的光子集成电路。
这种灵活的设计方案使得光子集成电路具有更高的集成度和更小的尺寸，更适用于实现高速通信和光子计算等应用。
2. 超材料设计微纳加工技术可以用于制备超材料中的微纳结构，如金属纳米点阵、微球、纳米线等。
这些微纳结构具有特殊的光学性质，可以用于实现控制光的传播行为、吸收和辐射等特殊功能。
通过微纳加工技术，可以实现对超材料微纳结构的精确控制，进而设计和制备具有特定波长选择性、超透明性、超折射率效应等特征的光学器件。
二、微纳加工技术在集成光电子器件制备中的应用1. 光子晶体制备光子晶体是一种由周期性的两个或多个介质组成的纳米结构材料，可以对光的传播进行控制。
微纳加工技术可以用于制备光子晶体的微米和纳米结构。
通过对微纳结构的形貌和材料的选择进行调控，可以实现对光子晶体的带隙特性、光子禁带结构和波导模式等的精确控制。
这为实现光学滤波器、光调制器等集成光电子器件提供了基础。
2. 光波导制备光波导是一种用于控制和引导光的结构，是光学器件中的重要组成部分。
通过微纳加工技术，可以制备具有高光学品质的光波导结构。
例如，在光子集成电路中，可利用微纳加工技术制备出具有较低损耗和较高耦合效率的光波导，从而实现光的高效传输和耦合。
三、微纳加工技术在集成光电子器件功能增强中的应用1. 纳米结构增强效应微纳加工技术可以制备出具有纳米结构的光电子器件，通过改变结构尺寸和形貌，实现器件性能的增强。
微纳加工技术在集成光子学器件制造过程中的应用
微纳加工技术在集成光子学器件制造过程中的应用在集成光子学器件制造过程中，微纳加工技术的应用正发挥着越来越重要的作用。
微纳加工是一种以微米和纳米尺度制造器件和结构的技术，通过精细的控制和加工，可以实现对光子学器件的高度集成、小型化和高性能化。
本文将详细介绍微纳加工技术在集成光子学器件制造过程中的应用，并分析其优势和挑战。
首先，微纳加工技术在光子学器件制造中的应用主要体现在以下几个方面：1. 光波导的制备：在集成光子学器件中，光波导是起到导光、分光和耦合等重要作用的核心部件。
微纳加工技术可以通过利用光刻技术、干法刻蚀、离子束刻写等工艺，制备出各种结构的光波导。
例如，可以制备出SiO2/Si3N4光波导、聚合物光波导等，实现对光信号的准确引导和控制。
2. 光子晶体的制造：光子晶体是一种具有周期性折射率变化的结构，在光子学器件中有着重要的应用。
微纳加工技术可使用多种方法制造光子晶体结构，如电子束曝光、反应离子刻蚀等，可以准确控制折射率的变化，实现对光信号的高效操控。
3. 光探测器和光放大器的制备：微纳加工技术也可以用于制备光探测器和光放大器等器件。
通过细致的加工工艺，可以制备出高性能的光探测器和光放大器，实现对光信号的高灵敏度检测和放大。
在集成光子学器件制造过程中，微纳加工技术具有以下优势：1. 高度集成：微纳加工技术能够实现对光子学器件的高度集成，使得多个光学元件可以在一个芯片上实现，从而大幅度减小了器件的尺寸和重量。
高度集成带来的优势包括简化器件结构、降低功耗、提高整体性能等。
2. 高精度加工：微纳加工技术能够实现对光学器件的高精度加工，减小器件尺寸的同时，保持较高的性能。
高精度加工使得光波导、光子晶体等器件的制备更加精确，光信号的操控和调控更加可靠和稳定。
3. 应用广泛：微纳加工技术不仅可以应用于光通信领域，还可以应用于生物医学、光电子学、传感器等领域。
光通信领域是微纳加工技术最早及应用最广泛的领域之一，通过微纳加工技术制造的光子学器件可以应用于光纤通信、无线通信等领域。
光电子器件制造中的微纳加工技术研究
光电子器件制造中的微纳加工技术研究随着科技的不断进步和人类对光电子器件的需求不断增多，微纳加工技术成为了当代科技领域的重要组成部分。
它不仅可以用于微小器件的制造与研究，还可以应用于生物医学、信息、环境等领域。
尤其在光电子器件的制造过程中，微纳加工技术更是被广泛应用。
本文将从加工技术、应用领域、发展状况等多个角度，对光电子器件制造中的微纳加工技术进行探讨。
一、加工技术微纳加工技术是一种以微米(um)、纳米(nm)等级为单位的精密加工过程，它以高精度、高效率、低成本、高可靠性等特点而被广泛应用。
在光电子器件制造中，微纳加工技术主要分为以下几类：1. 光刻技术光刻技术是将制作好的掩模图样转移至光刻胶上，再通过UV曝光、显影等过程进行加工的技术。
光刻技术的优点是加工速度快，加工精度高，适用于大规模生产。
但受到技术限制，其最小加工尺寸一般为几百纳米，且加工深度受到限制。
2. 激光加工技术激光加工技术是利用强光束的热、化学、物理等效应，对材料进行加工和切割的技术。
它可以实现高精度、高效率的加工，且可以在各种材料上进行加工。
但激光加工过程需要高功率激光设备，成本相对较高。
3. 离子束刻蚀技术离子束刻蚀技术是利用离子束进行精密加工的技术。
离子束直接照射在材料表面，通过物理、化学作用或机械力作用，改变材料的表面形貌和材料性质，以实现精密加工的效果。
离子束刻蚀技术可以制作出各种微结构，但制作周期长，加工速度慢。
4. 电子束加工技术电子束加工技术是利用电子束对材料进行加工的技术。
电子束从电子枪中发射并聚焦在极小的点上，把材料表面的原子、分子激发、击穿使其发生化学或物理变化，从而实现高精度的加工和切割。
但电子束设备成本较高，不适用于大规模生产。
5. 纳米印刷技术纳米印刷技术是一种新兴的微纳加工技术，可以在纳米级别上进行转移和印刷，广泛应用于制备纳米结构和高清晰度显示器件等领域。
其优点是加工速度快、适用性广、适用于大规模制备等，但加工精度仍有待提高。
微纳加工技术在集成光子学器件制造过程中的应用
微纳加工技术在集成光子学器件制造过程中的应用光子学是研究光的性质和应用的学科，而集成光子学则是将光与电子集成起来，用于制造光学器件和光电子设备。
在集成光子学器件的制造过程中，微纳加工技术起到了重要作用。
微纳加工技术是指利用微米和纳米级别的精密加工方法制造微小器件和结构的技术。
它可以实现对材料的精确控制和微观结构的精细加工，为光子学器件的制造提供了重要工具和手段。
微纳加工技术在集成光子学器件制造过程中的应用主要体现在以下几个方面：1. 光子晶体制备：光子晶体是由周期性的折射率变化构成的人工结构，具有调控光的传播和控制光的光子带隙效应等特性。
微纳加工技术可以通过利用光刻和干法腐蚀等方法制备具有亚微米尺度的周期性结构，实现光子晶体器件的制备。
这些器件可用于制造光波导、滤波器、激光器等光子学器件，具有在光子集成电路中实现高度集成和小尺度的优势。
2. 波导制造：光波导是光子学器件中常用的传输光信号的结构，它可以将光信号引导和传输到目标位置。
微纳加工技术可以利用光刻和蚀刻等方法制造出高度精密、低损耗的光波导结构。
例如，可以使用光刻技术在光子器件表面定义出光波导图案，然后通过干法或湿法腐蚀方法将无光波导部分的材料去除，形成具有高度精密的光波导结构。
3. 二维材料制造：二维材料是由单层或几层原子构成的材料，具有优异的光电性能和结构特性。
微纳加工技术可以通过利用化学气相沉积、物理气相沉积等方法制备大面积的二维材料，并利用光刻、电子束曝光等技术进行图案定义和加工。
这些制造技术可以在光子学器件中应用于制造光学光源、光探测器等器件，从而实现高灵敏度、高效能的光子学器件。
4. 微纳加工平台的建立：微纳加工技术还可以用于构建集成光子学器件制造的微纳加工平台。
这种平台可以提供高分辨率、高精确度的器件加工能力，并具备光子学器件制造所需的高度一致性和可重复性。
通过建立微纳加工平台，可以实现多种光子学器件的批量制造和集成。
综上所述，微纳加工技术在集成光子学器件制造过程中起到了重要作用。
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照明。内容详细丰富，包括固体照明概述，发光二极管光取出原 理及方法，高功率红光发光二极管，高功率蓝光及绿光发光二极 管，高功率紫外线及紫光发光二极管，白光发光二极管，发光二 极管封装及固体照明发展趋势与展望等。
21世纪是半导体固态照明的新世纪！
LED点亮实物图
LED工作物理模型图
LED应用
交通标志信号 汽车照明
手机背光照明
户外大屏幕显示
炫丽的奥运开幕式——LED的奇迹
第二部分 OLED显示应用技术
有机发光二极管 （OLED）是一种薄膜发光二极 管（LED），它的发射层是一种有机复合物。 可以用 作电视屏幕、 计算机显示屏， 便携式系统的显示屏等 用于广告和信息显示。 OLED也可以用于照明设备。
本部分内容包括OLED基础原理、有机 材料、器件与面板制程。其中材料部分包 括有机材料合成、基板、空穴注入层、电 子输运层等。器件与面板部分包括器件结 构、光电、物理、发光机制、被动与主动 驱动、功率管理等。此外，还讨论OLED的 寿命、老化机制及解决办法等。
OLED应用
2007 Sony 11英寸XEL-1 OLED电视 Samsung 31寸OLED电视样品,CES 2008
等方面的制造及实验能力。
➢ 主要内容： ➢ 太阳能电池的制作 ➢ LED工艺实验——MOCVD流程 ➢ 微制造实验——光刻工艺流程，微传感器及
微透镜阵列制造
➢ 微纳测试技术——AFM、STM等进行纳米测 量
➢ 主要设备： 光刻机、 AFM、STM 、MOCVD等； 超净室，集成光电子平台。
欢迎大家加入
《集成光电子器件与微纳制造》 方向课程介绍
黄鹰
➢ 师资介绍：
参加本课程组的教师主要由集成光电子 器件与微纳制造系的老师组成。全部具有博 士学位（还有博士后），教授（博导）和副 教授占较大比例。有四位老师为回国老师或 有国外研究经历。
这些老师都承担了863、973、国家自 然科学基金等项目，研究能力强。在教学中
三、《光电材料与器件》课程介绍
徐智谋 汪 毅
第一部分 光电材料和传统光器件
➢ 光电信息技术材料与器件
信息处理技术材料与器件 信息传输技术材料与器件 信息存储技术材料与器件 信息显示技术材料与器件 获取信息技术材料与器件 激光材料和光功能材料与器件 信息材料与器件产业及展望
➢ 能源转换及储存材料与器件
➢
好的事情马上就会到来，一切都是最 好的安 排。上 午5时36分44秒 上午5时36分05:36:4420.10.22
➢
一马当先，全员举绩，梅开二度，业 绩保底 。20.10.2220.10.2205:3605:36:4405:36:44Oc t-20
➢
牢记安全之责，善谋安全之策，力务 安全之 实。2020年10月22日 星期四5时36分 44秒T hursday, October 22, 2020
一、《微纳光电子系统》课程介绍
陈四海，赖建军 ➢ 1. 目的:
分析微纳光电子器件和系统的原理和制 造技术,介绍典型系统。 ➢ 2. 主要内容: (1) 微纳光学和光电子器件种类和原理: (2) 微纳光电子器件制造技术 (3) 典型微纳光电子系统 (4) 应用和发展前景
微纳光学元件
凸微透镜阵列
凹微透镜阵列
实例
8个硅基激光器阵列
硅基光发射机和光接收机模块
硅基光调制器（园框内）
第三部分 光电材料与器件的前沿技术
➢ 瑞利散射 ➢ 表面等离子体简介 ➢ 基于表面等离子体的光子器件
四、集成光电子实验
陈长清、韩宏伟、赖建军、黄鹰等
➢ 目的 ：集成光电子实验培养同学在 ➢ LED、 ➢ 太阳能技术、 ➢ 纳米测试技术、 ➢ 微传感、微制造、 ➢ 集成光电子器件工艺
二、《固态照明与显示技术》课程介绍
吴志浩、王磊、陈长清
➢ 课程主要分两大部分： 第一部分 LED照明及显示技术 第二部分 OLED显示应用技术
（注：有机发光二极管 （OLED）是一种薄膜发光二极管）
第一部分 LED照明及显示技术
意义： 半导体固体照明用白光发光二极管由于可以节省能源减少污
染且体积小、寿命长，因此已被全世界重视，中、美、日、韩及 欧洲各国均积极参与研发工作。
集成光电方向
谢谢！
➢
树立质量法制观念、提高全员质量意 识。20.10.2220.10.22Thursday, October 22, 2020
➢
人生得意须尽欢，莫使金樽空对月。05:36:4405:36:4405:3610/22/2020 5:36:44 AM
➢
安全象只弓，不拉它就松，要想保安 全，常 把弓弦 绷。20.10.2205:36:4405:36Oc t-2022- Oct-20
能把科研与教学相结合，给同学们的发展指出
新的路子。
1.课程菜单(本方向选课指导）
➢ 1.方向选修选课 ➢ 半导体光电子材料与器件 ➢ 微纳光电子系统 ➢ 固态照明与显示技术 ➢ 集成光电子实验 ➢ 2.任选课 ➢ 太阳能电池原理与技术 ➢ 精密机械设计与CAD——机械基础 ➢ 光电系统原理与技术——纳米测试技术 ➢ 半导体光电子学——半导体基础
➢
相信相信得力量。20.10.222020年10月 22日星 期四5时36分44秒20.10.22
谢谢大家！
➢
加强交通建设管理，确保工程建设质 量。05:36:4405:36:4405:36Thursday, October 22, 2020
➢
安全在于心细，事故出在麻痹。20.10.2220.10.2205:36:4405:36:44October 22, 2020
➢
踏实肯干，努力奋斗。2020年10月22日上午5时36分 20.10.2220.10.22
昆虫复眼 微扫描成像系统
折/衍混合透镜- 消像差
二元光学技术制作光束变换元件
用途：半导体激光准直； 激光光束变换：线光束，平顶光束， 长方形光束,… 字符和图形发生器；
光子晶体
光子晶体光纤
周期排列的人工微纳结构材料
一维
二维
三维
➢ 负折射率材料——应用：折射率透镜和隐身衣
假如说“隐身衣”是想 让别人看不到你，那么 负折射透镜就是让你看 到别人看不到的东西。
热电材料基础 太阳能电池
➢ 国防光电材料及器件与技术
红外材料及器件 军用光电探测应用系统 光电对抗系统与光电反对抗技术
➢ 纳米光电材料及器件
纳米材料的光学性质 纳米发光与显示材料及器件 纳米非线性光学材料及器件 纳米光催化材料及应用 纳米光电材料的制备方法
第二部分 S➢ 硅基无源光器件 ➢ 硅基单片集成光路系统
➢
追求至善凭技术开拓市场，凭管理增 创效益 ，凭服 务树立 形象。2020年10月22日星期 四上午5时36分 44秒05:36:4420.10.22
➢
严格把控质量关，让生产更加有保障 。2020年10月 上午5时 36分20.10.2205:36Oc tober 22, 2020
➢
作业标准记得牢，驾轻就熟除烦恼。2020年10月22日星期 四5时36分44秒 05:36:4422 October 2020