(集成光电子学导论)第十章硅光子学
(集成光电子学导论)第六章常见光波导材料与结构
1 cm = 10 000 微米
1、空气净化
From Intel Museum
三道防线: ✓环境净化（clean room） ✓材料清洗（wafer cleaning） ✓吸杂（gettering）
光电所
• 投资4000万元的光电子学研究所实验大楼坐落在深圳大学文山湖畔。这是 一座设施先进、功能完善、配套齐全、专业化水准高的现代化实验大楼，总 面积8200平方米，其中有1200平方米的百级和万级净化实验室，有电子级超 纯水制备系统、各种特殊气体的供送系统以及相应的安全保障和环保设施等。 投资6000万元购置的先进科研仪器设备，构建了显微分析、光谱分析、超快 诊断技术、光电子材料、生物光子学、等离子体显示、应用光学、电子学等 10多个测试实验室和真空光电子器件、半导体光电子材料与器件、平板显示 器件、有机电致发光材料、纳米光电子材料等10多个工艺实验室。主要大型 仪器设备有：金属有机化合物气相沉积（MOCVD）系统、微波等离子体增 强化学气相沉积（MPECVD）系统、等离子体增强化学气相沉积（PECVD） 系统、磁控溅射系统、反应离子刻蚀机、光刻机、高精度丝网印刷机、大型 高精度点胶机、高精度喷砂机、多功能镀膜机、扫描探针显微镜、扫描电子 显微镜、台阶轮廓测试仪、三维视频显微镜、真空紫外单色仪、紫外/可见/近 红外光谱仪、飞秒激光器、皮秒激光器、荧光光谱测试仪、激光拉曼谱仪、 高分辨X射线衍射仪、变磁场霍尔测试仪、多光子激发荧光显微成像系统、高 速示波器、逻辑分析仪和数字电路开发系统等，以及光学设计分析、多物理 场分析等大型软件。这些硬件条件，为建设一流的光电子学研究所奠定了坚 实的基础。
半导体激光器，探测器，放大器， 电光调制器
目前最好的电光调制器，声光调制 器
《硅光子设计：从器件到系统》笔记
《硅光子设计：从器件到系统》阅读记录目录一、基础篇 (3)1.1 光子学基础知识 (4)1.1.1 光子的本质与特性 (4)1.1.2 光子的传播与相互作用 (5)1.2 硅光子学概述 (6)1.2.1 硅光子的定义与发展历程 (7)1.2.2 硅光子学的应用领域 (9)二、器件篇 (10)2.1 硅光子器件原理 (11)2.2 硅光子器件设计 (13)2.2.1 器件的结构设计 (14)2.2.2 器件的工艺流程 (15)2.3 硅光子器件的性能优化 (16)2.3.1 集成电路设计 (17)2.3.2 封装技术 (18)三、系统篇 (20)3.1 硅光子系统架构 (21)3.1.1 系统的整体结构 (22)3.1.2 系统的通信机制 (23)3.2 硅光子系统设计 (25)3.2.1 设计流程与方法 (26)3.2.2 设计实例分析 (27)3.3 硅光子系统的测试与验证 (29)3.3.1 测试平台搭建 (30)3.3.2 性能评估标准 (31)四、应用篇 (31)4.1 硅光子技术在通信领域的应用 (33)4.1.1 光纤通信系统 (34)4.1.2 量子通信系统 (35)4.2 硅光子技术在计算领域的应用 (36)4.2.1 软件定义光计算 (37)4.2.2 光子计算系统 (38)4.3 硅光子技术在传感领域的应用 (39)4.3.1 光学传感器 (40)4.3.2 生物传感与检测 (41)五、未来展望 (42)5.1 硅光子技术的发展趋势 (43)5.1.1 技术创新与突破 (44)5.1.2 应用领域的拓展 (45)5.2 硅光子技术的挑战与机遇 (47)5.2.1 人才培养与引进 (48)5.2.2 政策支持与产业环境 (49)一、基础篇《硅光子设计：从器件到系统》是一本深入探讨硅光子技术设计与应用的专著，涵盖了从基础理论到系统应用的全面知识。
在阅读这本书的基础篇时，我们可以对硅光子设计的核心概念有一个初步的了解。
(集成光电子学导论)第六章常见光波导材料与结构
芯层/包层材 料
Ge:SiO2 /SiO2 Si/SiO2
芯层/包层折 射率差 0-0.5%
50-70%
损耗dB/cm @1550nm 0.05
0.1
3.2
inP、GaAs/ ~100%
3
空气
2.2
Ag(Ti):LiNbO 0.5%
0.5
3/ LiNbO3
1.3-1.7
都是聚合物， 0-35%
0.1
不同材料矩形单模波导的宽度
SiO2：n=1.44 Ge： SiO2：n=1.45
两种波导的 优缺点？
SiO2：n=1.44
5~6 μm
220nm
30~40μm
Si： n=3.4
500nm
做出的器件尺寸大，但与光 纤耦合损耗很小
做出的器件尺寸很小，但与 光纤耦合损耗大
如希望对光纤耦合损耗小：不同材 料的光波导结构
靠配比改变
折射率差
波导折射率与模式
n2 θc
n1
n2
sin c
n2 n1
同样厚度 的硅波导 和二氧化 硅波导哪 个能有更 多模式？
为什么通常希望 波导厚度与模使式用单模波导？
Helmholtz equation:
[ 2 xk0 2n22]U (x)0
x nclad ncore nclad
n nclad ncore
平面光波导的类型
1-d 光限制
cladding core
nlow nhigh
cladding
nlow
平板波导
氧化硅、聚合物
2-d 光限制 硅、三五族
core
nlow
nhigh
cladding
硅基光子学国内外研究现状及发展趋势
专题报告-1硅基光电子学（光子学）研究概况网络信息中心文献情报服务2007年6月硅基光电子学研究概况编者按：本文介绍了硅基光电子技术的研究现状、重点研究方向、技术难点以及国内外主要研究机构的基本情况。
希望能为我所学科布局的发展提供一些参考。
一、技术概述硅基半导体是现代微电子产业的基石，但其发展已接近极限。
而光电子技术则正处在高速发展阶段，现在的半导体发光器件多利用化合物材料制备，与硅微电子工艺不兼容，因此，将光子技术和微电子技术集合起来，发展硅基光电子科学和技术意义重大。
近年来，硅基光电子的研究在国内外不断取得引人注目的重要突破，世界各发达国家都把硅基光电子作为长远发展目标。
硅基光电子学包括硅基光子材料、硅基光子器件和硅基光子集成三个主要方面。
分别介绍如下：1. 硅基光子材料（1）硅基纳米发光材料目前的研究重点是如何有效地控制硅纳米晶粒的尺寸和密度，以形成具有小尺寸和高密度的有序纳米结构。
制备方法有：通过独立控制固体表面上的成核位置和成核过程实现自组织生长；在掩蔽图形衬底上的纳米结构生长；扫描探针显微术的表面纳米加工；全息光刻技术的纳米图形制备以及激光定域晶化的有序纳米阵列形成等。
（2）硅基光子晶体光子晶体具有合成的微结构、周期性变化的折射率以及与半导体潜在电子带隙相近的光子带隙。
根据能隙空间分布的特点，可以将其分为一维、二维和三维光子晶体。
光子晶体的实际应用是人们所关注的焦点，而与成熟的硅工艺相结合是人们非常看好的方向，可出现全硅基光电子器件和全硅基光子器件，因此制备硅基光子晶体及其应用将是以后的研究重点。
在所有光子晶体制备方法中，运用多光束干涉的全息光刻法有着许多优点：通过照射过程能够制成大体积一致的周期性结构，并能自由控制结构多次。
通过控制光强、偏振方向和相位延迟，制成不同的结构。
2. 硅基光子器件（1）硅基发光二极管作为硅基光电子集成中的光源，硅基发光二极管（Si-LED）的实现是硅基光电子学研究中的一个主攻方向。
双微环硅光谐振器结构-概述说明以及解释
双微环硅光谐振器结构-概述说明以及解释1.引言1.1 概述概述部分的内容可以从双微环硅光谐振器结构的背景和意义入手。
可以参考以下内容进行编写：双微环硅光谐振器结构是一种光学器件，通过将光束封闭在环形波导中，利用光的干涉效应来实现光的传输和处理。
相比传统的波导结构，双微环硅光谐振器以其独特的性能特点和应用潜力备受关注。
首先，在现代通信和信息技术领域，光通信已经成为一种重要的载体，而硅材料由于其兼具光学和电子特性，在光通信中得到了广泛应用。
双微环硅光谐振器结构作为硅光子学中的一种重要设备，具有很高的集成度、可调谐性和低损耗等优势，被广泛应用于光通信、光电子集成电路、光传感等领域。
其次，双微环硅光谐振器结构基于光的干涉原理，利用微环的高品质因子来实现强烈的光场增强效应。
在双微环硅光谐振器中，光的能量可以在环形波导之间来回传输多次，从而增强了光与器件中的物质相互作用效应，使得光子器件具有非常高的灵敏度和调控能力。
这使得双微环硅光谐振器结构成为实现高度集成光电子芯片的重要组成部分。
值得注意的是，双微环硅光谐振器结构的实现面临着一些挑战。
例如，光波在器件传输过程中可能会受到损耗、色散和非线性等因素的影响，这对器件的性能和稳定性提出了一定的要求。
因此，提高双微环硅光谐振器的质量因子、减小波导损耗、提高波导耦合效率等问题成为学术界和工业界关注的焦点。
综上所述，双微环硅光谐振器结构在光通信和光子集成电路中具有广阔的应用前景。
本文将从双微环硅光谐振器结构的原理和性能特点两个方面展开阐述，为读者提供深入了解该结构的理论基础和应用价值。
1.2 文章结构文章结构部分的内容主要是介绍本文的组织结构和各个章节的内容概述。
通过明确的文章结构，读者可以更好地理解文章整体架构和各个章节之间的逻辑关系。
文章结构部分可以按照以下内容编辑:文章结构：本文共分为引言、正文和结论三个部分。
引言部分将首先对双微环硅光谐振器进行概述，介绍其基本原理和性能特点。
(集成光电子学导论)绪论
生物光子学：超小样品检测芯片 纳米光子学 (纳米尺度检测及加工) 光逻辑处理与光计算
其他领域:
光学仪器 光学材料处理 光谱研究等
集成光电子学的理论基础
两大理论基础：物理光学和光电子学 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 学、薄膜光学、导波光学、微电子工艺 基础
英国海底光缆枢纽
思考：对比光缆和 电缆的使用环境， 有什么区别，为什 么？
光传输的优势
电磁干扰小 无电流短路及接地问题 无静电火花 尺寸小重量轻 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， 实现个人计算机，将提高现有计算机速度100-1000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 相关研究。Intel等芯片厂商已经取得突破性进展。
另一个问题
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
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？
为什么带宽大就能支持更快的传输速 度，带宽是什么含义？
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Apple设计的新一代USB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
与现有USB电信号数据传输相比： USB 1.1 1.5Mbit/s USB 2.0 60Mbit/s
思考：为什么光互连芯片数据交换 速度大幅提高？
通过这么课学什么？两个要点
分组大作业：分别利用BPM和FDTD方 法完成两个典型集成光电子学器件的设 计，锻炼大家的团队协作能力，及实际 问题解决能力。
从GFP2011看硅光子学的进展
气 体在 ３ ０— ０ ａ气压 下注 入石 英 管 中处 理 硅 波 ５ ４０Ｐ 导， 实验 过程 中不 需 要 高温 加 热 。 图 ９显 示 了 氢离
善
１７ ５ｏ
子处 理前 后硅 波导 的 Ｓ Ｍ 照 片 ， 以看 到波 导 表 面 Ｅ 可
ｗ ｖｇｉｅｔ ｈｏ ｇ ｓｅｉ ｌ ｔｅＳ Ｉ ｓｉｏ— — ｓ ａｅ）ｅｈ ｏ ｇ ｅｏ ｅ ｎＧ Ｐ０ ｈｓｂ ｅ ｖｒｉ ｅ ． ａｅｕｄ ｃｎｌ ｙｅｐｃ ｙ ｈ Ｏ （ｉｃｎｏ ｉ ｕ ｔｒ ｔ ｎｌｙ ｒｐａ ｄｏ Ｆ ２ １ ａ ｅｎｏｅｖ ｗ ｄ ｅ ｏ ｌ ａ ｌ ｎ ｎｌ ｃ ｏ １ ｅ
第４ ２卷 第 ９期
２１ ０ ２年 ９月
激 光 与 红 外
Ｌ Ｅ ＡＳ Ｒ ＆ Ｉ Ｒ ＮＦ ＡＲＥ Ｄ
Ｖｏ ． １４２， ． Ｎｏ ９
Ｓ ｐｅ ｅ ，０ ２ ｅ ｔｍｂ ｒ ２ １
文 章 编 号 ：０ １５ ７ （０ ２ ０ －９ １ ５ １０ －０ ８ ２ １ ） ９０ ７ － ０
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ｓ ｍｉｏ ｄ ｃｏ ｉ ｃ ｎ ｉ ｉ ｄ ｏ ｌｃｒ ｎ ｍａｅ ｉｌ ａ ｄ ｉ ａ ｓ ｉｄ ｏ ｐ ｒ ｐ ａｅ ｐ ｏｏ ｔｒａ． ｔｒ ｓｒ ｃ ： ｅ ｃ ｎ ｕ ｔ ｒｓ ｉｏ ｓａ ｋｎ ｆｅｅ ｔ ｔｒａ ， ｎ ｓ ｌｏ ａ ｋｎ ｆａ ｐ ｏ ｒ ｔ ｈ ｔｎ ｍａ ｅｉ Ｍａｕ ｅ ｌ ｏ ｉ １ ｍｉｒ —ｌ ｃｒ ｎｃ ｒｃ ｓｅ ｒｖ ｄ ｓ ｌ ｏ ｎ ａｉｎ ｆｒ ｓｌ ｏ ｈ ｔｎ ｃ ． ｈ ｅ ｅ ｔ ｒｇ ｅ ｓ ｆ Ｓ — ａ ｅ ｐ ｉａ ｃ ｏ ｅｅ ｔ ｉｓ ｐ ｏ ｅ ｓ ｓ ｐ ｏ ｉ ｅ ｏｉ ｆｕ ｄ ｔ ｏ ｉ ｃ ｎ ｐ ｏｏ ｉｓ Ｔ ｅ ｒ ｃ ｎ ｐ ｏ ｒ ｓ ｏ ｉｂ ｓ ｄ ｏ ｔ ｌ ｏ ｄ ｏ ｉ ｃ
磁材料场致普克尔斯效应和光整流效应的研究
内容提要本论文首先从理论上分析了直流电场对硅材料的反演对称性的破坏作用，根据推导出的等效二阶非线性光学极化率的形式，证明直流电场沿[100]，]110[和[111]晶向时，硅材料的对称性将由h O 点群分别降低为v C 4，v C 2和v C 3点群。
从而，我们推断硅材料中将具有直流电场诱导的场致普克尔斯效应和场致光整流效应。
在此基础上，我们以沿（111）面切割的近本证硅材料为样品，设计了金属-绝缘体-半导体-绝缘体-金属（MISIM）型样品结构，采用Bias Tee 电路在硅样品上同时沿[111]晶向施加直流电场和交流电信号，从实验上证明了硅样品中存在场致普克尔斯，并观测到在相同的交流调制电场作用下，电光信号的大小随直流偏压的增加而线性增大。
此外，在同样的硅样品中，还观测到了场致光整流效应。
通过测量光整流信号随入射线偏振光方位角的变化关系，证明在[111]晶向直流电场作用下，硅材料的确具有v C 3点群对称特征。
进一步实验证实，场致光整流信号也随外加直流偏压的增加而线性增大。
所得到的这些研究结果将为设计和研制新型硅基光电器件提供理论和实验依据，将有力推动硅基光电子学的发展。
论文中所采用的研究方法对研究其它具有反演对称性的材料的非线性光学性质也具有重要参考价值。
目 录第一章 绪 论 (1)第二章 普克尔斯效应的基本理论 (4)2.1 光波在介质中传播的基本方程 (4)2.1.1晶体的介电常数张量 (4)2.1.2晶体中光波传播特性的几何法描述 (5)2.2 普克尔斯效应 (7)第三章 硅材料场致普克尔斯效应理论分析 (12)3.1 硅的晶体结构和性质 (12)3.2 硅材料中场致普克尔斯效应的基本理论 (12)3.3 电场对硅材料对称性的改变 (15)3.3.1 直流电场沿[001]晶向时硅材料的对称性 (17)3.3.2 直流电场沿[011]晶向时硅材料的对称性 (18)3.3.3 直流电场沿[111]晶向时硅材料的对称性 (21)第四章 硅材料的场致普克尔斯效应的测量 (25)4.1 塞纳蒙补偿器的原理 (25)4.1.1 琼斯矩阵 (25)4.1.2 塞纳蒙补偿器的原理 (27)4.2 场致普克尔斯效应实验设计及测量 (28)4.2.1硅样品结构 (28)4.2.2 实验光路设计及电路设计 (29)4.2.3 实验测量 (31)第五章 硅材料场致光整流效应测量 (34)5.1 光整流的基本理论 (34)5.2 硅材料中场致光整流效应分析 (35)5.2.1硅材料沿[001]方向加电场光整流分析 (36)5.2.2硅材料沿]110[方向加电场光整流分析 (37)5.2.3硅材料沿[111]方向加电场光整流分析 (38)5.3 硅材料[111]方向电场诱导的光整流实验设计与测量 (39)5.3.1电场诱导的光整流实验设计 (39)5.3.2电场诱导的光整流实验测量 (42)结 论 (46)参考文献 (47)摘 要 (1)Abstract (3)致 谢 (6)第一章 绪 论全球信息化产业发展突飞猛进，经济和社会的各个领域对高速信息传输及光电集成的需求也日益增加。
集成光电子学 唐天同 第一章 概论
第一章概论1.1集成光电子学的概论和研究范围集成光电子学是在光电子学和微电子学发展的基础上，采用集成方法研究和发展光电子学器件和复合光电子学器件系统的一门新的学科。
集成光电子学的出现是光电子器件和电子器件本身发展的必然结果，它的发展受到了微电子集成电路技术的启发和促进。
传统的光学系统体积大、稳定性差、调整和光束的准直困难，不能适应现代光电子技术发展的需求。
现代的光电子技术中，对于信号的产生与处理的方式与微电子学不同，这里有两个重要的改变：首先是用光导纤维代替通常的电线或者同轴电缆进行信息的传输；其次是使用集成光路取代通常的集成电路。
在集成光路上，各光电子学元件成型在一个衬底上，用衬底内部或表面上形成的光波导连接起来。
采用类似于半导体集成电路的方法，把光学元件和电子元件以薄膜的形式集成在同一衬底上的集成光电子回路。
这样的集成器件具有体积小、性能稳定可靠、效率高、功耗低、使用方便等优点。
集成光电子学是当今光电子学领域的发展前沿之一，它主要研究集成在一个平面上的光电子学器件和光电子系统的理论、技术与应用，是光子学发展的必由之路和高级阶段。
集成光电子学以半导体激光器等光电子元件为核心集成起来，并以具有一定功能的体系为标志。
目前，主要是研究和开发光通信、光传感、光学信息处理和光子计算机所需的多功能、稳定、可靠的光集成体系和光电子集成体系(OEIC: optical-electronic integrated circuit)；把激光器、调制器、探测器等有源器件集成在同一衬底上，并用光波导、隔离器、耦合器等无源器件连接起来构成的微型光学系统称为集成光路，以实现光学系统的薄膜化、微型化和集成化。
如果同时与电子器件集成，则构成复合光电子集成体系。
集成光电子学的理论基础是光学和光电子学，涉及波动光学与信息光学、非线性光学和、半导体光电子学、晶体光学、薄膜光学、导波光学、耦合模与参量作用理论、薄膜光波导器件和体系等多方面的现代光学和光电子学内容；其工艺基础则主要是薄膜技术和微电子工艺技术。
半导体物理第10章半导体的光学性质和光电与发光现象
二、激子吸收
激子可以在整个半导体材料中运动，由于它是电中性的，因 此，激子的运动并不形成电流。
对于常用的半导体材料，其禁带宽度都比较小，因而激子能 级都靠的很近，所以，激子吸收必须在低温下用分辨率极高的仪 器设备才能观测到。
随着超晶格、量子阱结构的出现，室温下在量子阱结构中观 测到了稳定的二维激子，并利用量子阱激子的纵向电场效应，已 制备出了光学双稳态器件和光调制器件。
二、激子吸收
激子中电子与空穴之间的关系，类似于氢原子中电子与质子的关系，因 此，激子具有和孤立氢原子相同的量子化能级。
根据氢原子的能级公式，激子的束缚能为：
Eenx
=
−
q4
8ε02ε2 rh2n2
mr*
mr*
=
m*p ⋅ mn* m*p + mn*
为电子、空穴的折合质量。
n = 1,2,L, ∞
n = 1 时，为激子的基态能级 Ee1x ；
间接跃迁（非竖直跃迁）： 不遵守选择定则的跃迁。电子不仅与电磁波作用而吸收光子，同时还和晶
格交换一定的振动能量，即发射或吸收一个声子。显然，间接跃迁是电子、光 子和声子三者同时参与的过程。其能量关系为：
hv0 ± Ep = 电子能量差△E
式中Ep为声子的能量，“+” 表示吸收声子，“—” 表示发射声子。通常声子的 能量非常小，可忽略不计，即有：
在实际中，发生间接跃迁的几率比直接跃迁的几率小的多。 间接跃迁 的光吸收系数比直接跃迁的光吸收系数小很多。 直接跃迁的光吸收系数约 为104～106/cm，而间接跃迁的光吸收系数约为1～103/cm。
一、本征吸收
对于直接带隙半导体GaAs，当 hv ≥ hv0
α
GaAs