第1章
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半导体光子学
余 金 中
Jinzhong YU 中国科学院半导体研究所 Institute of Semiconductors Chinese Academy of Sciences
Tel: 86-10-8230 4503 Fax: 86-10-8230 5052 E-mail: jzyu@https://www.360docs.net/doc/c63721464.html,
第一章 引言
Introduction
1. 百年物理 2. 光子学是什么 3. 课程内容 4. 参考书目
从左至右 从左至右 前排坐者： 郎谬尔 普郎克 居里夫人 洛伦茨 爱因斯坦 郎之万 居 伊 威尔逊 里查孙 前排坐者： 郎谬尔 普郎克 居里夫人 洛伦茨 爱因斯坦 郎之万 居 伊 威尔逊 里查孙 后排坐者： 德拜 克劳森 布拉格 克拉末斯 狄拉克 康普顿 德布罗意 玻恩 玻尔 后排坐者： 德拜 克劳森 布拉格 克拉末斯 狄拉克 康普顿 德布罗意 玻恩 玻尔 立者：皮卡德 亨利奥特 埃伦菲斯特 赫尔芩 德康德 薛定锷 费沙费耳特 泡利 海森佰 立者：皮卡德 亨利奥特 埃伦菲斯特 赫尔芩 德康德 薛定锷 费沙费耳特 泡利 海森佰 福勒 布里渊 福勒 布里渊
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Dr. Albert Einstein
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(1879-1955) Ulm Germany
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Three Major Developments in Optics
Invention of Laser Low-loss Optical Fiber Semiconductor photonic Devices
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半导体光子学发展史
年份 科学家 1905 德国爱因斯坦 (Albert Einstein)* 1916 德国爱因斯坦 (Albert Einstein)* 美国汤斯（Charies H. Towners)* 、前苏联巴 1954 索 夫 (Nikolai G.Basov)* *和 普 洛 霍 洛 夫 (Aleksander M. Prokhorov) * 美国 1958 (Arthur汤 斯 （ Charies* H. Towners) 和 肖 洛 L. Schawlow) 1960 美国 海曼 (Theodore H. Haiman) 科学发明 提出光的粒子和波动二重性 提出光子受激发射和吸收理论 第一次实现氨分子微波量子振 荡器 (Maser) 第一次提出实现激光器 (Laser)思想 成功作出世界第一台红宝石固 体激光器
前苏联 巴索夫(N. G.Basov)*、美国博纳徳 成功研究半导体的受激发射 1962 （M. G. Bernard)* 和杜恩克(U. P. Dumke)* 美 国 霍 尔 (R. N. Hall) 、 奈 斯 恩 1962 Nathan)、霍洛尼亚克（N. Holonyak） (N.L. 克罗默(H. Kroemer)和前苏联 阿尔费 1963 美国 (Zh. I. Alferov） 若夫 美国 潘尼希(M. B. Panish)和日本林严雄(I. 1970 Hayashi) 前苏联巴索夫(N. G.Basov)* 1970 美国 江崎(L.Esaki) *朱棣文(Steven Chu)* 美国 1972 Shank)科克尼克(H. Kogelnik)和香克(C. V. 1973 日本 中村道治 (Nakamuna) 1977 美国 迪普伊（Dupuis）和达普斯(Dapuus) 1997 日本索达(Soda)和伊贺 （Iga）
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首次成功制出半导体 GaAs 同质结 激光二极管器
提出异质结构用于半导体激光 器 三个实验室分别实现 AlGaAs DH 激光器室温下 CW 工作 提出量子阱和超晶格概念 采用电磁场理论分析了 DFB 激光器原理 成功制出分布反馈 (DFB)激光器 成功制出 量子阱(QW)激光器 成功制出垂直腔面发射(VCSEL)激 光器 * 诺贝尔物理奖获得者
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半导体光子学发展概图
光线 几何光学 现代光学 光子学 激光器 探测器 数字 初等数学 高等数学 计算器 电荷 电学 电子学 微电子学
集成电路 光电子集成
计算科学 计算机 光电子学
人工智能 光计算机
物体
机械学
微细加工
微米加工 纳米技术 纳米管 光子晶体 外延生长 材料工程
材料
晶体学
材料科学
1850s
1880s
1900s
1920s
1940
1950s
1960s
1970s
1980s
1990s
21 世纪
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光波的波长和频率
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Progress in Lightwave Transmission
Year 1980 1986 1987 1989 1991 >1994 Digital Hierarchy DS3 9×DS3 (FTsG) 12×DS3 36×DS3 (FT9G/WDM) 72×DS# (FT9G/WDM) OC48 OC192 Bit Rate (Mb/s) 44.7 417 565 1,668 2×1,668 2,488 9,953 Number of Channels Voice TV 672 1 6,048 9 8,064 24,192 48,384 32,256 129,024 9 12 72 48
IC speed Lightwave Capacity
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×10 in 10 years × 100 in 10 years
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信息技术的三“T”
Three “T” of Information Technology “T”: tera (1012 )
1. Calculation rate of computer 计算机计算速度 1T bit/sec. 2. Transmission rate of optical fiber communication 光纤通信传输速度 1T bit/sec. 3. Recordation density of optical disc 2 光盘记录密度 1T bit/inch2
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信息科学五十年前后对比
年份 电子器件尺寸 电子器件功耗 集成度 门电路延迟时间 计算机速度 1950 晶体管发明不久,尚 无可靠产品,微小型 3 电子管体积>0.6cm3 >50mW 无 ~μs ~10 次/秒
2 2
2000 VLSI 中每个器 件平均体积 -8 3 <10-8cm3 <10nW
8 >108 器件
前后变化
8 缩小 108 倍 7 缩小 107 倍 8 >108 倍
~0.1ns ~10 次/秒
12 12
加快数万倍
10 增加 1010 倍
引自 王守觉院士的学术报告
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Moore’s Law Scaling
Source: Intel Source: Intel
Microprocessor transistor count
Itanium? 2 Processor Itanium? Pentium? III Processor Pentium? Pentium? Processor Pentium? Pentium? II Processor Pentium? 386? Processor 386? 286 486? DX Processor 486? Pentium? 4 Pentium? Processor
1,000,000,000 100,000,000 10,000,000 1,000,000 100,000 10,000
8086 4004 8080 8008
1,000 1980 1990 2000 2010
1970
nd ~ 1 Billion transistors by 2nd half of decade
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Customer Demand
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世界夜间照明卫星照片
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Tendency of Semiconductor Technology
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Si-based OEIC
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课程内容
第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章 第八章 第九章 第十章
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引言 异质结构 介质波导 半导体光子学基础 半导体激光器的基本结构和特性 DFB、QW、VCSEL激光器 半导体探测器 半导体光波导器件 半导体光电子集成 光子晶体与光子芯片
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参考书目
余金中，<半导体光电子技术>，化学工业 出版社，2003年版。 黄德修，<半导体光电子学>，电子科技大 学出版社，1994年版。 江剑平， <半导体激光器>，电子工业出版 社，2000年版。 H. C. Casey Jr. & M. B. Panish,
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