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硅基光電子學 版權信息
- ISBN：9787030687555
- 條形碼：9787030687555 ; 978-7-03-068755-5
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>>
硅基光電子學 內容簡介
晶體管這個被譽為20世紀偉大的發明改變了世界，而以硅材料為基礎的微電子器件則以其低功耗、低成本、易集成等優點迅速占領了絕大部分電子市場，并成為當時高科技產業的重要支柱。從晶體管的發明、集成電路的出現、計算機的不斷更新換代、再到通信網絡的飛速發展，人類生活的各個層面無不打下了微電子的烙印：微電子產品已經被用到人們物資生活的各個層面；微電子的設計思想和制作方法也已經滲入到不同學科及社會領域。然而，微電子器件的進一步小型化使得集成電路的互連延遲效應及能耗問題成了以電子作為信息載體的高速集成電路技術的一個不可逾越的障礙。與電子相比，光子作為信息載體具有巨大的優勢：光子沒有靜止質量，光子之間也幾乎沒有干擾，光的不同波長可用于多路同時通訊，因此，利用光子的信息技術具有更大的帶寬和更高的速率。所謂硅基光電子學，就是研究和開發以光子和電子為信息載體的硅基大規模集成技術。其核心內容就是探討微米/納米級光子、電子、及光電子器件在不同材料體系中的新穎工作原理，并使用與硅基集成電路工藝兼容的技術和方法，將它們異質集成在同一硅襯底上，形成一個完整的具有綜合功能的新型大規模光電集成芯片的一門科學。雖然硅材料在光電效應方面存在著"先天不足"，而光子器件在尺寸方面也"衍射受限"，但將微電子和光電子結合起來，開發硅基大規模光電子集成技術，已經獲得巨大得進展，并成為信息技術發展的必然和業界的普遍共識。本書的目的僅在于為這一歷史進程提供理論研究和技術開發的支持，希望其內容能夠對讀者起到一個"拋磚引玉"的作用。法。
硅基光電子學 目錄
目錄
前言
**部分 基礎篇
第1章 緒論 2
1.1 電子、光子、芯片 2
1.2 從微電子到光電子 3
1.2.1 微電子所面臨的挑戰 3
1.2.2 集成光路的困難 4
1.2.3 光電子集成 5
1.3 硅基光電子學的起源 7
1.3.1 定義 7
1.3.2 起源、趨勢與挑戰 8
1.4 發展與現狀 10
1.5 本章小結 15
參考文獻 16
第2章 硅基光電子學基本理論 21
2.1 光子光學 21
2.1.1 光子及其特性 21
2.1.2 光子的偏振 23
2，1.3 光子動量 25
2.1.4 光子能量和位置 26
2.1.5 光子的干涉 27
2.1.6 光子的時域特性 28
2.1.7 小結 29
2.2 半導體能帶結構 30
2.2.1 能帶和載流子 30
2.2.2 載流子濃度 34
2.2.3 載流子的產生、復合和注入 40
2.2.4 p-n結 43
2.3 硅基光子晶體帶隙結構 52
2.3.1 光子晶體的帶隙 54
2.3.2 硅基環形光子晶體的帶隙增強 58
2.3.3 光子晶體摻雜 63
2.3.4 小結 64
2.4 硅中光子與載流子的相互作用 65
2.4.1 帶間吸收和發射 67
2.4.2 吸收和發射速率 71
2.4.3 折射率 76
2.5 本章小結 77
參考文獻 78
第3章 硅基光波導 80
3.1 電磁理論基礎 80
3.1.1 電磁場基本方程 80
3.1.2 各向同性媒質中的平面電磁波 85
3.1.3 各向異性媒質巾的平面電磁波 89
3.2 光波導基本理論 93
3.2.1 平板波導理論 94
3.2.2 矩形波導理論 99
3.3 波導耦合理論 103
3.3.1 橫向弱耦合理論 103
3.3.2 不考慮輸入角度的縱向耦合理論 106
3.3.3 考慮光束傳輸角度的波導空間耦合理論 107
3.4 絕緣體上硅光波導 108
3.4.1 SOI材料制備工藝與SOI光波導 109
3.4.2 SOI光波導器件 110
3.5 本章小結 112
參考文獻 112
第4章 硅基光無源器件 115
4.1 光柵器件 115
4.1.1 布拉格條件 1 15
4.1.2 二元閃耀光柵 1 16
4.1.3 光柵器件的應用 118
4.2 光子晶體波導器件 120
4.2.1 光子晶體基本概念 120
4.2.2 光子晶體平板 121
4.2.3 光子晶體平板波導 122
4.2.4 光子晶體波導器件 123
4.3 光耦合器 126
4.3.1 多模干涉耦合器 126
4.3.2 多模干涉耦合器的應用 128
4.3.3 定向耦合器 129
4.4 陣列波導光柵 130
4.4.1 陣列波導光柵基本概念 130
4，4.2 AWG設計原理 130
4.4.3 AWG應用 134
4.5 微環諧振腔 135
4.5.1 微環諧振腔的基本概念 135
4.5.2 微環諧振腔模型 136
4.5.3 基于微環諧振腔的光集成器件 139
4.6 偏振調控器件 142
4.6.1 偏振分束器 142
4.6.2 偏振旋轉器與偏振旋轉分束器 145
4.7 本章小結 148
參考文獻 148
第5章 硅基光源 156
5.1 光發射基礎理論 156
5.1.1 光輻射理論 156
5.1.2 光放人和增益 159
5.1.3 激光器原理 161
5.2 硅放大的限制 163
5.2.1 硅的間接帶隙 163
5.2.2 硅的俄歇復合和自由載流子吸收 164
5.3 硅基發光材料 164
5.3.1 摻鉺材料 164
5.3.2 硅上III-V族半導體材料 168
5.3.3 鍺硅材料 171
5.4 硅基光波導放大器 173
5.4.1 摻鉺光波導放大器 174
5.4.2 硅基In-v族半導體光放大器 176
5.5 硅基激光器 178
5.5.1 硅基摻鉺激光器 178
5.5.2 硅基III-V族半導體激光器 1 79
5，5.3 鍺硅激光器 1 82
5.5.4 納米結構硅激光器 185
5.5.5 硅基拉曼激光器 185
5.6 本章小結 186
參考文獻 187
第6章 硅基光學調制 191
6.1 光學調制原理 191
6.1.1 電光調制 191
6.1.2 熱光調制 192
6.1.3 聲光調制 192
6.2 光學調制評價 193
6.2.1 調制帶寬 193
6.2.2 調制深度 193
6.2.3 插入損耗 193
6.2.4 比特能耗 194
6.2.5 調制器幾何尺度 194
6.2.6 光學帶寬 194
6.2.7 溫度和工藝的敏感度 194
6.3 硅基電光調制 194
6.3.1 硅的光吸收及電光效應 195
6.3.2 硅基電光調制機理 197
6.3.3 硅基電光調制器 201
6.3.4 硅基微環電光調制器 206
6.4 硅基熱光調制 214
6.4.1 硅基熱光調制原理和結構 214
6.4.2 主要性能指標 216
6.4.3 熱光調制研究進展 217
6.4.4 小結 219
6.5 硅基聲光調制 219
6.5.1 聲光調制原理 219
6.5.2 硅基聲光調制器結構參數及性能指標 222
6.5.3 聲光調制研究進展 223
6.5.4 小結 226
6.6 本章小結 226
參考文獻 226
第7章 硅基光電探測 230
7.1 光電探測的基本原理 230
7.1.1 半導體材料對光信號的吸收 230
7.1.2 光電探測的基本原理 232
7.2 光電探測的特性和結構 233
7.2.1 光電探測的特征參數 233
7.2.2 PN光電二極管 236
7.2.3 PIN光電探測器 237
7.2.4 雪崩光電探測器 238
7.2.5 MSM光電探測器 239
7.3 體硅光電探測器 241
7.4 鍺硅光電探測器 244
7.4.1 鍺硅材料的基本物理特性 244
7.4.2 鍺硅波導光電探測器 245
7.5 新型硅基光電探測器 252
7.5.1 硅基-二維材料探測器 252
7.5.2 砬基-III-V探測器 253
7.6 本章小結 255
參考文獻 255
第8章 硅基表面等離激元 259
8.1 表面等離激元概述 259
8.2 表面等離激元基本特性 260
8.2.1 金屬的光學特性 260
8.2.2 表而等離激元色散關系 262
8.2.3 表面等離激元特征尺寸 266
8.2.4 表面等離激元局域場增強特性 268
8.3 表面等離激元器件 270
8.3.1 表面等離激元源 270
8.3.2 表面等離激元波導 273
8.3.3 表面等離激元偏振調控器件 277
8.3.4 表而等離激元模式復用器件 282
8.3.5 表面等離激元調制器 283
8.4 本章小結 285
參考文獻 286
第9章 硅基非線性光學效應 290
9.1 硅基非線性光學簡介 290
9.2 非線性效應基礎理論 291
9.2.1 極化強度、極化率和非線性折射率 291
9.2.2 色散特性 292
9.2.3 麥克斯韋方程組 293
9.2.4 光脈沖傳輸方程 293
9.2.5 Lugiato-Lefever方程 294
9.2.6 克爾效應 295
9.2.7 受激拉曼散射 297
9.2.8 受激布里淵散射 298
9.3 常見硅基非線性材料特性 298
9.4 硅基非線性效應的應用 299
9.4.1 克爾效應在硅基波導中的應用 300
9.4.2 克爾效應在硅基微環諧振腔中的應用 304
9.4.3 控曼放大及拉曼激光 309
9.4.4 布里淵放大及布里淵激光 310
9.5 本章小結 310
參考文獻 311
第10章 硅基光電子器件工藝及系統集成 318
10.1 硅基光電子工藝特殊性及難點 318
10.2 從研發到人規模生產 321
10.2.1 硅基光電子工藝模式 321
10.2.2 成本分析 323
10.3 硅基光電子工藝開發 324
10.3.1 硅基光電子工藝要求 324
10.3.2 硅基光電子工藝流程 329
10.3.3 硅基光電子器件及工藝 333
10.3.4 版圖處理及檢查 350
10.3.5 工藝設計開發包 352
10.4 系統集成 353
10.4.1 多材料集成 353
10.4.2 光電集成 355
10.4.3 系統集成發展 356
10.5 本章小結 356
參考文獻 357
第二部分 應用篇
第11章 硅基光通信和光互連 361
11.1 背景及概述 361
11.1.1 光通信和光互連應用背景 361
11.1.2 硅基光電器件用于光通信和光互連意義 362
11.2 硅基光發射、復用和光接收 363
11.2.1 硅基光發射芯片 364
11.2.2 硅基光接收芯片 366
11.2.3 硅基多維復用技術及芯片 367
11.3 硅基相干光通信 372
11.3.1 先進調制及相干光接收技術 372
11.3.2 硅基高速相干光傳輸芯片 375
11.4 硅基光接入和無線光通信 377
11.4.1 用于二光接入網的硅基芯片 377
11.4.2 周于無線光通信的硅基芯片 378
11.5 硅基數據中心和計算機光互連 380
11.5.1 數據中心光互連芯片 380
11.5.2 片間及片上光電互連芯片 383
11.5.3 光電集成微系統 386
11.6 本章小結 387
參考文獻 388
第12章 硅基光交換 393
12.1 硅基光交換的研究及產業背景 393
12.1.1 光交換背景介紹 393
12.1.2 硅基光交換介紹 395
12.2 硅基光交換研究 400
12.2.1 光交換網絡與硅光 400
12.2.2 硅基光交換研究分類及優缺點 402
12.3 硅基光交換單元器件研究關鍵技術 404
12.3.1 低損耗波導技術 405
12.3.2 相位訓節等開關基本動作控制器件 406
12.3.3 功率合束／分束器 407
12.3.4 交叉波導 407
12.3.5 偏振無關設計 408
12.3.6 光纖耦合器件 412
12.4 控制與封裝 414
12.4.1 電學信號控制技術 4
前言
**部分 基礎篇
第1章 緒論 2
1.1 電子、光子、芯片 2
1.2 從微電子到光電子 3
1.2.1 微電子所面臨的挑戰 3
1.2.2 集成光路的困難 4
1.2.3 光電子集成 5
1.3 硅基光電子學的起源 7
1.3.1 定義 7
1.3.2 起源、趨勢與挑戰 8
1.4 發展與現狀 10
1.5 本章小結 15
參考文獻 16
第2章 硅基光電子學基本理論 21
2.1 光子光學 21
2.1.1 光子及其特性 21
2.1.2 光子的偏振 23
2，1.3 光子動量 25
2.1.4 光子能量和位置 26
2.1.5 光子的干涉 27
2.1.6 光子的時域特性 28
2.1.7 小結 29
2.2 半導體能帶結構 30
2.2.1 能帶和載流子 30
2.2.2 載流子濃度 34
2.2.3 載流子的產生、復合和注入 40
2.2.4 p-n結 43
2.3 硅基光子晶體帶隙結構 52
2.3.1 光子晶體的帶隙 54
2.3.2 硅基環形光子晶體的帶隙增強 58
2.3.3 光子晶體摻雜 63
2.3.4 小結 64
2.4 硅中光子與載流子的相互作用 65
2.4.1 帶間吸收和發射 67
2.4.2 吸收和發射速率 71
2.4.3 折射率 76
2.5 本章小結 77
參考文獻 78
第3章 硅基光波導 80
3.1 電磁理論基礎 80
3.1.1 電磁場基本方程 80
3.1.2 各向同性媒質中的平面電磁波 85
3.1.3 各向異性媒質巾的平面電磁波 89
3.2 光波導基本理論 93
3.2.1 平板波導理論 94
3.2.2 矩形波導理論 99
3.3 波導耦合理論 103
3.3.1 橫向弱耦合理論 103
3.3.2 不考慮輸入角度的縱向耦合理論 106
3.3.3 考慮光束傳輸角度的波導空間耦合理論 107
3.4 絕緣體上硅光波導 108
3.4.1 SOI材料制備工藝與SOI光波導 109
3.4.2 SOI光波導器件 110
3.5 本章小結 112
參考文獻 112
第4章 硅基光無源器件 115
4.1 光柵器件 115
4.1.1 布拉格條件 1 15
4.1.2 二元閃耀光柵 1 16
4.1.3 光柵器件的應用 118
4.2 光子晶體波導器件 120
4.2.1 光子晶體基本概念 120
4.2.2 光子晶體平板 121
4.2.3 光子晶體平板波導 122
4.2.4 光子晶體波導器件 123
4.3 光耦合器 126
4.3.1 多模干涉耦合器 126
4.3.2 多模干涉耦合器的應用 128
4.3.3 定向耦合器 129
4.4 陣列波導光柵 130
4.4.1 陣列波導光柵基本概念 130
4，4.2 AWG設計原理 130
4.4.3 AWG應用 134
4.5 微環諧振腔 135
4.5.1 微環諧振腔的基本概念 135
4.5.2 微環諧振腔模型 136
4.5.3 基于微環諧振腔的光集成器件 139
4.6 偏振調控器件 142
4.6.1 偏振分束器 142
4.6.2 偏振旋轉器與偏振旋轉分束器 145
4.7 本章小結 148
參考文獻 148
第5章 硅基光源 156
5.1 光發射基礎理論 156
5.1.1 光輻射理論 156
5.1.2 光放人和增益 159
5.1.3 激光器原理 161
5.2 硅放大的限制 163
5.2.1 硅的間接帶隙 163
5.2.2 硅的俄歇復合和自由載流子吸收 164
5.3 硅基發光材料 164
5.3.1 摻鉺材料 164
5.3.2 硅上III-V族半導體材料 168
5.3.3 鍺硅材料 171
5.4 硅基光波導放大器 173
5.4.1 摻鉺光波導放大器 174
5.4.2 硅基In-v族半導體光放大器 176
5.5 硅基激光器 178
5.5.1 硅基摻鉺激光器 178
5.5.2 硅基III-V族半導體激光器 1 79
5，5.3 鍺硅激光器 1 82
5.5.4 納米結構硅激光器 185
5.5.5 硅基拉曼激光器 185
5.6 本章小結 186
參考文獻 187
第6章 硅基光學調制 191
6.1 光學調制原理 191
6.1.1 電光調制 191
6.1.2 熱光調制 192
6.1.3 聲光調制 192
6.2 光學調制評價 193
6.2.1 調制帶寬 193
6.2.2 調制深度 193
6.2.3 插入損耗 193
6.2.4 比特能耗 194
6.2.5 調制器幾何尺度 194
6.2.6 光學帶寬 194
6.2.7 溫度和工藝的敏感度 194
6.3 硅基電光調制 194
6.3.1 硅的光吸收及電光效應 195
6.3.2 硅基電光調制機理 197
6.3.3 硅基電光調制器 201
6.3.4 硅基微環電光調制器 206
6.4 硅基熱光調制 214
6.4.1 硅基熱光調制原理和結構 214
6.4.2 主要性能指標 216
6.4.3 熱光調制研究進展 217
6.4.4 小結 219
6.5 硅基聲光調制 219
6.5.1 聲光調制原理 219
6.5.2 硅基聲光調制器結構參數及性能指標 222
6.5.3 聲光調制研究進展 223
6.5.4 小結 226
6.6 本章小結 226
參考文獻 226
第7章 硅基光電探測 230
7.1 光電探測的基本原理 230
7.1.1 半導體材料對光信號的吸收 230
7.1.2 光電探測的基本原理 232
7.2 光電探測的特性和結構 233
7.2.1 光電探測的特征參數 233
7.2.2 PN光電二極管 236
7.2.3 PIN光電探測器 237
7.2.4 雪崩光電探測器 238
7.2.5 MSM光電探測器 239
7.3 體硅光電探測器 241
7.4 鍺硅光電探測器 244
7.4.1 鍺硅材料的基本物理特性 244
7.4.2 鍺硅波導光電探測器 245
7.5 新型硅基光電探測器 252
7.5.1 硅基-二維材料探測器 252
7.5.2 砬基-III-V探測器 253
7.6 本章小結 255
參考文獻 255
第8章 硅基表面等離激元 259
8.1 表面等離激元概述 259
8.2 表面等離激元基本特性 260
8.2.1 金屬的光學特性 260
8.2.2 表而等離激元色散關系 262
8.2.3 表面等離激元特征尺寸 266
8.2.4 表面等離激元局域場增強特性 268
8.3 表面等離激元器件 270
8.3.1 表面等離激元源 270
8.3.2 表面等離激元波導 273
8.3.3 表面等離激元偏振調控器件 277
8.3.4 表而等離激元模式復用器件 282
8.3.5 表面等離激元調制器 283
8.4 本章小結 285
參考文獻 286
第9章 硅基非線性光學效應 290
9.1 硅基非線性光學簡介 290
9.2 非線性效應基礎理論 291
9.2.1 極化強度、極化率和非線性折射率 291
9.2.2 色散特性 292
9.2.3 麥克斯韋方程組 293
9.2.4 光脈沖傳輸方程 293
9.2.5 Lugiato-Lefever方程 294
9.2.6 克爾效應 295
9.2.7 受激拉曼散射 297
9.2.8 受激布里淵散射 298
9.3 常見硅基非線性材料特性 298
9.4 硅基非線性效應的應用 299
9.4.1 克爾效應在硅基波導中的應用 300
9.4.2 克爾效應在硅基微環諧振腔中的應用 304
9.4.3 控曼放大及拉曼激光 309
9.4.4 布里淵放大及布里淵激光 310
9.5 本章小結 310
參考文獻 311
第10章 硅基光電子器件工藝及系統集成 318
10.1 硅基光電子工藝特殊性及難點 318
10.2 從研發到人規模生產 321
10.2.1 硅基光電子工藝模式 321
10.2.2 成本分析 323
10.3 硅基光電子工藝開發 324
10.3.1 硅基光電子工藝要求 324
10.3.2 硅基光電子工藝流程 329
10.3.3 硅基光電子器件及工藝 333
10.3.4 版圖處理及檢查 350
10.3.5 工藝設計開發包 352
10.4 系統集成 353
10.4.1 多材料集成 353
10.4.2 光電集成 355
10.4.3 系統集成發展 356
10.5 本章小結 356
參考文獻 357
第二部分 應用篇
第11章 硅基光通信和光互連 361
11.1 背景及概述 361
11.1.1 光通信和光互連應用背景 361
11.1.2 硅基光電器件用于光通信和光互連意義 362
11.2 硅基光發射、復用和光接收 363
11.2.1 硅基光發射芯片 364
11.2.2 硅基光接收芯片 366
11.2.3 硅基多維復用技術及芯片 367
11.3 硅基相干光通信 372
11.3.1 先進調制及相干光接收技術 372
11.3.2 硅基高速相干光傳輸芯片 375
11.4 硅基光接入和無線光通信 377
11.4.1 用于二光接入網的硅基芯片 377
11.4.2 周于無線光通信的硅基芯片 378
11.5 硅基數據中心和計算機光互連 380
11.5.1 數據中心光互連芯片 380
11.5.2 片間及片上光電互連芯片 383
11.5.3 光電集成微系統 386
11.6 本章小結 387
參考文獻 388
第12章 硅基光交換 393
12.1 硅基光交換的研究及產業背景 393
12.1.1 光交換背景介紹 393
12.1.2 硅基光交換介紹 395
12.2 硅基光交換研究 400
12.2.1 光交換網絡與硅光 400
12.2.2 硅基光交換研究分類及優缺點 402
12.3 硅基光交換單元器件研究關鍵技術 404
12.3.1 低損耗波導技術 405
12.3.2 相位訓節等開關基本動作控制器件 406
12.3.3 功率合束／分束器 407
12.3.4 交叉波導 407
12.3.5 偏振無關設計 408
12.3.6 光纖耦合器件 412
12.4 控制與封裝 414
12.4.1 電學信號控制技術 4
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硅基光電子學 節選
**部分 基礎篇 第1章 緒論 人們對電子、光子的了解，不僅導致了技術時代的更迭，也導致了信息社會的出現及發展。而信息社會對小巧、廉價、低能耗器件和系統的偏愛催生了各種各樣的半導體芯片。 硅基光電子學(silicon photonics，SiPh)是探討微納米量級電子、光子、光電子器件在不同材料體系中的新穎工作原理，并利用與硅基集成電路工藝兼容的技術和方法，將它們異質集成在同一硅襯底上，形成一個完整的具有綜合功能的新型大規模光電集成芯片的一門新興交叉科學。它反映了半導體芯片的發展過程，但也僅僅是其中的一個特殊階段。本章將從半導體科學和信息科學發展的歷史角度，闡述硅基光電子學的必要性和必然性。 1.1 電子、光子、芯片 電子是一種帶有負電的亞原子粒子，是構成物質的基本粒子之一，它繞原子核運動，可以通過電線傳導。電子的反粒子是正電子，其質量、自旋、帶電量大小都與電子相同，但是電量正負性與電子相反。電子與正電子會因碰撞而互相湮滅，同時，產生一個以上的光子。由于在各種物質的原子內部，電子的運動情況不同，因此它們發射的光子也不同。光子是一種電磁波的量子狀態，是傳遞電磁相互作用的基本粒子，它同時具有波動性和粒子性，轅好的傳輸方法是沿光波導運動。光波或光子的不同頻率分布組成光譜，如可見光中不同顏色對應不同的光譜區。不同頻率的光子可以通過同一根波導進行傳輸而互不影響。電子、光子、光譜示意圖如圖1.1所示。 電子是一種費米子，利用它在半導體內的運動規律和相瓦作用，可以制備出二極管、晶體管等邏輯和存儲器件，以便實現電子緩存、存儲和邏輯運算等功能。光子是一種玻色子，沒有靜止質量，在室溫下難以實現明顯的相互作用。光予以光速傳輸，速度很快，但缺乏便捷的方法進行存儲，難以實現光子邏輯門運算。然而，光子相比電子具有更多可控的調制和復用維度，如波長、相位、偏振、空間模式等，可以攜帶更多的信息量。 自從1897年Thomson證實電子的存在以來，人們就一直在研究如何控制它在真空中、固體中、半導體中的運動狀態。與之對應，人們先后發明了電子管、品體管、集成電路（又稱電子芯片），然后在“摩爾定律”的指導下，對硅基電子芯片進行了長達60余年的研究。這是一個由電子學發展成電子芯片的過程，反映了人們對小尺寸、低能耗、高度集成的追求。這個電子芯片的特點是僅僅利用電子作為信息載體。同樣道理，人們控制光子行為的愿望，也經過了從光子學發展出光子芯片的過程。這個光子芯片的特點則是僅僅利用光子作為信息載體。以此類推：光電子學通過對III-V族材料中光子和電子相互作用的研究發展出傳統的光電子芯片；硅基光電子學通過對光子、電子以及兩者之間的相互作用的研究，利用硅材料與其他材料的異質集成工藝，發展出硅基光電子芯片。這幾個不同學科的發展，也反映了不同科學技術時代的更迭。 圖1.1 電子、光子、光譜示意圖 1.2 從微電子到光電子 微電子時代的發展可以追溯到晶體管的出現。1947年12月16同，美國AT&T公司貝爾實驗室的三位科學家William Shockley、John Bardeen和Walter Brattain制成了世界上**支晶體管，開始了以晶體管代替電子管的時代，從而拉開了微電子時代的序幕。晶體管這個被譽為20世紀*偉大的發明改變了世界，而以硅材料為基礎的半導體工業迅速占領了絕大部分市場，并成為當時高科技產業的重要支柱。從品體管的發明、集成電路(integrated circuit，IC)的出現、計算機的不斷更新換代，再到通信網絡的飛速發展，人類生活的各個層面無不打下了微電子的烙印：微電子產品已經被用到人們物質生活的各個層面；微電子的設計思想和制作方法也已經滲入到不同學科及社會領域。這一時代被譽為“微電子時代”是恰如其分的。但是，隨著微電子技術往縱深方向發展，其量子特征也逐漸表現出來。近60年來一直成功地描述了IC發展趨勢的摩爾定律也正在接近尾聲。 1.2.1 微電子所面臨的挑戰 微電子技術是建立在以晶體管等半導體器件為核心的集成電路基礎上的，其主要產品集成電路芯片是構成各種電子電路和電子信息系統的核心部件。60余年來，微電子技術按照“摩爾定律”預測的那樣，“半導體芯片的集成度每18個月增長一倍，而價格則降低一半”，以驚人的速度一直發展著。然而根據國際半導體技術發展路線圖(ITRS) 2015年的預測，到2020年時，基于集成電路的閃存線寬(half pitch)將減小至12nm；而在2021年時，邏輯器件的柵長也將減小到10nm，這些基本上就是理論極限了。屆時，以硅為基礎的微電子技術由于物理極限的限制，將很難繼續遵循摩爾定律來發展。首先，隨著微納器件集成度的進．步提高，器件線寬的進一步減小，電互連所固有的局限性將促使芯片的發熱量迅速增加，引起串擾、噪聲、能耗、時延等多方面的問題，從而使芯片系統無法正常工作；其次，現有的加工設備已經接近工藝極限，通過減小線寬的方法來提高芯片的工作頻率和集成度面臨非常大的工藝問題。此外，當線寬進入深納米尺寸時，如何避免量子效應導致相鄰導線之間的量子隧穿，也面臨前所未有的挑戰[4-6]。 可見，用電子作為信息載體的微電子技術，當器件的加工線寬發展到納米尺度時，將遇到其發展的理論與技術瓶頸。岡此，急需新的理論與技術來解決上述諸多限制與問題，否則信息技術的發展將裹足木前，并嚴重影響人類社會和經濟的進一步向前發展。 1.2.2 集成光路的困難 在21世紀，人們邁入了一個高度信息化的時代。信息時代的特征是：信息量十分巨大，信息傳遞非常快捷，信息處理迅速準確。日前大部分的信息是由電子傳導的。電子具有靜止質量，且電子之間存在庫侖作用，因此電子的運動及電信號易受電磁場干擾，從而限制了電子通信的容量和速率。與電子相比，光子作為信息載體具有巨大優勢：光子沒有靜止質量，光子之間也幾乎沒有干擾，不同波長、偏振、模式的光子可用于多路同時通信，因此光信息傳輸可具有更大的帶寬和更高的速率。另一方面，光信號處理速度很高，且不受電磁場干擾。這些優點使得光子技術在未來的信息化社會中必將扮演非常重要的角色。 受到了微電子集成電路技術的啟迪和促進，光子學發展的一個重要目標就是要實現集成光路。一套典型的集成光路系統結構示意圖如圖1.2所示，它包含了光的產生、耦合、傳輸、調制、探測等幾個部分。然而，真正被集成到單一芯片上的只是一些無源器件，它們與外部的有源光電子器件如激光器和探測器相連接，構成具有一定獨市功能的微型光學系統。從這個意義上來說，把只集成了無源光器件的片上系統叫作“集成光路”倒也正確，滿足了僅僅利用光子作為信息載體的特征。如果真的把激光器和探測器這些有源光電子器件也集成到一片芯片中去，那么它就應當被稱為“光電集成芯片”了。 與普通光學系統相比，集成光路具有很多優點：信號帶寬大，容易實現密集波分復用，尺寸小，重量輕，能耗小，成批制備成本低，可靠性高等。得益于微電子制備技術和光電子學的發展，集成光路繼承了許多集成電路的優點。表1.1列出了集成光路和集成電路的比較。 圖1.2 一套典型的集成光路系統結構示意圖 表1.1 集成光路和集成電路的比較 由此可見，與集成電路相比，集成光路目前在實踐應用中仍然面臨許多技術和性能障礙，在理論上也有待新的突破。*主要的問題是集成光路中光學元器件的尺寸受衍射的限制，以及缺乏統一的標準化制備技術，導致制造成本很高。另一方面，由于光邏輯和光處理器件的發展相對緩慢，具有真正“計算”功能的集成光路還正處于早期探索階段。 1.2.3 光電子集成 眾所周知，許多物質中都存在著諸如電光、聲光、磁光、熱光等多種線性或非線性物理效應，可以用來實現各種功能豐富的微納光電器件。當純粹的電子或光子集成遇到困難時，將兩者結合起來不失為一種可行的選擇。特別是，在集成電路和集成光路都有了相當程度的技術積累時，努力發展光電子集成就是順理成章的事情。可以預見，未來的信息化時代將是光子載體與電子載體攜手合作，互相補充，*終走向融合統一，實現光電子集成的時代。 在開發光電子器件的過程中，人們*初選擇的是Ⅲ-V族材料平臺，其主要原因就是它們的光電效應比較強。許多優質的光電器件如發光管、激光器、探測器、混頻器等在信息技術和人們的日常生活中發揮了重要的作用。然而，在向大規模集成發展過程中，這種材料的兩個基本問題，脆性和沒有穩定的保護層，被放入成了精細工藝的巨大阻礙。經過幾十年的發展，其集成度和成本還是遠遠無法與硅基集成技術相比。這種小規模的，基于Ⅲ—V族材料平臺的光電子集成屬于傳統的光電子集成范疇。 圖1.3為20世紀90年代由Soref建議的光電子混合集成芯片系統示意圖[8]，為了克服集成規模上的限制，包含了光的產生、放大、耦合、傳輸、調制、探測和高速電子電路等部分。其光信號通過光纖與波導直接耦合的方式與外界相連。所有的光咆子器件均由Ⅲ-V族半導體構成，并且與硅基電子電路分別制作，混合集成。 圖1.3 光電子混合集成芯片系統示意圖(HBT:異質結雙極晶體管；HEMT:高電子遷移率晶體管；MODFET:調制摻雜場效應管；BiCMOS:雙極性晶體管互補式金屬氧化物半導體) 圖1.4是Intel給出的光互連與電互連（主要指銅線互連）的成本與帶寬、傳輸距離關系以及發展趨勢圖。從圖中可以看出，在一段時期內光互連技術與電互連技術共同存在，但是當工作頻率擴展到40GHz以上時，光互連的優勢將凸顯，并且將逐漸取代電互連成為芯片互連技術的主體。 這種趨勢表明，在以電子為主要信息載體l拘集成電路芯片中，光互連技術必
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