(集成光电子学导论)第十章硅光子学
会“发光”的芯片——混合硅激光技术解析
会“发光”的芯片——混合硅激光技术解析光的速度让我们叹为观止，你是否想过有一天，计算机的速度就像光那样快？或许你认为这是天方夜谭，但科学家正不遗余力地把这一想法变成现实。
2006年9月18日，来自英特尔公司和美国加州大学圣芭芭拉分校的研究人员成功研发了世界首个采用标准硅工艺制造的混合硅激光器（Hybrid Silicon Laser），这项技术的突破有望把计算机带入光速时代。
光是如何与硅芯片擦出“爱”的火花呢？人们为何垂青硅激光芯片？硅激光芯片就是可以让激光通过的硅芯片，同今天我们熟悉的电子计算机不一样，它是以激光作为数据传输的载体。
当硅激光芯片广泛应用于计算机内部时，陪伴我们多年的电子计算机就要开始改名换姓了，它将被全新的名称——“光计算机”所代替。
以激光作为计算机数据的传输载体，其优势早就为科学家们所熟知。
其一，数据传输带宽将达到令人难以相信的程度。
我们知道，光的传播速度高达每秒30万公里，而电子的传播速度仅为每秒593公里，两相比较，电子的运动速度慢得就像蜗牛在爬。
光的极速特性决定了它在传输带宽上的提升潜力，今天我们在为传输带宽的提升而绞尽脑汁，明天只需几条光束就可以达到同样甚至几倍的水平，这就是光计算机的魅力！其二，并行运算处理将变得更加容易。
在当前的服务器领域，AMD的HyperTransport总线备受欢迎，一个重要的原因就是它可以让并行运算更加高效。
不过在光计算机的眼里，HyperTransport的这点功夫根本不值一提。
电子是沿固定线路流动的，我们无法随意改变它流动的方向，而光就不一样了，我们可以利用反射镜、棱镜、分光镜等光学设备，随意控制和改变光的方向，这样一来，数据就能轻而易举地流动到不同的处理核心，核心之间的数据交换将变得更加高效，多处理器的并行运算将迎来一个崭新的时代。
其三，有助于芯片体积进一步缩小。
电子计算机利用电子传输信息，容易受磁场影响，而光计算机利用光子传输信息，不会受磁场影响，而且光线相交时也不会互相干扰。
《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。
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
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子处 理前 后硅 波导 的 Ｓ Ｍ 照 片 ， 以看 到波 导 表 面 Ｅ 可
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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
硅光异质集成铌酸锂薄膜技术的进展及其未来发展探讨
一、引言随着信息技术的飞速发展，硅光电子学在实现光电子集成领域的应用中崭露头角。
硅光电子学的发展对于未来高速通信、超级计算机和光通信等领域具有重要意义。
而铌酸锂薄膜技术则是硅光电子学领域中的重要技术之一，其在光器件中的应用越来越受到关注。
本文将对硅光异质集成铌酸锂薄膜技术的进展及其未来发展进行探讨。
二、硅光异质集成铌酸锂薄膜技术的概述1. 硅光电子学的发展硅光电子学指的是在硅基材料上实现光电子器件的技术和学科领域。
硅光电子学的发展受益于硅材料本身的成熟工艺和设备，可以利用现有的半导体工艺和设备技术，降低成本，提高生产效率，因此备受关注。
2. 铌酸锂薄膜技术的应用铌酸锂（LiNbO3）是一种优异的非线性光学材料，可以广泛应用于光调制器、光开关、光频率倍增等光器件中，具有较高的光电对称性和线性光学效应，因此被广泛用于光通信和光通信领域。
3. 硅光异质集成铌酸锂薄膜技术的原理在硅光电子学中，铌酸锂薄膜技术是一种将铌酸锂薄膜集成到硅基底上的技术，通过光子和电子的相互作用，实现光电子器件的功能。
硅光异质集成铌酸锂薄膜技术的出现，为硅光电子学领域的发展提供了新的机遇和挑战。
三、硅光异质集成铌酸锂薄膜技术的研究进展1. 硅光异质集成铌酸锂薄膜技术的关键技术硅光异质集成铌酸锂薄膜技术的关键技术包括铌酸锂薄膜的制备、硅基底上的铌酸锂薄膜的集成和器件制备等方面。
在这些关键技术方面，研究人员取得了显著的进展，为硅光异质集成铌酸锂薄膜技术的发展奠定了基础。
2. 硅光异质集成铌酸锂薄膜技术的研究应用硅光异质集成铌酸锂薄膜技术已经在光通信、超级计算机、生物医学成像等领域得到了广泛应用，并取得了良好的效果。
研究人员还在不断探索新的应用领域，预计硅光异质集成铌酸锂薄膜技术将迎来更广阔的发展空间。
3. 硅光异质集成铌酸锂薄膜技术的研究热点目前，硅光异质集成铌酸锂薄膜技术的研究热点主要集中在新型铌酸锂薄膜制备技术、高性能光电器件制备技术、器件结构优化等方面。
半导体器件导论_10
《半导体器件导论》第10章双极型晶体管例10.1 确定npn双极型晶体管基区的过剩少子电子浓度。
Τ=300Κ时，硅双极型晶体管的各区均匀掺杂，掺杂浓度分别为N E=1018cm−3，N B=1016cm−3，B-E结正偏电压V BE=0.610V。
假设中性基区宽度x B=1μm，少子扩散长度L B=10μm，试确定x=x B2⁄处的实际少子浓度[参见式(10.15a)]与理想情况的线性少子分布[参见式(10.15b)]之比。
【解】由半导体物理知识，可得n BO=n i2N B =(1.5×1010)21016=2.25×104cm−3对实际分布，有δn B(x=x B2)=2.25×104sin h(110)×{[exp(0.6100.0259)−1]sin h(1−0.510)−sin h(0.510)}或δn B(x=x B2)=1.9018×1014cm−3对线性近似，有δn B(x=x B2)=2.25×10410−4×{[exp(0.6100.0259)−1](0.5×10−4)−(0.5×10−4)}或δn B(x=x B2)=1.9042×1014cm−3取实际浓度与线性近似之比，可得R=1.9018×10141.9042×1014=0.9987【说明】当x B=1μm，L B=10μm时，我们可以看到，基区内实际的过剩少子浓度与线性近似的少子浓度非常接近。
例10.2 确定晶体管发射区的过剩少子浓度，并与基区过剩少子浓度进行比较。
若硅双极型晶体管的参数与例10.1完全相同，试确定δp E(x′=0)δn B(x=0)⁄【解】由式(10.20a)，可得δp E(0)=p EO[exp(eV BEkT)−1]由式(10.13a )，可得δn B (0)=n BO [exp (eV BEkT)−1]因此δp E (0)δn B (0)=p EO n BO =n i 2N E ⁄n i 2N B ⁄=N B N E =10161018即δp E (0)δn B (0)=0.01 【说明】随着对双极型晶体管分析的深入，我们将看到对于性能良好的晶体管，这个比需求相当小。
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
《集成光电子器》课件
详细描述
集成光电子器的发展可以追溯到20世纪70年代，当时 的研究主要集中在单个器件的集成上。随着材料科学和 微纳加工技术的发展，多功能器件的集成成为可能，推 动了集成光电子器的快速发展。如今，集成光电子器已 经在通信、传感、医疗等领域实现了广泛应用，成为支 撑未来光子技术发展的重要基石。同时，随着新材料、 新工艺的不断涌现，集成光电子器的性能和应用范围还 将得到进一步提升和拓展。
生物传感
集成光电子器可以结合生物分子识别技术，实现生物传感器的微型化和集成化 ，用于医疗诊断和食品安全等领域。
计算领域
光计算
集成光电子器可以实现光计算，利用 光信号的高速传输和处理能力，提高 计算效率和能效。
光学神经网络
集成光电子器可以构建光学神经网络 ，模拟人脑的神经元网络，用于模式 识别、图像处理和智能控制等领域。
如强度调制、相位调制、频率调制等。
光检测原理
要点一
总结词
光检测是将光信号转换为电信号的过程，是集成光电子器 中的重要环节。
要点二
详细描述
光检测器是集成光电子器中的关键元件，用于将光信号转 换为电信号。当光照射到光检测器上时，光子与材料中的 电子相互作用，产生电子-空穴对。在电场的作用下，电子 和空穴分别向相反方向移动，形成电信号。通过光电效应 的原理，可以将不同波长的光转换为相应的电信号，从而 实现光的探测和测量。
03
集成光电子器的应用领域
通信领域
高速光通信
集成光电子器在光纤通信中发挥着关 键作用，可以实现高速、大容量的数 据传输，提高通信网络的性能和可靠 性。
光信号处理
集成光电子器可用于光信号的产生、 调制、放大、滤波等处理，提高光信 号的传输质量和处理速度。
硅基光电子学
内容摘要
这些技术的介绍为从事硅基光电子器件研究和开发的人员提供了重要的参考信息。
本书的第八章至第十章分别介绍了硅基光电子器件的设计理论和方法，包括波导器件、光源和探 测器等。这些章节不仅介绍了器件的设计原理，还探讨了器件的性能优化和实现方法。
本书的第十一章至第十二章分别介绍了硅基光电子器件的应用领域，包括光通信、生物医学和传 感等。这些章节的介绍有助于读者了解硅基光电子器件的应用前景和未来发展方向。
《硅基光电子学》这本书的引言部分主要介绍了硅基光电子学的背景、意义和 研究现状。同时，还对本书的结构和内容进行了简要说明。通过阅读引言，读 者可以了解到硅基光电子学的基本概念、发展历程和未来发展趋势。
第二章至第四章为本书的硅基光电子学基础部分。其中，第二章介绍了硅基光 电子学的材料基础，包括硅基半导体材料的基本性质、能带结构、光学性质等。 第三章则重点介绍了硅基光电子学的器件基础，包括光电子器件的基本原理、 分类、性能参数等。第四章则对硅基光电子学的工艺技术进行了详细阐述，包 括材料制备、器件制作、测试分析等方面的内容。
精彩摘录
在科技日新月异的今天，硅基光电子学作为一门新兴的交叉学科，在信息处理、 通信技术、量子计算等领域具有广泛的应用前景。本书从基本概念、研究领域、 发展前景等方面，全面介绍了硅基光电子学的基本知识和最新研究成果。书中 不仅涵盖了光学、半导体物理、材料科学等多个学科领域，还融入了作者多年 的研究经验和成果，具有很高的学术价值。
在书中，我不仅看到了硅基光电子学在科技领域的广泛应用，也看到了它与我 们的日常生活紧密相连。无论是高速网络通信、数据中心的高效运行，还是医 疗、军事等领域的先进技术，硅基光电子学都发挥着至关重要的作用。这让我 深刻体会到科技改变生活的力量，同时也对这一领域的未来充满了期待。
半导体集成电路课程教学大纲
《半导体集成电路》课程教学大纲（包括《集成电路制造基础》和《集成电路原理及设计》两门课程）集成电路制造基础课程教学大纲课程名称：集成电路制造基础英文名称：The Foundation of Intergrate Circuit Fabrication课程类别：专业必修课总学时：32 学分：2适应对象：电子科学与技术本科学生一、课程性质、目的与任务：本课程为高等学校电子科学与技术专业本科生必修的一门工程技术专业课。
半导体科学是一门近几十年迅猛发展起来的重要新兴学科，是计算机、雷达、通讯、电子技术、自动化技术等信息科学的基础，而半导体工艺主要讨论集成电路的制造、加工技术以及制造中涉及的原材料的制备，是现今超大规模集成电路得以实现的技术基础，与现代信息科学有着密切的联系。
本课程的目的和任务：通过半导体工艺的学习，使学生掌握半导体集成电路制造技术的基本理论、基本知识、基本方法和技能，对半导体器件和半导体集成电路制造工艺及原理有一个较为完整和系统的概念，了解集成电路制造相关领域的新技术、新设备、新工艺，使学生具有一定工艺分析和设计以及解决工艺问题和提高产品质量的能力。
并为后续相关课程奠定必要的理论基础，为学生今后从事半导体集成电路的生产、制造和设计打下坚实基础。
二、教学基本要求：1、掌握硅的晶体结构特点，了解缺陷和非掺杂杂质的概念及对衬底材料的影响；了解晶体生长技术（直拉法、区熔法），在芯片加工环节中，对环境、水、气体、试剂等方面的要求；掌握硅圆片制备及规格，晶体缺陷，晶体定向、晶体研磨、抛光的概念、原理和方法及控制技术。
2、掌握SiO2结构及性质，硅的热氧化，影响氧化速率的因素，氧化缺陷，掩蔽扩散所需最小SiO2层厚度的估算；了解SiO2薄膜厚度的测量方法。
3、掌握杂质扩散机理，扩散系数和扩散方程，扩散杂质分布；了解常用扩散工艺及系统设备。
4、掌握离子注入原理、特点及应用；了解离子注入系统组成，浓度分布，注入损伤和退火。