集成光电子器件及设计

浙江大学光电信息系
集成光电子器件及设计 第一章
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4. 集成光学器件
对光波具有振荡、放大和光电转换等功能的有源器件。
半导体激光器、半导体光放大器、集成光探测器
集成光无源器件
光波导、薄膜透镜、光开关、调制器、隔离器、环形器等
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光互联的发展
洲际互联 （海底光缆）
夏季学期共8周的课程安排
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教学目的与基本要求
使学生对“集成光电子器件”的基础理论、器件原理以及制作工 艺流程等有比较全面的了解，
对光波导理论、耦合模理论有较深的理解。 掌握典型的集成光电子器件的工作原理、基本结构及应用。 结合国际上这一领域的最新进展，激发学生对该领域相关方向的 兴趣，培养学生分析问题的能力和思维方式。
与微电子系统相比，光集成采用集成光路替代集成电路，用光纤 或介质平面光波导代替电线或同轴电缆；具有传输带宽更宽，光 子运动速度更快，可实现波分复用等优点。
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1.集成光学的理论
平面介质光波导理论
建立在麦克斯韦方程组基础上的媒质波导电磁理论；从射线光学 角度，建立了锯齿波模型的波导理论。 耦合模理论 耦合模的微扰理论，将耦合系统看作一个受到某种微扰的理想波 导。
城际互联
光纤到户
片上光互联
•
片间互联
机柜互联
Copper wires reaching physical limits
~10Gbps or higher becoming challenging Distance/speed tradeoff shortens lengths
•
Or, Transmit data over optical fiber Much further reach at any given speed Multiple signals can travel on one fiber Thin & light = easy cable management
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Leabharlann Baidu
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3. 集成光学的制备工艺
工艺技术主要涉及成膜与微细图形加工。
采用外延、质子轰击、离子注入、固态扩散、离子交换、高频溅 射、真空蒸发、等离子聚合等作为成膜工艺 采用光刻、电子束曝光、全息曝光、同步辐射、光锁定、化学刻 蚀、溅射刻蚀(离子铣)、反应离子刻蚀作为微细图形加工技术。另 外，高速脉冲技术，则是测试及在应用中不可缺少的手段。
1. 2. 通过文献阅读和调研，提出一种实现高速光调制机理与结构； 完成该器件的优化设计与分析；
3.
提交论文报告。
参考文献：
《微纳光子集成》 何赛灵，戴道锌. 科学出版社
《光波导模式理论》 马春生，刘式墉 吉林大学出版社
4人/组，自由组合，组内分工，提交答辩报告
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光有源器件导论与系统集成 (2学时) 集成光学器件的材料 (3学时) 集成光学器件的主要制作工艺及平面介质光波导参量测试 (3学时) 集成光电子器件的最新进展 (1学时)
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课程实验初步安排
实验一：马赫曾德光调制器的BPM仿真 （5月21日下午1:30-3:30， 5月22日下午 1:30-3:30 ，3:30-5:30） 实验二：微环谐振腔的FDTD仿真 （5月28日下午1:30-3:30， 5月29日下午 1:30-3:30 ，3:30-5:30）
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上课、作业、实验报告、考试
上课：早起（不睡懒觉），认真听讲，欢迎提问与质疑，及时复 习。
作业：课堂布置，必须独立完成，及时上交，每次作业均有分数， 计入含有一定比例的平时成绩。 实验报告：包括相关课题的背景描述，实验原理，实验过程设计， 实验结果，结论与结果讨论等，是一份自己亲身参与的研究报告。 成绩按一定比例计入总成绩。 考试：闭卷，多种题型，避免死记硬背，要求掌握基本物理，能 够对知识融会贯通、灵活运用。
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主要内容及学时分配


概述 (1学时) 平面介质光波导和耦合模理论(6学时)
平面介质光波导(2学时)，耦合模理论(4学时)
晶体在外场作用下的光学性质(2学时) 集成光无源器件(6学时)
定向耦合器、Y分支功分器、马赫－泽德干涉仪、阵列波导光栅等(2学时) 电光集成器件、声光集成器件、热光开关与调制器、磁光隔离器与环形器(4学时)
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2.集成光学的材料
光波导材料：具有与衬底、覆盖层匹配的折射率及厚度，易于使用扩散与 离子交换等方法调控材料的折射率；在工作波长范围内极小的传输损耗 (<1dB/cm)。 激光器、放大器与探测器材料：载流子迁移率高（高频、高速）、材料与 衬底晶格匹配、半导体带隙符合波长的要求、成分易于调控（掺杂、固溶） 等。 调制器、开关、隔离器材料：物理效应明显（电光、声光、磁光、非线性 等），有较强的调制能力及快速的调制响应。 材料在工艺上便于成膜和器件制作与集成；在外界各种工作环境下具有长 期稳定工作的性能。 常用的集成光学材料有玻璃、半导体、有机材料以及铁电体等。
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第一章 概论
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半导体技术的发展趋势
2015-7-26
All optical networking
2
硅上的三维光电集成
waveguides III-V microlaser microheater BCB
Photonic wafer
BCB
TSV
CMOS wafer
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教材与参考文献
教材：
《集成光学》唐天同、王兆宏著，科学出版社，2005年8月(第一版)
参考书：
《半导体导波光学器件理论及技术》，赵策洲，国防工业出版社。 Integrated Optics: Theory and Technology, Robert G. Hunsperger (Sixth Edition), Springer, 2009 《光集成器件》，小林功郎著，科学出版社，2002 《集成光学》，T.塔米尔主编，科学出版社，1982
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IBM发布硅纳米光子芯片技术
IBM公司发布了在芯片技术领 域的最新突破——历时10年研 发的CMOS集成硅纳米光子学 技术 该芯片技术将电子和光子纳米 器件集成在一块硅芯片上，使 计算机芯片之间通过光脉冲 (而不是电子信号)进行通讯。 这一新技术的另一个优势在于 它可在一个标准的芯片制造生 产线上生产，不需要新的或者 特殊的工具。 科学家有望据此研制出比传统 芯片更小、更快、能耗更低的 芯片，为亿亿次超级计算机的 研发开辟道路。
IBM MZM
Silicon p+-i-n+ diode Mach-Zehnder electrooptic modulators having an ultra-compact length of 100 to 200 m are presented. These devices exhibit high modulation efficiency, with a VL figure of merit of 0.36 V-mm. Optical modulation at data rates up to 10 Gb/s is demonstrated with low RF power consumption of only 5 pJ/bit.
Intel公司报道了基于硅基混合激光器光源的四通道CWDM收发模块
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2011 MacBook Pro
2012 MacBook Pro
目前，Thunderbolt连接技术可以提供10Gbps的传输速度，也是当前 最快的连接技术。不过Intel的研究人员表示，Intel公司目前正在研 发一项新的连接技术，该技术将采用全新的传输协议及硅光技术，其 速度可达50Gbps，5倍于Thunderbolt。 这项新的连接技术使用的是硅光子学原理，将硅元件和光学记忆芯片 组合在一起，可以用高达50Gbps的速度在100米的距离内传输数据。 Intel预计这项技术将在2015年公布。
实验三：Y分支功分器测试实验 5人/组 （6月4日 下午1:30-5:30 6月5日 上午8:30-12:30 6月5日 下午1:30-5:30 6月6日 上午8:30-12:30 6月6日 下午1:30-5:30） 实验四：光波导器件制作流程（Video)
大型课程设计作业
一种高速光调制器的研究，要求：
transistors metal interconnects
TSV：Through Silicon Vias
2015-7-26
E. Beyne et al. ICICDT (2007)
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1.1 课程简介
2学分（1.5-1）：24学时的理论授课，16学时的实验操作
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W. M. J. Green, et. al., “Ultra-compact, low RF power, 10 Gb/s silicon MachZehnder modulator”, Optics Express, Vol. 15(25), 2007,17106
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Intel roadmap for tick year
2011 2013 2015+
22 nm
14 nm
10 nm 7 nm 5 nm
IN RESEARCH
IN PRODUCTION IN DEVELOPMENT
Lithography, Materials, Interconnect…..
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1.2集成光学的概念与特点
集成光学是在光电子学和微电子学基础上，采用集成方法研究和 发展光学器件和混合光学-电子学系统的学科。
传统光学系统体积大、稳定性差、光束准直困难，不能适应光电 子技术发展的需要。采用类似于半导体集成电路的方法，把光学 元件以薄膜形式集成在同一衬底上的集成光路，器件体积小、性 能可靠、效率高、功耗低，使用方便。