光電集成技術

概論 1
第1章 矽光高速收發芯片集成技術 9
1.1 引言 9
1.1.1 矽光集成技術的重要性 9
1.1.2 高速收發芯片的發展背景與趨勢 11
1.1.3 市場需求與技術需求概覽 14
1.2 矽光收發芯片核心器件 16
1.2.1 矽基集成光源 16
1.2.2 矽基電光調制器 20
1.2.3 矽基光電探測器 24
1.2.4 矽光波導與無源器件 26
1.3 矽光數據通信收發集成芯片 37
1.3.1 數據中心互聯需求和技術標準 37
1.3.2 矽光數據通信收發集成芯片技術方案 38
1.3.3 矽光數據通信集成芯片封裝技術 40
1.3.4 矽光數據通信模塊產品的進展和技術趨勢 43
1.4 矽光相幹光收發集成芯片 44
1.4.1 相幹光傳輸需求和技術標準 44
1.4.2 矽光相幹光收發集成芯片技術方案 45
1.4.3 矽光相幹集成芯片集成、封裝技術 46
1.4.4 矽光相幹光模塊產品進展和技術趨勢 51
1.5 矽光I/O互連芯片 53
1.5.1 高速I/O接口的需求與發展趨勢 53
1.5.2 矽光I/O芯片設計與實現 56
1.5.3 矽光I/O芯片的應用和前景展望 62
1.6 結論與展望 65
1.6.1 矽光高速收發芯片集成技術總結 65
1.6.2 關鍵技術難題與未來研發方向 66
1.6.3 對產業發展與人才培養的建議 67
參考文獻 68
第2章 矽光信號處理集成芯片技術 79
2.1 引言 79
2.2 波分復用技術 80
2.2.1 基本原理和實現方式 80
2.2.2 陣列波導光柵 80
2.2.3 級聯MZI結構 82
2.2.4 微環濾波器 83
2.2.5 布拉格光柵濾波器 85
2.3 模分復用技術 87
2.3.1 模式轉換器 87
2.3.2 模式復用/解復用器 91
2.3.3 模式交換器 92
2.4 光開關技術 94
2.4.1 光開關原理和分類 94
2.4.2 光開關單元器件 95
2.4.3 開關工作方式 98
2.4.4 光開關陣列 101
2.4.5 開關狀態校準 104
2.4.6 光開關應用 106
2.5 光延遲線技術 108
2.5.1 光延遲線原理和分類 108
2.5.2 光延遲線結構 109
2.5.3 陣列化集成 114
2.5.4 延遲線在微波相控陣中的應用 116
2.6 總結與展望 117
參考文獻 118
第3章 矽光集成工藝制造技術 122
3.1 概述 122
3.1.1 矽光集成工藝制造技術的概念、發展現狀和應用前景 122
3.1.2 矽光集成工藝制造技術與傳統光子集成技術和電子器件技術?的比較 124
3.1.3 矽光集成工藝制造技術的關鍵技術 125
3.1.4 矽光集成工藝制造技術的未來發展方向 125
3.2 矽基光子器件基本類型和工作原理 126
3.2.1 無源器件 126
3.2.2 有源器件 129
3.3 矽光集成工藝制造技術概述 134
3.3.1 矽光集成工藝制造技術的基本流程 134
3.3.2 矽光集成工藝制造技術的關鍵技術 136
3.4 矽基光子集成工藝制造技術面臨的挑戰 151
3.4.1 材料和工藝的兼容性問題 151
3.4.2 器件的性能和可靠性問題 153
3.4.3 成本控制問題 155
3.5 矽光集成工藝制造技術的發展趨勢 157
3.5.1 新材料和新工藝的開發 157
3.5.2 光電異質集成的發展 162
3.5.3 總結與展望 163
參考文獻 163
第4章 超寬帶微波光子集成器件 168
4.1 引言 168
4.2 微波光子單元集成器件 169
4.2.1 高功率低噪聲半導體激光器 169
4.2.2 寬帶低半波電壓電光調制器 170
4.2.3 寬帶高飽和光電探測器 172
4.3 微波光子集成芯片 173
4.3.1 集成微波光子波束控制與成形芯片 173
4.3.2 集成微波光子濾波芯片 175
4.3.3 集成微波光子信號產生芯片 176
4.3.4 集成微波光子變頻芯片 177
4.3.5 集成光模數轉換芯片 178
4.3.6 集成可編程微波光子信號處理芯片 179
4.4 總結與展望 179
參考文獻 180
第5章 集成光學相幹矩陣計算芯片原理與應用 184
5.1 引言 184
5.1.1 光學矩陣計算芯片的研究背景 184
5.1.2 光學矩陣計算芯片的發展趨勢 185
5.2 集成光學相幹矩陣基本原理 185
5.2.1 片上光調控機制 186
5.2.2 馬赫?曾德爾幹涉儀網絡 187
5.2.3 多平面衍射結構 191
5.2.4 交叉波導陣列 192
5.2.5 非相幹表示與簡化網絡 192
5.3 集成光學相幹矩陣配置方法 194
5.3.1 查表法 194
5.3.2 監控與校準法 195
5.3.3 全局優化算法 196
5.4 集成光學相幹矩陣的應用 198
5.4.1 光信號處理 198
5.4.2 光學神經網絡 201
5.4.3 光學邏輯運算 203
5.4.4 循環光子矩陣加速器 204
5.4.5 光量子計算 205
5.5 機遇與挑戰 207
5.5.1 集成規模與集成密度 207
5.5.2 線性與非線性算子 208
5.5.3 近零功耗計算 208
5.5.4 光電混合計算的瓶頸問題 209
5.6 總結與展望 209
參考文獻 210
第6章 鈮酸鋰異質集成器件與芯片 218
6.1 引言 218
6.1.1 鈮酸鋰材料特性簡介 219
6.1.2 薄膜鈮酸鋰晶圓制備方法 219
6.1.3 薄膜鈮酸鋰波導制備方法 220
6.1.4 薄膜鈮酸鋰異質集成方法 222
6.2 薄膜鈮酸鋰集成激光器 225
6.2.1 薄膜鈮酸鋰可調諧激光器 225
6.2.2 薄膜鈮酸鋰多波長激光器 227
6.2.3 薄膜鈮酸鋰集成激光器發射器 228
6.2.4 薄膜鈮酸鋰異質集成激光器 229
6.3 薄膜鈮酸鋰異質集成電光調制器 230
6.3.1 異質集成矽?鈮酸鋰電光調制器 230
6.3.2 異質集成氮化矽?鈮酸鋰電光調制器 235
6.4 薄膜鈮酸鋰異質集成光電探測器 239
6.4.1 異質集成Ⅲ-Ⅴ族光電探測器 240
6.4.2 異質集成二維材料光電探測器 243
6.5 總結與展望 247
參考文獻 248
第7章 集成多維光場調控技術 254
7.1 緒論 254
7.2 集成多維光場調控基礎理論和方法 255
7.2.1 復振幅/波長/偏振/時間調控 256
7.2.2 平面內波導模式調控 258
7.2.3 平面外結構光場調控 262
7.3 集成多維光場產生技術 265
7.3.1 集成結構光場產生 265
7.3.2 集成多維光場產生 276
7.4 集成多維光場探測技術 277
7.4.1 集成結構光探測 277
7.4.2 集成多維光場探測 279
7.5 集成多維光場復用解復用技術 280
7.5.1 集成傳統維度復用解復用 281
7.5.2 集成模式復用解復用 283
7.5.3 集成多維復用解復用 284
7.6 集成多維光場處理技術 286
7.6.1 集成光場轉換 286
7.6.2 集成多維光交換 288
7.6.3 集成多維光路由 289
7.6.4 集成多維可重構光分插復用 290
7.7 集成多維光場調控通信應用 291
7.8 總結和展望 293
參考文獻 294
第8章 異質異構光電融合集成 304
8.1 引言 304
8.1.1 異質異構光電融合集成背景 304
8.1.2 異質異構光電融合集成芯片應用 304
8.1.3 異質異構光電融合集成技術內涵 305
8.2 異質異構光電融合集成現狀 305
8.2.1 技術研究現狀 305
8.2.2 產業發展現狀 308
8.2.3 典型光電融合集成芯片系統 309
8.3 光電融合集成材料體系 310
8.3.1 矽基材料 310
8.3.2 Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體材料 312
8.3.3 鈮酸鋰及電光材料 315
8.3.4 二維材料 317
8.4 光電融合芯片設計 319
8.4.1 材料匹配設計 319
8.4.2 光學耦合設計 320
8.4.3 散熱設計 321
8.4.4 光與電器件融合設計 323
8.5 異質異構光電融合集成關鍵工藝 324
8.5.1 晶粒鍵合 324
8.5.2 晶圓鍵合 328
8.5.3 異質外延 329
8.5.4 光電芯片融合集成加工工藝 331
8.6 異質異構光電融合集成封裝 332
8.6.1 微電子芯片封裝 332
8.6.2 光電子芯片封裝 332
8.6.3 光與電芯片共封裝 333
8.7 總結與展望 334
參考文獻 334
第9章 高速光電集成器件測試 339
9.1 引言 339
9.2 光電集成器件S參數 340
9.2.1 S參數概念 340
9.2.2 光電二端口網絡理論 341
9.2.3 光?電校準和電?光校準 344
9.2.4 微波網絡去嵌入 344
9.3 光移頻外差自校準測試 347
9.3.1 光外差映射原理 347
9.3.2 光移頻外差測試方案 349
9.3.3 光電子器件測試結果 351
9.3.4 光?光器件測試結果 352
9.4 光混頻外差自校準測試 355
9.4.1 光調制混頻原理 355
9.4.2 光混頻外差測試方案 356
9.4.3 光電子器件測試結果 357
9.4.4 光電集成芯片測試結果 359
9.5 光頻梳外差自校準測試 361
9.5.1 光采樣變頻原理 361
9.5.2 光頻梳外差測試方案 363
9.5.3 光電子器件測試結果 365
9.5.4 光電集成芯片測試及微波網絡去嵌入 367
9.6 晶圓級光電融合測試 368
9.7 總結與展望 370
參考文獻 370
第10章 太赫茲光電子器件集成與系統 375
10.1 引言 375
10.1.1 太赫茲科技簡介 375
10.1.2 太赫茲技術應用簡介 377
10.1.3 太赫茲技術發展簡介 378
10.2 太赫茲源 379
10.2.1 電子學源 379
10.2.2 光學源 383
10.3 太赫茲波導 385
10.3.1 金屬波導 385
10.3.2 介電波導 390
10.3.3 光子晶體與拓撲光子波導 393
10.4 太赫茲調制器 394
10.4.1 固態半導體調制器 394
10.4.2 二維材料調制器 396
10.4.3 相變材料調制器 397
10.4.4 液晶調制器 398
10.4.5 磁光調制器 403
10.5 太赫茲探測器 405
10.5.1 熱探測器 405
10.5.2 光電探測器 407
10.5.3 超導探測器 409
10.5.4 面陣探測器 414
10.6 太赫茲系統集成與應用 414
10.6.1 時域光譜系統與生化傳感 414
10.6.2 二維成像與無損檢測 417
10.6.3 波束掃描與無線通信 421
10.6.4 片上系統 423
10.7 太赫茲光電子集成與應用展望 426
10.7.1 關鍵技術難點與解決思路 426
10.7.2 發展趨勢 427
10.7.3 產業發展與人才培養展望 429
10.8 總結與展望 430
10.8.1 總結 430
10.8.2 展望 431
參考文獻 432
第11章 信息傳輸光電子集成器件與系統 440
11.1 光信息傳輸及光電子集成概述 440
11.1.1 光信息傳輸場景概述 440
11.1.2 光電子集成關鍵器件概述 446
11.1.3 光電子集成加工封裝概述 450
11.2 大容量光纖傳輸的光電子集成器件與系統 452
11.2.1 光纖通信系統概述及進展 452
11.2.2 相幹光通信收發器件與系統 455
11.2.3 多維復用器件與系統 457
11.2.4 光放大器件與系統 459
11.2.5 光信號處理器件與系統 460
11.3 光互連的光電子集成器件與系統 462
11.3.1 光互連系統概述及進展 462
11.3.2 光互連的標準化 463
11.3.3 光互連的光電子集成器件和關鍵技術 465
11.3.4 光互連系統應用 472
11.3.5 光互連發展趨勢 476
11.4 寬帶光接入的光電子集成器件與系統 478
11.4.1 光接入系統概述及進展 478
11.4.2 直接檢測光接入器件與系統 480
11.4.3 相幹檢測光接入器件與系統 483
11.4.4 多維復用光接入器件與系統 486
11.5 無線光通信的光電子集成器件與系統 488
11.5.1 無線光通信系統概述及進展 488
11.5.2 可見光通信器件與系統 490
11.5.3 水下光通信器件與系統 491
11.5.4 空間光通信器件與系統 492
11.6 總結與展望 493
參考文獻 493
第12章 光信息處理集成器件與系統 501
12.1 引言 501
12.1.1 光信息處理的基本概念 501
12.1.2 用於光信息處理的介質材料 501
12.1.3 用於光信息處理的光學效應 502
12.2 光信息處理集成器件 506
12.2.1 微環諧振器 506
12.2.2 低損耗光延遲線 507
12.2.3 馬赫?曾德爾幹涉儀 508
12.2.4 全光憶阻器 510
12.3 模擬域光信息處理 512
12.3.1 模擬域光信息處理功能 512
12.3.2 模擬域光信息處理系統 516
12.4 數字域光信息處理 521
12.4.1 數字域光信息處理功能 521
12.4.2 數字域光信息處理系統 524
12.5 總結與展望 528
參考文獻 530
第13章 衛星激光通信光電子器件與系統 535
13.1 引言 535
13.2 衛星激光通信系統 535
13.2.1 衛星激光通信系統發展現狀 535
13.2.2 衛星激光通信系統組成 542
13.2.3 衛星激光通信體制 545
13.2.4 衛星激光通信對光電器件的需求 548
13.3 衛星激光通信用光電子器件 550
13.3.1 窄線寬激光光源 550
13.3.2 電光調制器 558
13.3.3 光纖放大器 564
13.3.4 光電探測器 570
13.3.5 集成光收發模塊 575
參考文獻 583