硅基光电子学 2026.07.07

第一章 绪论1.1 从微电子到光电子1.1.1以电子为信息载体的微电子技术在线宽减小至深纳米尺度时的瓶颈1电互连的固有局限使芯片发热量迅速增加引起串扰、噪声、功耗、时延等问题阻碍器件的正常工作 2线宽减小的工艺极限 3量子效应引起的相邻导线之间的量子隧穿1.1.2集成光路的发展 与电子相比光子作为信息载体的优势1更大带宽、更高速率 — 光子没有静止质量光子之间也几乎没有干扰光的不同波长可用于多路同时通信2光信号处理速度很高不受电磁场干扰 集成光路利用光波导将光发射、光耦合、光传输、光调制、光逻辑、光处理、光接收等器件连接在一起集成到同一基底上构成的具有一定独立功能的微型光子学系统 集成光路的优点 / 比较 / 瓶颈1优点信号带宽大容易实现密集波分复用Dense Wavelength Division Multiplexing, DWDM利用不同波长作为独立信息通道在同一根光纤或同一光子芯片中同时传输多个光信号的复用技术尺寸小重量轻功耗小成批制备成本低可靠性高。2和集成电路的比较3瓶颈没有统一的标准化制备技术导致制备成本很高存在以下研究热点1.1.3光电子集成1光信号通过光纤与波导直接耦合的方式与外界相连1.2 硅基光电子学的发展1.2.1硅基光电子学// 硅材料的优势1.2.2硅基光电子学的发展硅材料先天缺陷1间接带隙→发光效率低2没有Pockels效应→不能直接进行高速电光调制 三个突破1调制器突破 — 等离子体色散效应Plasma Dispersion Effect改变自由载流子浓度→改变折射率→调制光2光源突破 — 外部光源 / 混合集成 / 硅激光硅本身不会发光关键在于如何在硅平台上得到高质量光源3探测器突破 — Ge-on-Si 高集成硅光时代 Photonic Integrated Circuit 研究热点为减小器件尺寸突破衍射极限光子晶体表面等离激元1.2.3硅基光电子集成三个方面的限制1光子器件和电子器件的结构设计是否兼容2工艺是否兼容3需要各种波导结构实现光的互连如何集成波导结构两种可参考的集成方案1光电混合集成2单芯片集成1.3 硅基光电子学的应用1通信与互连 2非线性光学效应 3传感 4片上实验室......