第十章硅光子學(xué)第十章硅光子學(xué)1前沿：硅光子學(xué)NaturePhotonics,April2007,Volume1No4pp.187Editorial:“Thelureofsilicon”“Siliconhaschangedtheworldthroughmicroelectronictechnology.Nowopticalresearchersaregettinginonthesilicongametoo.”前沿：硅光子學(xué)NaturePhotonics,April2Intel的硅光子學(xué)研究Intel的硅光子學(xué)研究3硅光子學(xué)功能和性能:自2004年以后不斷有突破性進展出現(xiàn)?低損耗的硅波導(dǎo)(IMEC,NTT,IBM…)?緊湊的波長路由器(IMEC…)?高Q值緊湊微共振腔(U.Kyoto…)?10-40Gb/s硅探測器(LETI…)?10-40Gb/s硅調(diào)制器(INTEL,Luxtera,Cornell…)?全硅拉曼激光器(INTEL…)?(速度可調(diào))慢光(slowlight)(IBM…)?全光交換+波長轉(zhuǎn)換(NICT+IMEC,Cornell,U.Karlsruhe…)?CMOS工藝兼容的集成(Luxtera…)?InP-SOI混合集成(INTEL+UCSB)?在SOI上集成InP激光器(IMEC+LETI+INL)硅光子學(xué)功能和性能:4提要硅光子學(xué)介紹為什么硅光子基于硅的無源器件在硅上（或者基于硅）的有源器件光電混合集成（OEIC）提要硅光子學(xué)介紹5硅基微電子IBM全球1秒內(nèi)會增加5噸的硅基光電子元件(奔四)42milliontransistors2000000000multiplicationsin1sec硅基微電子IBM全球1秒內(nèi)會增加5噸的硅基光電子元件(奔四)6為何硅基IC可以成功？大面積襯底的成熟工藝（硅晶圓）性能越小越快元器件的標準化：晶體管、電容、電阻、電感…基于統(tǒng)一技術(shù)平臺，簡單的工藝能制作復(fù)雜功能的元件——且鏈條中公司極少為何硅基IC可以成功？大面積襯底的成熟工藝（硅晶圓）7微電子互連的局限性帶寬低，電子瓶頸問題隨著線寬降低，泄露電流增大，功耗增加，散熱困難解決途徑——集成光電子取代集成微電子微電子互連的局限性帶寬低，電子瓶頸問題解決途徑——集成光電子8光電子集成的困境目前可變度過大

不同的光學(xué)材料不同的元件原理和類型不同的工作波長范圍因此:對不同應(yīng)用沒有通用制作技術(shù)沒有批量化生產(chǎn)的工藝平臺價格高昂集成光電子技術(shù)要想取代集成微電子，找到一個統(tǒng)一、可批量化生產(chǎn)的工藝平臺至關(guān)重要硅光電子集成的困境目前可變度過大集成光電子技術(shù)要想取代集成微電9全光功能集成全光功能集成10光集成為何以硅集成為目標？優(yōu)點：折射率大，集成密度高可直接使用微電子CMOS工藝可同時集成光器件和微電子器件價格低缺點：無源：偏振敏感（雙折射），精度要求高有源：間接帶隙半導(dǎo)體，量子效率極低光集成為何以硅集成為目標？優(yōu)點：11大折射率差的作用大折射率差的作用12絕緣體上的硅SOI（Silicon-on-Insulator）

遠程通訊波段透明（1310nm，1550nm）高折射率差（緊湊）3.45/1.0/1.45絕緣體上的硅SOI（Silicon-on-Insulator13SOI光波導(dǎo)脊形波導(dǎo)nhighnlownlowIBMSOI光波導(dǎo)脊形波導(dǎo)nhighnlownlowIBM14硅波導(dǎo)傳輸損耗硅波導(dǎo)傳輸損耗15(集成光電子學(xué)導(dǎo)論)第十章硅光子學(xué)課件16硅基無源器件硅基無源器件17基于硅的環(huán)形共振器環(huán)半徑：4微米環(huán)與直波導(dǎo)間隙：0.18納米Q值：Q=25,000基于硅的環(huán)形共振器環(huán)半徑：4微米18基于硅微共振環(huán)的生物傳感器基于硅微共振環(huán)的生物傳感器19基于硅微共振環(huán)的應(yīng)力傳感器基于硅微共振環(huán)的應(yīng)力傳感器20(集成光電子學(xué)導(dǎo)論)第十章硅光子學(xué)課件21(集成光電子學(xué)導(dǎo)論)第十章硅光子學(xué)課件22陣列波導(dǎo)光柵陣列波導(dǎo)光柵23(集成光電子學(xué)導(dǎo)論)第十章硅光子學(xué)課件24刻蝕衍射光柵刻蝕衍射光柵25硅基有源器件光發(fā)射光探測光調(diào)制硅基有源器件光發(fā)射26硅基有源無源集成方式單片集成：所有有無源器件都使用硅來制作——理想（統(tǒng)一平臺），但難！混合集成：有源用三五族材料做，然后想辦法貼在硅芯片上——無奈的選擇，過渡技術(shù)，成品率低，價格高硅基有源無源集成方式單片集成：所有有無源器件都使用硅來制作—27硅基混合集成（粘結(jié)技術(shù)）硅基混合集成（粘結(jié)技術(shù)）28(集成光電子學(xué)導(dǎo)論)第十章硅光子學(xué)課件29(集成光電子學(xué)導(dǎo)論)第十章硅光子學(xué)課件30(集成光電子學(xué)導(dǎo)論)第十章硅光子學(xué)課件31硅基單片集成：尋找特殊物理效應(yīng)，用于替代常規(guī)效應(yīng)發(fā)光：不使用半導(dǎo)體受激輻射，而是用拉曼效應(yīng)調(diào)制：不是用電光效應(yīng)，而是用載流子注入探測：硅基鍺探測器硅基單片集成：尋找特殊物理效應(yīng)，用于替代常規(guī)效應(yīng)發(fā)光：不使用32硅光調(diào)制器思考：光通信里的調(diào)制器通?；阝壦徜嚨碾姽庑?yīng)，而硅的電光系數(shù)很小，無法用電光來做調(diào)制器，能否用別的辦法實現(xiàn)調(diào)制？思考：可以用于實現(xiàn)光調(diào)制器的集成光學(xué)結(jié)構(gòu)有哪些？硅光調(diào)制器思考：光通信里的調(diào)制器通常基于鈮酸鋰的電光效應(yīng)，而33集成光調(diào)制器利用共振器和干涉儀來做管調(diào)制時，外加電信號一般應(yīng)導(dǎo)致波導(dǎo)折射率變化，才可能引起共振波長漂移，或干涉信號加強或減弱。思考：加電后，如何引起硅折射率變化？集成光調(diào)制器利用共振器和干涉儀來做管調(diào)制時，外加電信號一般應(yīng)34硅基光調(diào)制器：載流子注入式在波導(dǎo)周圍形成PN結(jié)，當(dāng)外加電場后，由于擴散作用，使載流子開始向中間波導(dǎo)區(qū)移動，導(dǎo)致波導(dǎo)折射率變化硅基光調(diào)制器：載流子注入式在波導(dǎo)周圍形成PN結(jié)，當(dāng)外加電場后35基于馬赫澤德干涉儀的硅調(diào)制器基于馬赫澤德干涉儀的硅調(diào)制器36基于微共振環(huán)的硅調(diào)制器基于微共振環(huán)的硅調(diào)制器37(集成光電子學(xué)導(dǎo)論)第十章硅光子學(xué)課件38硅基鍺探測器硅基鍺探測器39散射散射40樣品在強激光電場作用下，將產(chǎn)生高階非線性現(xiàn)象，這時的電極化強度可寫為：拉曼效應(yīng)受激拉曼散射使用的三階非線性效應(yīng)，思考為何會發(fā)生？樣品在強激光電場作用下，將產(chǎn)生高階非線性現(xiàn)象，這時的41全硅激光器：拉曼激光器Intel2005全硅激光器：拉曼激光器Intel200542全硅光電互連全硅光電互連43思考：光電互連微電子信號的導(dǎo)通依賴的是電子在導(dǎo)線內(nèi)移動，光集成信號則依賴光在波導(dǎo)內(nèi)全反射，如果要實現(xiàn)光電一體化集成，如何實現(xiàn)兩者的兼容轉(zhuǎn)換？思考：光電互連微電子信號的導(dǎo)通依賴的是電子在導(dǎo)線內(nèi)移動，光集44(集成光電子學(xué)導(dǎo)論)第十章硅光子學(xué)課件45(集成光電子學(xué)導(dǎo)論)第十章硅光子學(xué)課件46總結(jié)硅光子集成有什么重要性硅集成的難點總結(jié)硅光子集成有什么重要性47第十章硅光子學(xué)第十章硅光子學(xué)48前沿：硅光子學(xué)NaturePhotonics,April2007,Volume1No4pp.187Editorial:“Thelureofsilicon”“Siliconhaschangedtheworldthroughmicroelectronictechnology.Nowopticalresearchersaregettinginonthesilicongametoo.”前沿：硅光子學(xué)NaturePhotonics,April49Intel的硅光子學(xué)研究Intel的硅光子學(xué)研究50硅光子學(xué)功能和性能:自2004年以后不斷有突破性進展出現(xiàn)?低損耗的硅波導(dǎo)(IMEC,NTT,IBM…)?緊湊的波長路由器(IMEC…)?高Q值緊湊微共振腔(U.Kyoto…)?10-40Gb/s硅探測器(LETI…)?10-40Gb/s硅調(diào)制器(INTEL,Luxtera,Cornell…)?全硅拉曼激光器(INTEL…)?(速度可調(diào))慢光(slowlight)(IBM…)?全光交換+波長轉(zhuǎn)換(NICT+IMEC,Cornell,U.Karlsruhe…)?CMOS工藝兼容的集成(Luxtera…)?InP-SOI混合集成(INTEL+UCSB)?在SOI上集成InP激光器(IMEC+LETI+INL)硅光子學(xué)功能和性能:51提要硅光子學(xué)介紹為什么硅光子基于硅的無源器件在硅上（或者基于硅）的有源器件光電混合集成（OEIC）提要硅光子學(xué)介紹52硅基微電子IBM全球1秒內(nèi)會增加5噸的硅基光電子元件(奔四)42milliontransistors2000000000multiplicationsin1sec硅基微電子IBM全球1秒內(nèi)會增加5噸的硅基光電子元件(奔四)53為何硅基IC可以成功？大面積襯底的成熟工藝（硅晶圓）性能越小越快元器件的標準化：晶體管、電容、電阻、電感…基于統(tǒng)一技術(shù)平臺，簡單的工藝能制作復(fù)雜功能的元件——且鏈條中公司極少為何硅基IC可以成功？大面積襯底的成熟工藝（硅晶圓）54微電子互連的局限性帶寬低，電子瓶頸問題隨著線寬降低，泄露電流增大，功耗增加，散熱困難解決途徑——集成光電子取代集成微電子微電子互連的局限性帶寬低，電子瓶頸問題解決途徑——集成光電子55光電子集成的困境目前可變度過大

不同的光學(xué)材料不同的元件原理和類型不同的工作波長范圍因此:對不同應(yīng)用沒有通用制作技術(shù)沒有批量化生產(chǎn)的工藝平臺價格高昂集成光電子技術(shù)要想取代集成微電子，找到一個統(tǒng)一、可批量化生產(chǎn)的工藝平臺至關(guān)重要硅光電子集成的困境目前可變度過大集成光電子技術(shù)要想取代集成微電56全光功能集成全光功能集成57光集成為何以硅集成為目標？優(yōu)點：折射率大，集成密度高可直接使用微電子CMOS工藝可同時集成光器件和微電子器件價格低缺點：無源：偏振敏感（雙折射），精度要求高有源：間接帶隙半導(dǎo)體，量子效率極低光集成為何以硅集成為目標？優(yōu)點：58大折射率差的作用大折射率差的作用59絕緣體上的硅SOI（Silicon-on-Insulator）

遠程通訊波段透明（1310nm，1550nm）高折射率差（緊湊）3.45/1.0/1.45絕緣體上的硅SOI（Silicon-on-Insulator60SOI光波導(dǎo)脊形波導(dǎo)nhighnlownlowIBMSOI光波導(dǎo)脊形波導(dǎo)nhighnlownlowIBM61硅波導(dǎo)傳輸損耗硅波導(dǎo)傳輸損耗62(集成光電子學(xué)導(dǎo)論)第十章硅光子學(xué)課件63硅基無源器件硅基無源器件64基于硅的環(huán)形共振器環(huán)半徑：4微米環(huán)與直波導(dǎo)間隙：0.18納米Q值：Q=25,000基于硅的環(huán)形共振器環(huán)半徑：4微米65基于硅微共振環(huán)的生物傳感器基于硅微共振環(huán)的生物傳感器66基于硅微共振環(huán)的應(yīng)力傳感器基于硅微共振環(huán)的應(yīng)力傳感器67(集成光電子學(xué)導(dǎo)論)第十章硅光子學(xué)課件68(集成光電子學(xué)導(dǎo)論)第十章硅光子學(xué)課件69陣列波導(dǎo)光柵陣列波導(dǎo)光柵70(集成光電子學(xué)導(dǎo)論)第十章硅光子學(xué)課件71刻蝕衍射光柵刻蝕衍射光柵72硅基有源器件光發(fā)射光探測光調(diào)制硅基有源器件光發(fā)射73硅基有源無源集成方式單片集成：所有有無源器件都使用硅來制作——理想（統(tǒng)一平臺），但難！混合集成：有源用三五族材料做，然后想辦法貼在硅芯片上——無奈的選擇，過渡技術(shù)，成品率低，價格高硅基有源無源集成方式單片集成：所有有無源器件都使用硅來制作—74硅基混合集成（粘結(jié)技術(shù)）硅基混合集成（粘結(jié)技術(shù)）75(集成光電子學(xué)導(dǎo)論)第十章硅光子學(xué)課件76(集成光電子學(xué)導(dǎo)論)第十章硅光子學(xué)課件77(集成光電子學(xué)導(dǎo)論)第十章硅光子學(xué)課件78硅基單片集成：尋找特殊物理效應(yīng)，用于替代常規(guī)效應(yīng)發(fā)光：不使用半導(dǎo)體受激輻射，而是用拉曼效應(yīng)調(diào)制：不是用電光效應(yīng)，而是用載流子注入探測：硅基鍺探測器硅基單片集成：尋找特殊物理效應(yīng)，用于替代常規(guī)效應(yīng)發(fā)光：不使用79硅光調(diào)制器思考：光通信里的調(diào)制器通?；阝壦徜嚨碾姽庑?yīng)，而硅的電光系數(shù)很小，無法用電光來做調(diào)制器，能否用別的辦法實現(xiàn)調(diào)制？思考：可以用于實現(xiàn)光調(diào)制器的集成光學(xué)結(jié)構(gòu)有哪些？硅光調(diào)制器思考：光通信里的調(diào)制器通?；阝壦徜嚨碾姽庑?yīng)，而80集成光調(diào)制器利用共振器和干涉儀來做管調(diào)制時，外加電信號一般應(yīng)導(dǎo)致波導(dǎo)折射率變化，才可能引起共振波長漂移，或干涉信號加強或減弱。思