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集成光电子器件及设计

集成光电子器件及设计. 第一章 概论. 半导体技术的发展趋势. All optical networking. 硅上的三维光电集成. III-V microlaser. microheater. waveguides. TSV. BCB. metal interconnects. transistors. BCB. Photonic wafer. CMOS wafer. TSV ： Through Silicon Vias. E. Beyne et al. ICICDT (2007). 1.1 课程简介.

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集成光电子器件及设计

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Presentation Transcript

  1. 集成光电子器件及设计 第一章 概论

  2. 半导体技术的发展趋势 All optical networking

  3. 硅上的三维光电集成 III-V microlaser microheater waveguides TSV BCB metal interconnects transistors BCB Photonic wafer CMOS wafer TSV：Through Silicon Vias E. Beyne et al. ICICDT (2007)

  4. 集成光电子器件及设计 第一章

  5. 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 • 夏季学期共8周的课程安排 集成光电子器件及设计 第一章

  6. 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。 集成光电子器件及设计 第一章

  7. 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) • 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) 集成光电子器件及设计 第一章

  8. 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） 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)

  9. 大型课程设计作业 • 一种高速光调制器的研究，要求： • 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； • 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

  10. 集成光电子器件及设计 第一章

  11. W. M. J. Green, et. al., “Ultra-compact, low RF power, 10 Gb/s silicon Mach-Zehnder modulator”, Optics Express, Vol. 15(25), 2007,17106 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 VL 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. 集成光电子器件及设计 第一章

  12. 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 集成光电子器件及设计 第一章

  13. 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。 集成光电子器件及设计 第一章

  14. 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。 • 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。 集成光电子器件及设计 第一章

  15. 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。 集成光电子器件及设计 第一章

  16. 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。 集成光电子器件及设计 第一章

  17. 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。 集成光电子器件及设计 第一章

  18. 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 集成光电子器件及设计 第一章

  19. 光互联的发展 • 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

  20. Intel roadmap for tick year 2011 2013 2015+ IN PRODUCTION IN DEVELOPMENT IN RESEARCH Lithography, Materials, Interconnect…..

  21. 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 集成光电子器件及设计 第一章

  22. 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。 集成光电子器件及设计 第一章

  23. 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。 集成光电子器件及设计 第一章

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