硅基光电子学(第2版)

硅基光电子学是作者遵循半导体科学和信息科学的发展规律，在微电子、光电子、光通信领域数十年教学科研成果的总结。本书分为基础篇和应用篇。基础篇由第1章~第10章组成，包括绪论、硅基光电子学基本理论、硅基光波导、硅基光无源器件、硅基光源、硅基光学调制、硅基光电探测、硅基表面等离激元、硅基非线性光学效应、硅基光电子器件工艺及系统集成等。应用篇由第11章~第18章组成，包括硅基光通信和光互连、硅基光交换、硅基光电计算、硅基图像传感、硅基片上激光雷达、硅基光电生物传感、硅基光信号处理、硅基光电子芯片的设计与仿真等。

前言
第一部分基础篇
第1章绪论2
1.1电子、光子、芯片2
1.2从微电子到光电子3
1.2.1微电子所面临的挑战3
1.2.2集成光路的困难4
1.2.3光电子集成5
1.3硅基光电子学的起源7
1.3.1定义7
1.3.2起源、趋势与挑战8
1.4发展与现状10
1.5本章小结15
参考文献16
第2章硅基光电子学基本理论21
2.1光子光学21
2.1.1光子及其特性21
2.1.2光子的偏振23
2,1.3光子动量25
2.1.4光子能量和位置26
2.1.5光子的干涉27
2.1.6光子的时域特性28
2.1.7小结29
2.2半导体能带结构30
2.2.1能带和载流子30
2.2.2载流子浓度34
2.2.3载流子的产生、复合和注入40
2.2.4p-n结43
2.3硅基光子晶体带隙结构52
2.3.1光子晶体的带隙54
2.3.2硅基环形光子晶体的带隙增强58
2.3.3光子晶体掺杂63
2.3.4小结64
2.4硅中光子与载流子的相互作用65
2.4.1带间吸收和发射67
2.4.2吸收和发射速率71
2.4.3折射率76
2.5本章小结77
参考文献78
第3章硅基光波导80
3.1电磁理论基础80
3.1.1电磁场基本方程80
3.1.2各向同性媒质中的平面电磁波85
3.1.3各向异性媒质巾的平面电磁波89
3.2光波导基本理论93
3.2.1平板波导理论94
3.2.2矩形波导理论99
3.3波导耦合理论103
3.3.1横向弱耦合理论103
3.3.2不考虑输入角度的纵向耦合理论106
3.3.3考虑光束传输角度的波导空间耦合理论107
3.4绝缘体上硅光波导108
3.4.1SOI材料制备工艺与SOI光波导109
3.4.2SOI光波导器件110
3.5本章小结112
参考文献112
第4章硅基光无源器件115
4.1光栅器件115
4.1.1布拉格条件115
4.1.2二元闪耀光栅116
4.1.3光栅器件的应用118
4.2光子晶体波导器件120
4.2.1光子晶体基本概念120
4.2.2光子晶体平板121
4.2.3光子晶体平板波导122
4.2.4光子晶体波导器件123
4.3光耦合器126
4.3.1多模干涉耦合器126
4.3.2多模干涉耦合器的应用128
4.3.3定向耦合器129
4.4阵列波导光栅130
4.4.1阵列波导光栅基本概念130
4,4.2AWG设计原理130
4.4.3AWG应用134
4.5微环谐振腔135
4.5.1微环谐振腔的基本概念135
4.5.2微环谐振腔模型136
4.5.3基于微环谐振腔的光集成器件139
4.6偏振调控器件142
4.6.1偏振分束器142
4.6.2偏振旋转器与偏振旋转分束器145
4.7本章小结148
参考文献148
第5章硅基光源156
5.1光发射基础理论156
5.1.1光辐射理论156
5.1.2光放人和增益159
5.1.3激光器原理161
5.2硅放大的163
5.2.1硅的间接带隙163
5.2.2硅的俄歇复合和自由载流子吸收164
5.3硅基发光材料164
5.3.1掺铒材料164
5.3.2硅上III-V族半导体材料168
5.3.3锗硅材料171
5.4硅基光波导放大器173
5.4.1掺铒光波导放大器174
5.4.2硅基In-v族半导体光放大器176
5.5硅基激光器178
5.5.1硅基掺铒激光器178
5.5.2硅基III-V族半导体激光器179
5,5.3锗硅激光器182
5.5.4纳米结构硅激光器185
5.5.5硅基拉曼激光器185
5.6本章小结186
参考文献187
第6章硅基光学调制191
6.1光学调制原理191
6.1.1电光调制191
6.1.2热光调制192
6.1.3声光调制192
6.2光学调制评价193
6.2.1调制带宽193
6.2.2调制深度193
6.2.3插入损耗193
6.2.4比特能耗194
6.2.5调制器几何尺度194
6.2.6光学带宽194
6.2.7温度和工艺的敏感度194
6.3硅基电光调制194
6.3.1硅的光吸收及电光效应195
6.3.2硅基电光调制机理197
6.3.3硅基电光调制器201
6.3.4硅基微环电光调制器206
6.4硅基热光调制214
6.4.1硅基热光调制原理和结构214
6.4.2主要性能指标216
6.4.3热光调制研究进展217
6.4.4小结219
6.5硅基声光调制219
6.5.1声光调制原理219
6.5.2硅基声光调制器结构参数及性能指标222
6.5.3声光调制研究进展223
6.5.4小结226
6.6本章小结226
参考文献226
第7章硅基光电探测230
7.1光电探测的基本原理230
7.1.1半导体材料对光信号的吸收230
7.1.2光电探测的基本原理232
7.2光电探测的特性和结构233
7.2.1光电探测的特征参数233
7.2.2PN光电二极管236
7.2.3PIN光电探测器237
7.2.4雪崩光电探测器238
7.2.5MSM光电探测器239
7.3体硅光电探测器241
7.4锗硅光电探测器244
7.4.1锗硅材料的基本物理特性244
7.4.2锗硅波导光电探测器245
7.5新型硅基光电探测器252
7.5.1硅基-二维材料探测器252
7.5.2砬基-III-V探测器253
7.6本章小结255
参考文献255
第8章硅基表面等离激元259
8.1表面等离激元概述259
8.2表面等离激元基本特性260
8.2.1金属的光学特性260
8.2.2表而等离激元色散关系262
8.2.3表面等离激元特征尺寸266
8.2.4表面等离激元局域场增强特性268
8.3表面等离激元器件270
8.3.1表面等离激元源270
8.3.2表面等离激元波导273
8.3.3表面等离激元偏振调控器件277
8.3.4表而等离激元模式复用器件282
8.3.5表面等离激元调制器283
8.4本章小结285
参考文献286
第9章硅基非线性光学效应290
9.1硅基非线性光学简介290
9.2非线性效应基础理论291
9.2.1极化强度、极化率和非线性折射率291
9.2.2色散特性292
9.2.3麦克斯韦方程组293
9.2.4光脉冲传输方程293
9.2.5Lugiato-Lefever方程294
9.2.6克尔效应295
9.2.7受激拉曼散射297
9.2.8受激布里渊散射298
9.3常见硅基非线性材料特性298
9.4硅基非线性效应的应用299
9.4.1克尔效应在硅基波导中的应用300
9.4.2克尔效应在硅基微环谐振腔中的应用304
9.4.3控曼放大及拉曼激光309
9.4.4布里渊放大及布里渊激光310
9.5本章小结310
参考文献311
第10章硅基光电子器件工艺及系统集成318
10.1硅基光电子工艺特殊性及难点318
10.2从研发到人规模生产321
10.2.1硅基光电子工艺模式321
10.2.2成本分析323
10.3硅基光电子工艺开发324
10.3.1硅基光电子工艺要求324
10.3.2硅基光电子工艺流程329
10.3.3硅基光电子器件及工艺333
10.3.4版图处理及检查350
10.3.5工艺设计开发包352
10.4系统集成353
10.4.1多材料集成353
10.4.2光电集成355
10.4.3系统集成发展356
10.5本章小结356
参考文献357
第二部分应用篇
第11章硅基光通信和光互连361
11.1背景及概述361
11.1.1光通信和光互连应用背景361
11.1.2硅基光电器件用于光通信和光互连意义362
11.2硅基光发射、复用和光接收363
11.2.1硅基光发射芯片364
11.2.2硅基光接收芯片366
11.2.3硅基多维复用技术及芯片367
11.3硅基相干光通信372
11.3.1优选调制及相干光接收技术372
11.3.2硅基高速相干光传输芯片375
11.4硅基光接入和无线光通信377
11.4.1用于二光接入网的硅基芯片377
11.4.2周于无线光通信的硅基芯片378
11.5硅基数据中心和计算机光互连380
11.5.1数据中心光互连芯片380
11.5.2片间及片上光电互连芯片383
11.5.3光电集成微系统386
11.6本章小结387
参考文献388
第12章硅基光交换393
12.1硅基光交换的研究及产业背景393
12.1.1光交换背景介绍393
12.1.2硅基光交换介绍395
12.2硅基光交换研究400
12.2.1光交换网络与硅光400
12.2.2硅基光交换研究分类及优缺点402
12.3硅基光交换单元器件研究关键技术404
12.3.1低损耗波导技术405
12.3.2相位训节等开关基本动作控制器件406
12.3.3功率合束／分束器407
12.3.4交叉波导407
12.3.5偏振无关设计408
12.3.6光纤耦合器件412
12.4控制与封装414
12.4.1电学信号控制技术414
12.4.2光学电学封装技术415
12.5测试与表征419
12.5.1电学测试419
12.5.2光学测试421
12.5.3规模阵列器件测试424
12.6本章小结425
参考文献426
第13章硅基光电计算430
13.1光计算的发展历程430
13.1.1微电子摩尔定律趋于失效430
13.1.2光计算的兴起432
13.1.3硅基光电计算433
13.2光电计算的器件基础434
13.2.1集成马赫-曾德尔干涉仪434
13.2.2级联酉矩阵光电网络435
13.3深度学习芯片437
13.3.1人工神经网络与矩阵乘法437
13.3.2光电计算的算力与能耗分析439
13.3.3卷积神经网络440
13.4硅基光量子信息处理442
13.4.1量子逻辑门基础442
13.4.2集成硅基光电量子逻辑门443
13.4.3人规模光电晕子信息处理芯片445
13.5本章小结445
参考文献447
第14章硅基图像传感449
14.1CMOS图像传感器的基本原理449
14.1.1CMOS图像传感器的丰要结构449
14.1.2CMOS图像传感器中的光电探测半导体器件450
14.1.3CMOS图像传感器的基本像素结构451
14.1.4CMOS图像传感器曝光方式454
14.2CMOS图像传感器的基本评价指标457
14.2.1量子效率457
14.2.2噪声458
14.2.3转换增益459
14.2.4满阱容量及动态范围460
14.2.5灵敏度460
14.3CMOS图像传感器的读出电路461
14.3.1模拟前端处理电路461
14.3.2CMOS图像传感器中模数转换器类型462
14.3.3CMOS图像传感器中主要列并行模数转换器463
14.3.4数字相关双采样及相关多采样465
14.4CMOS图像传感器的近期新进展468
14.4.1量子图像传感器468
14.4.2动态视觉图像传感器469
14.4.3ToF图像传感器470
14.5本章小结471
参考文献471
第15章硅基片上激光雷达473
15.1硅基片上激光雷达分类473
15.1.1非扫描激光雷达475
15.1.2固态扫描激光雷达476
15.1.3微机械扫描激光雷达476
15.2硅基片上激光雷达构成477
15.2.1整体系统考虑477
15.2.2关键性能指标478
15.2.3芯片集成平台479
15.2.4激光测距和成像480
15.3测距实现方式481
15.3.1脉冲制式481
15.3.2调幅连续波制式482
15.3.3调频连续波制式483
15.4波束调控方式488
15.4.1相控阵波束调控488
15.4.2相控阵理论分析490
15.4.3光路选通波束调控493
15.4.4光学发射天线494
15.4.5典型实例介绍497
15.5硅基光源和探测500
15.5.1硅基外腔激光器500
15.5.2硅基相干探测501
15.6硅基光电集成503
15.7本章小结505
参考文献505
第16章硅基光电生物传感507
16.1概述507
16.2基于折射率变化的硅基生物传感509
16.2.1干涉型生物传感510
16.2.2微环谐振型生物传感512
16.2.3有拉格光栅型生物传感513
16.2.4提高传感性能的方法514
16.3基于荧光技术的硅基生物传感517
16.3.1片上荧光激发和收集517
16.3.2片上超分辨荧光显微技术519
16.3.3片上单分子荧光检测523
16.4基于拉曼技术的硅基生物传感525
16.4.1片上自发拉曼和受激拉曼散射525
16.4.2片上表面增强拉曼散射526
16.4.3片上单分子拉曼检测528
16.5全集成发展趋势529
16.6本章小结531
参考文献532
第17章硅基光信号处理534
17.1时域信号处理534
17.1.1信号延迟534
17.1.2信号微分537
17.1.3信号积分539
17.1.4希尔伯特变换541
17.2频域信号处理544
17.3本章小结548
参考文献548
第18章硅基光电子芯片的设计与仿真552
18.1概述552
18.2硅基光电子工艺设计包554
18.2.1硅基光电子工艺设计包概述554
18.2.2器件设计554
18.2.3设计库560
18.3硅基光电子芯片设计流程564
18.3.1版图驱动的设计流程564
18.3.2原理图驱动的设计流程571
18.3.3更具前瞻性的光电混合仿真573
18.4本章小结575
参考文献575