硅基光电子学

第一部分 基础篇
　　第1章 绪论
　　人们对电子、光子的了解，不仅导致了技术时代的更迭，也导致了信息社会的出现及发展。而信息社会对小巧、廉价、低能耗器件和系统的偏爱催生了各种各样的半导体芯片。
　　硅基光电子学(silicon photonics，SiPh)是探讨微纳米量级电子、光子、光电子器件在不同材料体系中的新颖工作原理，并利用与硅基集成电路工艺兼容的技术和方法，将它们异质集成在同一硅衬底上，形成一个完整的具有综合功能的新型大规模光电集成芯片的一门新兴交叉科学。它反映了半导体芯片的发展过程，但也仅仅是其中的一个特殊阶段。本章将从半导体科学和信息科学发展的历史角度，阐述硅基光电子学的必要性和必然性。
　　1.1 电子、光子、芯片
　　电子是一种带有负电的亚原子粒子，是构成物质的基本粒子之一，它绕原子核运动，可以通过电线传导。电子的反粒子是正电子，其质量、自旋、带电量大小都与电子相同，但是电量正负性与电子相反。电子与正电子会因碰撞而互相湮灭，同时，产生一个以上的光子。由于在各种物质的原子内部，电子的运动情况不同，因此它们发射的光子也不同。光子是一种电磁波的量子状态，是传递电磁相互作用的基本粒子，它同时具有波动性和粒子性，辕好的传输方法是沿光波导运动。光波或光子的不同频率分布组成光谱，如可见光中不同颜色对应不同的光谱区。不同频率的光子可以通过同一根波导进行传输而互不影响。电子、光子、光谱示意图如图1.1所示。
　　电子是一种费米子，利用它在半导体内的运动规律和相瓦作用，可以制备出二极管、晶体管等逻辑和存储器件，以便实现电子缓存、存储和逻辑运算等功能。光子是一种玻色子，没有静止质量，在室温下难以实现明显的相互作用。光予以光速传输，速度很快，但缺乏便捷的方法进行存储，难以实现光子逻辑门运算。然而，光子相比电子具有更多可控的调制和复用维度，如波长、相位、偏振、空间模式等，可以携带更多的信息量。
　　自从1897年Thomson证实电子的存在以来，人们就一直在研究如何控制它在真空中、固体中、半导体中的运动状态。与之对应，人们先后发明了电子管、品体管、集成电路（又称电子芯片），然后在“摩尔定律”的指导下，对硅基电子芯片进行了长达60余年的研究。这是一个由电子学发展成电子芯片的过程，反映了人们对小尺寸、低能耗、高度集成的追求。这个电子芯片的特点是仅仅利用电子作为信息载体。同样道理，人们控制光子行为的愿望，也经过了从光子学发展出光子芯片的过程。这个光子芯片的特点则是仅仅利用光子作为信息载体。以此类推：光电子学通过对III-V族材料中光子和电子相互作用的研究发展出传统的光电子芯片；硅基光电子学通过对光子、电子以及两者之间的相互作用的研究，利用硅材料与其他材料的异质集成工艺，发展出硅基光电子芯片。这几个不同学科的发展，也反映了不同科学技术时代的更迭。
　　图1.1 电子、光子、光谱示意图
　　1.2 从微电子到光电子
　　微电子时代的发展可以追溯到晶体管的出现。1947年12月16同，美国AT&T公司贝尔实验室的三位科学家William Shockley、John Bardeen和Walter Brattain制成了世界上第一支晶体管，开始了以晶体管代替电子管的时代，从而拉开了微电子时代的序幕。晶体管这个被誉为20世纪*伟大的发明改变了世界，而以硅材料为基础的半导体工业迅速占领了绝大部分市场，并成为当时高科技产业的重要支柱。从品体管的发明、集成电路(integrated circuit，IC)的出现、计算机的不断更新换代，再到通信网络的飞速发展，人类生活的各个层面无不打下了微电子的烙印：微电子产品已经被用到人们物质生活的各个层面；微电子的设计思想和制作方法也已经渗入到不同学科及社会领域。这一时代被誉为“微电子时代”是恰如其分的。但是，随着微电子技术往纵深方向发展，其量子特征也逐渐表现出来。近60年来一直成功地描述了IC发展趋势的摩尔定律也正在接近尾声。
　　1.2.1 微电子所面临的挑战
　　微电子技术是建立在以晶体管等半导体器件为核心的集成电路基础上的，其主要产品集成电路芯片是构成各种电子电路和电子信息系统的核心部件。60余年来，微电子技术按照“摩尔定律”预测的那样，“半导体芯片的集成度每18个月增长一倍，而价格则降低一半”，以惊人的速度一直发展着。然而根据国际半导体技术发展路线图(ITRS) 2015年的预测，到2020年时，基于集成电路的闪存线宽(half pitch)将减小至12nm；而在2021年时，逻辑器件的栅长也将减小到10nm，这些基本上就是理论极限了。届时，以硅为基础的微电子技术由于物理极限的限制，将很难继续遵循摩尔定律来发展。首先，随着微纳器件集成度的进．步提高，器件线宽的进一步减小，电互连所固有的局限性将促使芯片的发热量迅速增加，引起串扰、噪声、能耗、时延等多方面的问题，从而使芯片系统无法正常工作；其次，现有的加工设备已经接近工艺极限，通过减小线宽的方法来提高芯片的工作频率和集成度面临非常大的工艺问题。此外，当线宽进入深纳米尺寸时，如何避免量子效应导致相邻导线之间的量子隧穿，也面临前所未有的挑战[4-6]。
　　可见，用电子作为信息载体的微电子技术，当器件的加工线宽发展到纳米尺度时，将遇到其发展的理论与技术瓶颈。冈此，急需新的理论与技术来解决上述诸多限制与问题，否则信息技术的发展将裹足木前，并严重影响人类社会和经济的进一步向前发展。
　　1.2.2 集成光路的困难
　　在21世纪，人们迈入了一个高度信息化的时代。信息时代的特征是：信息量十分巨大，信息传递非常快捷，信息处理迅速准确。日前大部分的信息是由电子传导的。电子具有静止质量，且电子之间存在库仑作用，因此电子的运动及电信号易受电磁场干扰，从而限制了电子通信的容量和速率。与电子相比，光子作为信息载体具有巨大优势：光子没有静止质量，光子之间也几乎没有干扰，不同波长、偏振、模式的光子可用于多路同时通信，因此光信息传输可具有更大的带宽和更高的速率。另一方面，光信号处理速度很高，且不受电磁场干扰。这些优点使得光子技术在未来的信息化社会中必将扮演非常重要的角色。
　　受到了微电子集成电路技术的启迪和促进，光子学发展的一个重要目标就是要实现集成光路。一套典型的集成光路系统结构示意图如图1.2所示，它包含了光的产生、耦合、传输、调制、探测等几个部分。然而，真正被集成到单一芯片上的只是一些无源器件，它们与外部的有源光电子器件如激光器和探测器相连接，构成具有一定独市功能的微型光学系统。从这个意义上来说，把只集成了无源光器件的片上系统叫作“集成光路”倒也正确，满足了仅仅利用光子作为信息载体的特征。如果真的把激光器和探测器这些有源光电子器件也集成到一片芯片中去，那么它就应当被称为“光电集成芯片”了。
　　与普通光学系统相比，集成光路具有很多优点：信号带宽大，容易实现密集波分复用，尺寸小，重量轻，能耗小，成批制备成本低，可靠性高等。得益于微电子制备技术和光电子学的发展，集成光路继承了许多集成电路的优点。表1.1列出了集成光路和集成电路的比较。
　　图1.2 一套典型的集成光路系统结构示意图
　　表1.1 集成光路和集成电路的比较
　　由此可见，与集成电路相比，集成光路目前在实践应用中仍然面临许多技术和性能障碍，在理论上也有待新的突破。*主要的问题是集成光路中光学元器件的尺寸受衍射的限制，以及缺乏统一的标准化制备技术，导致制造成本很高。另一方面，由于光逻辑和光处理器件的发展相对缓慢，具有真正“计算”功能的集成光路还正处于早期探索阶段。
　　1.2.3 光电子集成
　　众所周知，许多物质中都存在着诸如电光、声光、磁光、热光等多种线性或非线性物理效应，可以用来实现各种功能丰富的微纳光电器件。当纯粹的电子或光子集成遇到困难时，将两者结合起来不失为一种可行的选择。特别是，在集成电路和集成光路都有了相当程度的技术积累时，努力发展光电子集成就是顺理成章的事情。可以预见，未来的信息化时代将是光子载体与电子载体携手合作，互相补充，*终走向融合统一，实现光电子集成的时代。
　　在开发光电子器件的过程中，人们*初选择的是Ⅲ-V族材料平台，其主要原因就是它们的光电效应比较强。许多优质的光电器件如发光管、激光器、探测器、混频器等在信息技术和人们的日常生活中发挥了重要的作用。然而，在向大规模集成发展过程中，这种材料的两个基本问题，脆性和没有稳定的保护层，被放入成了精细工艺的巨大阻碍。经过几十年的发展，其集成度和成本还是远远无法与硅基集成技术相比。这种小规模的，基于Ⅲ—V族材料平台的光电子集成属于传统的光电子集成范畴。
　　图1.3为20世纪90年代由Soref建议的光电子混合集成芯片系统示意图[8]，为了克服集成规模上的限制，包含了光的产生、放大、耦合、传输、调制、探测和高速电子电路等部分。其光信号通过光纤与波导直接耦合的方式与外界相连。所有的光咆子器件均由Ⅲ-V族半导体构成，并且与硅基电子电路分别制作，混合集成。
　　图1.3 光电子混合集成芯片系统示意图(HBT:异质结双极晶体管；HEMT:高电子迁移率晶体管；MODFET:调制掺杂场效应管；BiCMOS:双极性晶体管互补式金属氧化物半导体)
　　图1.4是Intel给出的光互连与电互连（主要指铜线互连）的成本与带宽、传输距离关系以及发展趋势图。从图中可以看出，在一段时期内光互连技术与电互连技术共同存在，但是当工作频率扩展到40GHz以上时，光互连的优势将凸显，并且将逐渐取代电互连成为芯片互连技术的主体。
　　这种趋势表明，在以电子为主要信息载体l拘集成电路芯片中，光互连技术必

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。《硅基光电子学（第二版）》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。

目录
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
2.2.4 p-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
3.4.1 SOI材料制备工艺与SOI光波导 109
3.4.2 SOI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 1 15
4.1.2 二元闪耀光栅 1 16
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
4，4.2 AWG设计原理 130
4.4.3 AWG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 硅放大的限制 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 1 79
5，5.3 锗硅激光器 1 82
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
7.2.2 PN光电二极管 236
7.2.3 PIN光电探测器 237
7.2.4 雪崩光电探测器 238
7.2.5 MSM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
9.2.5 Lugiato-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 先进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 4