矽光子設計——從器件到系統

矽光子設計——從器件到系統是一本2021年出版的圖書，由科學出版社出版

基本介紹

• 中文名：矽光子設計——從器件到系統
• 作者：鄭煜
• 出版社：科學出版社
• ISBN：9787030685230

內容簡介

矽光子技術在電信通信、數據中心、高性能計算、感測、航空航天等領域的廣泛套用，特別是隨著CMOS(互補金屬氧化物半導體)技術的持續發展，光子技術與電子技術的融合有望最終取代電子技術。

　　《矽光子設計：從器件到系統》詳細地介紹了矽光子技術，從光無源器件到光有源器件，從功能結構設計到晶片製造，從製造到測試，從器件迴路到系統迴路，從理論分析計算到仿真等，涵蓋器件結構原理、設計、製造、封測、仿真等全流程，結合大量實例詳細說明矽光子從器件到系統各個環節的關鍵要素，並輔以仿真計算原始碼供學習和參考。《矽光子設計：從器件到系統》共四篇，第1篇介紹矽光子發展及其套用，包括矽光子研究現狀、技術挑戰和發展機遇；第2篇介紹光無源器件，包括光學材料和光波導、基本功能結構和光輸入/輸出結構；第3篇介紹光有源器件，包括光調製器、探測器和雷射光源；第4篇介紹系統設計，包括矽光子迴路模型、設計工具、製造、封測和矽光子系統。

圖書目錄

譯者序

原書序

原書前言

貢獻者

第1篇引言

第1章無晶圓廠矽光子3

1.1引言3

1.2矽光子：下一個無晶圓廠半導體產業5

1.2.1光子學歷史背景6

1.3矽光子套用7

1.3.1數據通信7

1.4技術挑戰與研究現狀9

1.4.1波導與無源器件9

1.4.2調製器10

1.4.3光電探測器11

1.4.4光源12

1.4.5光–電集成方法13

1.5機遇14

1.5.1器件工程14

1.5.2光子系統工程15

1.5.3工具與支持性基礎設施16

1.5.4基礎科學17

1.5.5工藝標準化與多項目晶圓發展18

參考文獻19

第2章矽光子建模與設計方法27

2.1光波導模式求解28

2.2光波傳輸29

2.2.1三維時域有限差分法(3DFDTD)29

2.2.2二維時域有限差分法(2DFDTD)33

2.2.3其他傳輸仿真方法33

2.2.4無源光器件35

2.3光電模型35

2.4微波建模36

2.5熱建模36

2.6光子迴路建模37

2.7物理版圖38

2.8軟體工具集成38

參考文獻40

第2篇光無源器件

第3章光學材料與光波導47

3.1絕緣襯上矽47

3.1.1矽48

3.1.2氧化矽49

3.2光波導50

3.2.1光波導設計50

3.2.2一維平板光波導——分析方法51

3.2.3光波導的數值建模51

3.2.4一維平板波導——數值仿真51

3.2.5有效折射率法55

3.2.6有效折射率法——解析法56

3.2.7光波導模場分布——2D計算56

3.2.8光波導寬度——有效折射率60

3.2.9波長相關性62

3.2.10光波導的緊促模型64

3.2.11光波導損耗65

3.3彎曲波導66

3.3.1彎曲波導3DFDTD仿真68

3.3.2本徵模彎曲模擬69

3.4問題71

3.5仿真代碼72

參考文獻90

第4章光器件建模基礎93

4.1定向耦合器93

4.1.1光波導模式求解方法95

4.1.2相位98

4.1.3實驗數據100

4.1.4FDTD建模100

4.1.5製造敏感性102

4.1.6條形波導103

4.1.7寄生耦合104

4.2Y分支107

4.3馬赫–曾德爾干涉儀110

4.4環形諧振器111

4.4.1光傳輸函式112

4.4.2環形諧振器實驗結果113

4.5布拉格光柵濾波器114

4.5.1布拉格光柵理論114

4.5.2布拉格光柵濾波器設計116

4.5.3布拉格光柵濾波器實驗123

4.5.4光柵製造的實證模型127

4.5.5螺旋布拉格光柵132

4.5.6相移布拉格光柵134

4.5.7多周期布拉格光柵135

4.5.8基於光柵的定向耦合器136

4.6問題138

4.7仿真代碼138

參考文獻161

第5章光輸入/輸出165

5.1光子晶片與光纖耦合的挑戰165

5.2光柵耦合器165

5.2.1性能167

5.2.2耦合理論167

5.2.3設計方法170

5.2.4實驗結果181

5.3邊緣耦合器182

5.3.1納米錐波導邊緣耦合器183

5.3.2層疊波導邊緣耦合器187

5.4偏振188

5.5問題190

5.6仿真代碼190

參考文獻217

第3篇光有源器件

第6章光調製器223

6.1電漿色散效應223

6.1.1矽的載流子濃度相關性223

6.2pn結相移器225

6.2.1pn結載流子分布225

6.2.2光相位回響227

6.2.3小信號回響228

6.2.4pn結TCAD數值仿真229

6.3微環調製231

6.3.1微環可調性232

6.3.2小信號調製回響234

6.3.3環形調製器設計235

6.4前向偏置pin結236

6.4.1可調光衰減器236

6.5有源可調238

6.5.1pin相移238

6.5.2熱相移239

6.6熱光開關242

6.7問題243

6.8仿真代碼244

參考文獻266

第7章光電探測器268

7.1性能參數268

7.1.1回響度268

7.1.2頻寬269

7.2光電探測器製造272

7.3光電探測器類型274

7.3.1光導探測器274

7.3.2pin探測器275

7.3.3雪崩光電探測器275

7.4光電探測器設計要素278

7.4.1pin結方向278

7.4.2光電探測器幾何尺寸279

7.4.3接觸280

7.4.4外部負載281

7.5光電探測器建模282

7.5.13DFDTD光學仿真282

7.5.2電學仿真285

7.6問題288

7.7仿真代碼288

參考文獻302

第8章雷射器305

8.1外部雷射器305

8.2雷射器建模306

8.3協同封裝308

8.3.1預製雷射器308

8.3.2外部諧振腔雷射器309

8.3.3刻蝕嵌入式外延310

8.4混合集成雷射器310

8.5單片集成雷射器311

8.5.1III-V族單片生長312

8.5.2鍺雷射器313

8.6其他類型雷射光源314

8.7問題315

參考文獻315

第4篇系統設計

第9章矽光子迴路建模323

9.1光子迴路建模的必要性323

9.2系統設計中的器件324

9.3緊促模型325

9.3.1經驗迴路或等效迴路326

9.3.2S參數326

9.4定向耦合器——緊促模型327

9.4.1FDTD仿真327

9.4.2FDTDS參數328

9.4.3經驗模型——多項式331

9.4.4S參數模型的無源性332

9.5環形調製器——迴路模型336

9.6光柵耦合器——S參數338

9.6.1光柵耦合器迴路339

9.7仿真代碼340

參考文獻362

第10章矽光子設計工具和技術363

10.1工藝設計套件363

10.1.1製造工藝參數365

10.1.2元器件庫367

10.1.3原理圖繪製368

10.1.4迴路輸出369

10.1.5原理圖生成版圖370

10.1.6設計規則檢查374

10.1.7版圖與原理圖對照檢查376

10.2掩模版圖377

10.2.1元器件377

10.2.2光電測試版圖378

10.2.3快速GDS版圖布版方法378

10.2.4有效空間的GDS版圖布版方法379

參考文獻381

第11章矽光子晶圓製造383

11.1製造非均勻性383

11.1.1光刻輪廓384

11.1.2角分析385

11.1.3晶片上非均勻性與實驗結果386

11.2問題393

參考文獻394

第12章矽光子測試與封裝395

12.1電互連和光互連395

12.1.1光互連395

12.1.2電互連400

12.2光探針自動化測試台402

12.2.1光探針自動化測試台構成404

12.2.2測試軟體406

12.2.3操作流程406

12.2.4光測試儀器409

12.3測試設計410

12.3.1光功率預算412

12.3.2布版注意事項412

12.3.3設計審查和核對表413

參考文獻415

第13章矽光子系統實例418

13.1基於波分復用的光發射器418

13.1.1基於矽微環WDM的光發射器原理418

13.1.2共匯流排WDM光發射器420

13.1.3調製–復用WDM光發射器421

13.1.4結論423

參考文獻423

彩圖