微納米光子器件與集成系統(tǒng)設(shè)計和制造
微納光子器件是光子集成系統(tǒng)的核心元件，應(yīng)用于通信和計算機(jī)系統(tǒng)，可降低系統(tǒng)的功率消耗、減少信號串?dāng)_、改善系統(tǒng)的安全性。本書主要介紹了集成光子系統(tǒng)中的硅基混合集成激光器、硅激光器、集成鎖模激光器、光放大器、微環(huán)諧振腔光開關(guān)器件的結(jié)構(gòu)與運(yùn)行原理；對部分器件的制作工藝作了介紹；引入了新近報道的光子集成硅基激光器和光放大器，如硅、銦鎵砷磷混合激光器、拉曼激光器、單塊量子點(diǎn)激光器和硅基混合放大器、拉曼放大器和高增益布里淵光放大器的結(jié)構(gòu)、原理；介紹了多種微型光網(wǎng)絡(luò)和芯片光網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)、原理、設(shè)計方法和技術(shù)；對掩模版設(shè)計作了簡要介紹；介紹了量子級聯(lián)激光器（含超短脈沖量子級聯(lián)激光器）的結(jié)構(gòu)、工作原理和特性，太赫茲量子級聯(lián)激光器、放大器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理；還介紹了量子點(diǎn)激光器、半導(dǎo)體量子點(diǎn)單光子源和糾纏雙光子源的結(jié)構(gòu)、工作原理以及特性參數(shù)測試技術(shù)。
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目錄
第1章 概述 1
1.1 光子集成 1
1.2 光子集成器件 1
1.3 本書概要 3
參考文獻(xiàn) 4
第2章 硅基集成激光器 7
2.1 硅基混合集成激光器制作工藝 7
2.2 硅基混合集成波導(dǎo)間耦合結(jié)構(gòu) 8
2.3 典型的硅基混合集成激光器 9
2.3.1 DFB單模激光器 9
2.3.2 垂直腔表面發(fā)射激光器 10
2.3.3 微環(huán)激光器 10
2.3.4 陣列波導(dǎo)光柵激光器 11
2.3.5 硅基摻稀土混合集成激光器 12
2.3.6 硅表面直接生長的激光器 13
2.3.7 集成激光器物理方程 13
2.4 硅基拉曼激光器 15
2.4.1 硅基拉曼激光器結(jié)構(gòu) 15
2.4.2 硅基拉曼激光器有害因素 15
2.4.3 拉曼激光運(yùn)行控制方程 16
2.5 小結(jié) 18
參考文獻(xiàn) 18
第3章 集成超短脈沖激光器 20
3.1 硅基鎖模激光器 20
3.2 集成鎖模激光器物理方程模型 22
3.2.1 激光器波導(dǎo)中電場傳輸方程 22
3.2.2 光放大速率方程 23
3.2.3 可飽和吸收器動態(tài)方程 25
3.3 鎖模激光器脈沖壓縮 26
3.4 小結(jié) 27
參考文獻(xiàn) 27
第4章 硅基集成光放大器 29
4.1 硅基混合集成光放大器 29
4.1.1 法布里珀羅型光放大器物理方程 29
4.1.2 行波放大物理方程 31
4.1.3 硅基集成光放大器實(shí)例 32
4.2 硅拉曼放大器 32
4.3 硅布里淵光放大器 34
4.4 小結(jié) 35
參考文獻(xiàn) 35
第5章 微環(huán)諧振腔光開關(guān)器件 37
5.1 微環(huán)諧振腔光開關(guān)基本器件 37
5.2 微環(huán)諧振腔波長調(diào)諧技術(shù) 40
5.2.1 電光調(diào)控微環(huán)諧振腔光開關(guān) 40
5.2.2 微環(huán)諧振腔熱光調(diào)控光開關(guān) 43
5.2.3 光控微環(huán)諧振腔開關(guān) 46
5.3 微環(huán)諧振腔光開關(guān)性能比較 48
5.3.1 電光調(diào)控微環(huán)諧振腔開關(guān)性能 48
5.3.2 熱光調(diào)控微環(huán)諧振腔光開關(guān)性能 49
5.3.3 光控微環(huán)諧振腔開關(guān)性能 50
5.4 小結(jié) 51
參考文獻(xiàn) 51
第6章 高階微環(huán)諧振腔器件設(shè)計 55
6.1 高階微環(huán)諧振腔光開關(guān)和傳輸矩陣模型 55
6.2 高階微環(huán)諧振腔光開關(guān)的物理特性 57
6.2.1 微環(huán)數(shù)對高階微環(huán)諧振腔光開關(guān)物理特性影響 58
6.2.2 耦合系數(shù)對高階微環(huán)諧振腔器件的物理特性影響 59
6.2.3 微環(huán)尺寸對高階微環(huán)諧振腔開關(guān)光譜響應(yīng)特性影響 61
6.3 高階微環(huán)諧振腔波長選擇光開關(guān) 63
6.4 多級高階微環(huán)諧振腔器件 65
6.4.1 多級高階微環(huán)諧振腔器件結(jié)構(gòu) 65
6.4.2 串級微環(huán)諧振腔器件傳輸矩陣算法改進(jìn) 66
6.4.3 多級高階微環(huán)諧振腔開關(guān)的光譜響應(yīng)特性 67
6.5 帶寬可變微環(huán)諧振腔波長選擇開關(guān) 69
6.5.1 帶寬可變微環(huán)諧振腔波長選擇開關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計 69
6.5.2 可重構(gòu)分插復(fù)用結(jié)構(gòu) 70
6.6 多端口微環(huán)諧振腔波長選擇開關(guān) 71
6.6.1 復(fù)雜微環(huán)諧振腔波長選擇開關(guān)設(shè)計 71
6.6.2 多端口微環(huán)諧振腔波長選擇開關(guān)結(jié)構(gòu) 75
6.7 小結(jié) 78
參考文獻(xiàn) 78
第7章 硅基光探測器和收發(fā)機(jī) 82
7.1 光探測器的工作特性82
7.2 波導(dǎo)耦合Ge-on-Si雪崩光電二極管 85
7.3 Si/Ge/Si p-i-n光電二極管 87
7.4 硅基微環(huán)諧振腔光探測器 87
7.5 硅基集成光收發(fā)機(jī) 87
7.5.1 硅基微環(huán)諧振腔光收發(fā)機(jī) 88
7.5.2 硅基混合集成光收發(fā)機(jī) 88
7.6 小結(jié) 89
參考文獻(xiàn) 89
第8章 片上光網(wǎng)絡(luò) 90
8.1 片上光網(wǎng)絡(luò) 90
8.1.1 基于光波導(dǎo)總線的片上光網(wǎng)絡(luò) 91
8.1.2 基于微環(huán)諧振腔器件的集成光網(wǎng)絡(luò) 93
8.1.3 基于微環(huán)諧振腔器件和陣列波導(dǎo)光柵路由器的集成光網(wǎng)絡(luò) 94
8.2 片上光網(wǎng)絡(luò)設(shè)計 96
8.3 小結(jié) 97
參考文獻(xiàn) 97
第9章 光波導(dǎo) 99
9.1 集成光波導(dǎo)結(jié)構(gòu) 99
9.2 光波導(dǎo)傳輸模式 99
9.2.1 平面形波導(dǎo)的低階模和模式截止條件 100
9.2.2 條形波導(dǎo)模式 102
9.3 光波導(dǎo)制作技術(shù) 102
9.3.1 平面波導(dǎo) 103
9.3.2 條形光波導(dǎo) 103
9.4 光波導(dǎo)測試 107
9.5 小結(jié) 108
參考文獻(xiàn) 109
第10章 光刻掩模版設(shè)計簡介 110
10.1 光刻掩模版的制作 110
10.2 光刻機(jī)曝光方式 112
10.2.1 透射式曝光 112
10.2.2 反射式曝光 114
10.3 光刻對準(zhǔn)原理115
10.3.1 單面光刻對準(zhǔn) 115
10.3.2 雙面光刻對準(zhǔn) 115
10.3.3 套準(zhǔn)精度 116
10.4 光刻掩模版設(shè)計對準(zhǔn)標(biāo)記 117
10.4.1 光刻掩模版定位標(biāo)記圖案和要求 117
10.4.2 光刻掩模版對準(zhǔn)檢測圖案 119
10.4.3 掩模版的設(shè)計原則 119
10.4.4 對準(zhǔn)標(biāo)記設(shè)計實(shí)例 120
10.5 光刻掩模版的光學(xué)增強(qiáng)技術(shù) 122
10.5.1 相移掩模技術(shù) 122
10.5.2 光學(xué)臨近修正 123
10.5.3 光學(xué)臨近修正方法 123
10.6 曝光系統(tǒng)的分辨率 123
10.7 焦深 124
10.8 小結(jié) 124
參考文獻(xiàn) 125
第11章 量子級聯(lián)激光器 126
11.1 量子級聯(lián)激光器能帶結(jié)構(gòu) 126
11.2 量子級聯(lián)激光器材料及其對激光器性能的影響 129
11.3 激光諧振腔結(jié)構(gòu) 131
11.3.1 法布里珀羅腔 133
11.3.2 分布反饋光柵諧振腔 133
11.3.3 外腔結(jié)構(gòu) 133
11.4 量子級聯(lián)激光器的特性 134
11.4.1 脈沖輸出量子級聯(lián)激光器 134
11.4.2 連續(xù)輸出量子級聯(lián)激光器 136
11.5 波長調(diào)諧技術(shù) 136
11.6 光子集成 137
11.6.1單片集成 137
11.6.2 異質(zhì)鍵合集成 138
11.6.3 混合外腔集成 139
11.7 太赫茲量子級聯(lián)激光器 140
11.7.1 太赫茲量子級聯(lián)激光器波導(dǎo)結(jié)構(gòu)及輸出光束質(zhì)量控制 141
11.7.2 提升太赫茲量子級聯(lián)激光器運(yùn)行溫度 144
11.8 超短脈沖量子級聯(lián)激光器 144
11.8.1中紅外超短脈沖量子級聯(lián)激光器 145
11.8.2 超短脈沖太赫茲量子級聯(lián)激光器 145
11.8.3 單周期太赫茲脈沖產(chǎn)生 146
11.9 太赫茲輻射量子級聯(lián)放大器 147
11.10 小結(jié) 149
參考文獻(xiàn) 150
第12章 半導(dǎo)體量子點(diǎn)激光器和量子光源 154
12.1 量子點(diǎn)激光器中量子點(diǎn)能級結(jié)構(gòu) 154
12.2 半導(dǎo)體量子點(diǎn)激光器材料和制備技術(shù) 155
12.3 半導(dǎo)體量子點(diǎn)激光器結(jié)構(gòu) 157
12.3.1 法布里珀羅諧振腔量子點(diǎn)激光器 157
12.3.2 分布反饋量子點(diǎn)激光器 157
12.3.3 垂直腔表面發(fā)射半導(dǎo)體量子點(diǎn)激光器 158
12.3.4 微環(huán)和微盤半導(dǎo)體量子點(diǎn)激光器 159
12.4 半導(dǎo)體量子點(diǎn)激光器的特性 160
12.4.1 側(cè)向發(fā)射半導(dǎo)體量子點(diǎn)激光器 160
12.4.2 垂直腔表面發(fā)射半導(dǎo)體量子點(diǎn)激光器 162
12.4.3 半導(dǎo)體量子點(diǎn)激光器優(yōu)缺點(diǎn) 163
12.5 硅基集成 165
12.5.1 硅基混合集成 165
12.5.2 硅基直接集成 165
12.6 鎖模半導(dǎo)體量子點(diǎn)激光器 167
12.6.1 量子點(diǎn)材料和鎖模量子點(diǎn)激光器結(jié)構(gòu) 168
12.6.2 減小鎖模量子點(diǎn)激光器脈沖寬度和提高功率技術(shù) 169
12.6.3 噪聲特性 172
12.7 半導(dǎo)體量子光源 173
12.7.1 半導(dǎo)體量子光源應(yīng)用 173
12.7.2 半導(dǎo)體量子點(diǎn)單光子源 173
12.7.3 半導(dǎo)體量子點(diǎn)糾纏雙光子源 177
12.7.4 半導(dǎo)體量子光源特性參數(shù) 177
12.8 小結(jié) 179
參考文獻(xiàn) 180
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