(集成光電子學(xué)導(dǎo)論)緒論

1、( (集成光電子學(xué)導(dǎo)論集成光電子學(xué)導(dǎo)論) )緒緒論論什么是集成光電子學(xué)n在英語里集成光電子兩個最普遍的稱呼： -PLC（planar lightwave circuit） -OEIC（optical-electronic integrated circuit）集成光電子學(xué)不是光學(xué)應(yīng)用的一個子方向，而是一種集成光電子學(xué)不是光學(xué)應(yīng)用的一個子方向，而是一種全新的光學(xué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)平臺。也就是說將原有的尺寸大全新的光學(xué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)平臺。也就是說將原有的尺寸大的、空間的光電系統(tǒng)，用一個單片的，超緊湊的芯片的、空間的光電系統(tǒng)，用一個單片的，超緊湊的芯片實(shí)現(xiàn)，但功能不變。實(shí)現(xiàn)，但功能不變。一些例子n通過這些例子我們先

2、感性認(rèn)識一下集成光電子學(xué)是研究什么的n特別注意理解一些基本概念斯坦福大學(xué)的集成顯微鏡便攜式檢測便攜式檢測Lab on a chip微損傷檢測微損傷檢測從下面的圖片能對集成光電子有什么感性認(rèn)識？為什么集成芯片越來越?。縄ntel為為Apple設(shè)計(jì)的新一代設(shè)計(jì)的新一代USB傳輸芯片，使用集成光互連技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)傳輸芯片，使用集成光互連技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)6.25 Gbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速度的數(shù)據(jù)傳輸速度與現(xiàn)有USB電信號數(shù)據(jù)傳輸相比：USB 1.1 1.5Mbit/sUSB 2.0 60Mbit/s思考：為什么光互連芯片數(shù)據(jù)交換思考：為什么光互連芯片數(shù)據(jù)交換速度大幅提高？速度大幅提高？對這個例子的思考nUS

3、B1.1和和2.0是基于同軸電纜的電子傳是基于同軸電纜的電子傳輸技術(shù)，而輸技術(shù)，而Intel新開發(fā)的新開發(fā)的USB設(shè)備基于設(shè)備基于光子互連，進(jìn)而提高了光子互連，進(jìn)而提高了1000倍的傳輸速倍的傳輸速度，是否意味著光信號的傳輸速度比電度，是否意味著光信號的傳輸速度比電信號更高呢？信號更高呢？n為什么光互連能比電傳輸獲得更高的速為什么光互連能比電傳輸獲得更高的速度？度？兩個基本問題n光信號和電信號哪個傳輸?shù)目?？光信號和電信號哪個傳輸?shù)目?？n光子和電子哪個傳輸?shù)目欤抗庾雍碗娮幽膫€傳輸?shù)目?？電信號和電子傳輸速度n同軸電纜里電信號的傳輸速度接近光速n在電線里電信號的傳輸是依靠電場n電場加上后電流馬上產(chǎn)生

4、，電流產(chǎn)生的速度和電場產(chǎn)生的速度相當(dāng)n但電流全局移動的速度（電子移動速度）則相對緩慢很多，在集成電路芯片里電子移動速度約每秒60公里n電信號和光信號傳輸速度相同，但電子速度與光子速度相差很遠(yuǎn)另一個問題n既然光信號和電信號傳輸速度相同，為什么我們說光通信比電子通訊更具優(yōu)勢呢？教科書關(guān)于光通信好的答案n光纖傳輸帶寬約10GHz甚至更高，而同軸電纜僅50MHz左右。因此利用光纖可傳輸?shù)男盘柎蠹s為同軸電纜的104倍。請問你是否已經(jīng)理解了這段話的含義呢？請問你是否已經(jīng)理解了這段話的含義呢？為什么帶寬大就能支持更快的傳輸速為什么帶寬大就能支持更快的傳輸速度，帶寬是什么含義？度，帶寬是什么含義？帶寬n帶寬是

5、以赫茲為單位、帶寬是以赫茲為單位、在頻域內(nèi)信號的傅里在頻域內(nèi)信號的傅里葉變換功率在一個特葉變換功率在一個特定門限之上、例如與定門限之上、例如與最大值差在最大值差在 3dB 的之的之內(nèi)的頻率范圍。信號內(nèi)的頻率范圍。信號帶寬是信號隨著時間帶寬是信號隨著時間波動速度的一個度量，波動速度的一個度量，這樣，帶寬越大，信這樣，帶寬越大，信號的變化越快。號的變化越快。注意傅里葉變換的數(shù)學(xué)關(guān)系，頻域信號寬則意味著時域信號窄，注意傅里葉變換的數(shù)學(xué)關(guān)系，頻域信號寬則意味著時域信號窄，也就是說帶寬大，時域信號窄，那么單位時間內(nèi)可傳輸?shù)男盘栁灰簿褪钦f帶寬大，時域信號窄，那么單位時間內(nèi)可傳輸?shù)男盘栁痪投啵M(jìn)而傳輸速率就

6、大就多，進(jìn)而傳輸速率就大再思考n光纖傳輸帶寬是電纜的104倍，那么以USB 2.0為參照，新的光互連芯片應(yīng)該實(shí)現(xiàn)至少600Gbit/s的傳輸速度，但為什么現(xiàn)在只是6 Gbit/s？受到調(diào)制技術(shù)的限制，這點(diǎn)在第受到調(diào)制技術(shù)的限制，這點(diǎn)在第7-10章會再展開探討章會再展開探討如果如果說說2020世世紀(jì)紀(jì)是是電電子的世子的世紀(jì)紀(jì), , 2121世世紀(jì)則紀(jì)則是光子的世是光子的世紀(jì)紀(jì)n20世紀(jì)世紀(jì): 電學(xué)電學(xué)電子學(xué)電子學(xué) 電子技術(shù)（模電數(shù)電）電子技術(shù)（模電數(shù)電） 電子工業(yè)電子工業(yè) 微電子工業(yè)微電子工業(yè) 光子將帶來光子將帶來1000倍倍甚至更多甚至更多的傳輸速度提升的傳輸速度提升 n21世紀(jì)世紀(jì): 光子世

7、紀(jì)光子世紀(jì) 光學(xué)光學(xué)光子學(xué)光子學(xué) (理論理論) 光子技術(shù)發(fā)展光子技術(shù)發(fā)展 光子工業(yè)光子工業(yè) -全光網(wǎng)絡(luò)全光網(wǎng)絡(luò) 納米和生物光子學(xué)納米和生物光子學(xué)思考n前面提到光纖可傳輸?shù)男盘柎蠹s為同軸電纜的104倍，是否這已經(jīng)是極限，能否再提高？注意光還具有波長、偏振、相位等多種信息注意光還具有波長、偏振、相位等多種信息參量。前面提的傳輸容量僅限于單波長，如參量。前面提的傳輸容量僅限于單波長，如果在同一根光纖里使用不同波長傳輸不同信果在同一根光纖里使用不同波長傳輸不同信號，不同偏振傳輸不同信號，是否速度可以號，不同偏振傳輸不同信號，是否速度可以進(jìn)一步增加呢？進(jìn)一步增加呢？英國海底光纜樞紐英國海底光纜樞紐思考：

8、對比光纜和思考：對比光纜和電纜的使用環(huán)境，電纜的使用環(huán)境，有什么區(qū)別，為什有什么區(qū)別，為什么？么？光傳輸?shù)膬?yōu)勢n電磁干擾小n無電流短路及接地問題n無靜電火花n尺寸小重量輕n價格便宜光電子集成的終極應(yīng)用目標(biāo)之一是光計(jì)算機(jī)，以光作為載體，光電子集成的終極應(yīng)用目標(biāo)之一是光計(jì)算機(jī)，以光作為載體，實(shí)現(xiàn)個人計(jì)算機(jī)，將提高現(xiàn)有計(jì)算機(jī)速度實(shí)現(xiàn)個人計(jì)算機(jī)，將提高現(xiàn)有計(jì)算機(jī)速度100-1000倍，存儲容倍，存儲容量提高一百萬倍。目前美國，英國，以色列等國家都積極開展量提高一百萬倍。目前美國，英國，以色列等國家都積極開展相關(guān)研究。相關(guān)研究。Intel等芯片廠商已經(jīng)取得突破性進(jìn)展。等芯片廠商已經(jīng)取得突破性進(jìn)展。近年來

9、集成光電子學(xué)在生物傳感與醫(yī)療近年來集成光電子學(xué)在生物傳感與醫(yī)療領(lǐng)域得到廣泛運(yùn)用，生物集成芯片成為領(lǐng)域得到廣泛運(yùn)用，生物集成芯片成為集成光電子學(xué)重要應(yīng)用領(lǐng)域之一集成光電子學(xué)重要應(yīng)用領(lǐng)域之一集成光電子的產(chǎn)生n是對大規(guī)模集成電路的繼承和發(fā)展是對大規(guī)模集成電路的繼承和發(fā)展n探討將激光器、調(diào)制器、探測器、無源探討將激光器、調(diào)制器、探測器、無源器件等集成在同一襯底上的光電原理及器件等集成在同一襯底上的光電原理及制造方法制造方法n用光子來取代電子作為信息載體用光子來取代電子作為信息載體 應(yīng)用領(lǐng)域已有廣泛成熟市場的領(lǐng)域已有廣泛成熟市場的領(lǐng)域: n 光纖通信光纖通信: 光纖光纖, 調(diào)制器調(diào)制器, 光互連模塊光互

10、連模塊, PLC收發(fā)模塊等收發(fā)模塊等n 光傳感：光纖傳感和分布式傳感芯片光傳感：光纖傳感和分布式傳感芯片n 光存儲：光盤、全息光存儲：光盤、全息n 光學(xué)應(yīng)用：半導(dǎo)體激光器、信息處理芯片等光學(xué)應(yīng)用：半導(dǎo)體激光器、信息處理芯片等潛在市場潛在市場:n生物光子學(xué)：超小樣品檢測芯片生物光子學(xué)：超小樣品檢測芯片n納米光子學(xué)納米光子學(xué) (納米尺度檢測及加工納米尺度檢測及加工)n光邏輯處理與光計(jì)算光邏輯處理與光計(jì)算其他領(lǐng)域其他領(lǐng)域:n光學(xué)儀器光學(xué)儀器n光學(xué)材料處理光學(xué)材料處理 n光譜研究等光譜研究等集成光電子學(xué)的理論基礎(chǔ)n兩大理論基礎(chǔ)：物理光學(xué)和光電子學(xué)兩大理論基礎(chǔ)：物理光學(xué)和光電子學(xué)n還涉及：電磁場與電磁波

11、、信息光學(xué)、還涉及：電磁場與電磁波、信息光學(xué)、非線性光學(xué)、半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)、晶體光非線性光學(xué)、半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)、晶體光學(xué)、薄膜光學(xué)、導(dǎo)波光學(xué)、微電子工藝學(xué)、薄膜光學(xué)、導(dǎo)波光學(xué)、微電子工藝基礎(chǔ)基礎(chǔ)通過這么課學(xué)什么？兩個要點(diǎn)n集成光電子學(xué)的基本概念，內(nèi)容和應(yīng)用集成光電子學(xué)的基本概念，內(nèi)容和應(yīng)用n以集成光電子學(xué)為載體，通過簡潔淺顯的提以集成光電子學(xué)為載體，通過簡潔淺顯的提煉，勾勒出光電信息專業(yè)需掌握的最基本理煉，勾勒出光電信息專業(yè)需掌握的最基本理論和常用原理概念，豐富專業(yè)知識論和常用原理概念，豐富專業(yè)知識(即使你以即使你以后不再使用集成光電技術(shù)，也有助于加深你后不再使用集成光電技術(shù)，也有助于加深你對一些

12、光電基本問題的全面理解對一些光電基本問題的全面理解)n學(xué)習(xí)方法：勤于思考，對每個知識點(diǎn)能有自學(xué)習(xí)方法：勤于思考，對每個知識點(diǎn)能有自己的理解，學(xué)會辯證的看待專業(yè)領(lǐng)域己的理解，學(xué)會辯證的看待專業(yè)領(lǐng)域光電子與信息3Tn1T=1012n信息化的3T：信息傳輸速率達(dá)到1Tbit/s；單個計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理速度達(dá)到每秒1T次（萬億）； 每平方英寸信息存儲能力達(dá)到1Tbit思考：這三個參數(shù)目前的技術(shù)達(dá)到多少？思考：這三個參數(shù)目前的技術(shù)達(dá)到多少？3T信息化時代是否到來？n信息傳輸速度：信息傳輸速度：1Tbit/s，目前骨干網(wǎng)一般，目前骨干網(wǎng)一般2.5-10 Gbit/s，即將，即將 40Gbit/s。繼續(xù)提高依。

13、繼續(xù)提高依賴全光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，特別是波分復(fù)用技術(shù)；賴全光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，特別是波分復(fù)用技術(shù)；n數(shù)據(jù)處理速度：盡管巨型計(jì)算機(jī)已經(jīng)超過了數(shù)據(jù)處理速度：盡管巨型計(jì)算機(jī)已經(jīng)超過了每秒萬億次的運(yùn)算速度，但個人計(jì)算機(jī)目前每秒萬億次的運(yùn)算速度，但個人計(jì)算機(jī)目前還在每秒幾還在每秒幾G（109）次的水平，目前的技術(shù)）次的水平，目前的技術(shù)已經(jīng)出現(xiàn)瓶頸，有賴于使用光做信息載體，已經(jīng)出現(xiàn)瓶頸，有賴于使用光做信息載體，將速度提高將速度提高1000倍左右；倍左右；n數(shù)據(jù)存儲能力：目前的藍(lán)光光盤一張能達(dá)到數(shù)據(jù)存儲能力：目前的藍(lán)光光盤一張能達(dá)到20-50Gbit的容量，半導(dǎo)體存儲略低于這個數(shù)的容量，半導(dǎo)體存儲略低于這個數(shù)值，要想實(shí)現(xiàn)值

14、，要想實(shí)現(xiàn)Tbit的存儲，目前最可能商用的存儲，目前最可能商用的技術(shù)是全息的技術(shù)是全息電子電子Electronics光子光子Photonics晶體管（晶體管（1947） 光纖和分立元件光纖和分立元件1970s集成電路（集成電路（IC）超大規(guī)模集成電路（超大規(guī)模集成電路（VLSI）分子電子學(xué)分子電子學(xué)平面光波導(dǎo)平面光波導(dǎo)集成光路（集成光路（PLC）光子晶體光子晶體1960s1980s2000s1970s1980s1990s不斷減小的尺寸不斷減小的尺寸光子技術(shù)的潛力Moores LawnGordon Moores law:“集成電路集成度每集成電路集成度每18個月翻一番個月翻一番”n過去幾十年一直

15、成立過去幾十年一直成立n但現(xiàn)在似乎有了問但現(xiàn)在似乎有了問題題集成光電子的Moores 定律集成光電子技術(shù)產(chǎn)生時間很短，但不斷有新技術(shù)出集成光電子技術(shù)產(chǎn)生時間很短，但不斷有新技術(shù)出現(xiàn)，以超摩爾定律的態(tài)勢發(fā)展現(xiàn)，以超摩爾定律的態(tài)勢發(fā)展集成電路 集成光路u單一材料：硅單一材料：硅u單一技術(shù)平臺：單一技術(shù)平臺：CMOS技術(shù)技術(shù)u已形成大規(guī)模市場具有成熟技已形成大規(guī)模市場具有成熟技術(shù)術(shù)u標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)成單元：晶體管、電標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)成單元：晶體管、電容、電阻容、電阻u技術(shù)方向及標(biāo)準(zhǔn)被少數(shù)幾個大技術(shù)方向及標(biāo)準(zhǔn)被少數(shù)幾個大公司把持公司把持u最小尺寸：最小尺寸：10nm 到幾個到幾個 umu多種材料：硅、多種材料：硅、I

16、nP、GaAs、聚合物、鈮酸鋰等聚合物、鈮酸鋰等u多樣化的技術(shù)平臺多樣化的技術(shù)平臺u有限且在成型中的市場有限且在成型中的市場u沒有標(biāo)準(zhǔn)單元，不同的元件基沒有標(biāo)準(zhǔn)單元，不同的元件基于不同的光學(xué)原理于不同的光學(xué)原理u不同公司擁有完全不同的技術(shù)不同公司擁有完全不同的技術(shù)方案方案u最小尺寸：幾百最小尺寸：幾百nm 到幾個到幾個 um光電子集成的方式n功能集成：在一個芯片上實(shí)現(xiàn)光發(fā)生、信號調(diào)制、放大，甚至接收解調(diào)等多種功能，是技術(shù)的難度也是發(fā)展的要點(diǎn)。華為在武漢的分公司近年來核心業(yè)務(wù)在于此n個數(shù)集成：陣列化的集成多個具有同樣功能的模塊，分線陣和面陣兩種。深圳有大量的光電子公司做相關(guān)工作。功能集成個數(shù)集成

17、光電子集成的途徑n單片集成：全部光電器件集成在一塊芯單片集成：全部光電器件集成在一塊芯片（例如一塊硅片）上片（例如一塊硅片）上n混合集成：用不同工藝制作一些分立集混合集成：用不同工藝制作一些分立集成器件，再組裝到一起。成器件，再組裝到一起。單片集成性能穩(wěn)定，可靠性強(qiáng)，損耗小，是光電集成的發(fā)單片集成性能穩(wěn)定，可靠性強(qiáng)，損耗小，是光電集成的發(fā)展目標(biāo)，但受限于材料的光學(xué)特性，目前還沒有價廉物美展目標(biāo)，但受限于材料的光學(xué)特性，目前還沒有價廉物美的實(shí)現(xiàn)方案。的實(shí)現(xiàn)方案?；旌霞纱嬖诘脑騨工藝標(biāo)準(zhǔn)化程度最高，成本最低，且與集成電路兼容的材料是硅n但用硅做激光器量子效率非常低n目前市面的半導(dǎo)體激光器幾乎都是基于三五族材料的，如GaAs、InP，GaN等。n但三五族材料加工困難，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模集成思考：原思考：原因因硅鍺為間接帶隙半導(dǎo)體，三五族是直接帶隙半導(dǎo)體如何解決問題n硅材料是實(shí)現(xiàn)大規(guī)模集成的最佳材料n但由于量子效率低，目前集成激光器、探測器都是基于三五族材料的。請猜測怎樣解決問題，實(shí)現(xiàn)單片集成的目標(biāo)？目前的技術(shù)思路有兩個：目前的技術(shù)思路有兩個：p通過混合集成分別制作三五族和硅器件，再組裝成一個集通過混合集成分別制作三五族和