硅光子设计：从器件到系统

　　硅光子技术在电信通信、数据中心、高性能计算、传感、航空航天等领域的广泛应用，特别是随着CMOS（互补金属氧化物半导体）技术的持续发展，光子技术与电子技术的融合有望终取代电子技术。《BR》本书详细地介绍了硅光子技术，从光无源器件到光有源器件，从功能结构设计到芯片制造，从制造到测试，从器件回路到系统回路，从理论分析计算到仿真等，涵盖器件结构原理、设计、制造、封测、仿真等全流程，结合大量实例详细说明硅光子从器件到系统各个环节的关键要素，并辅以仿真计算源代码供学习和参考。本书共四篇，第1篇介绍硅光子发展及其应用，包括硅光子研究现状、技术挑战和发展机遇；第2篇介绍光无源器件，包括光学材料和光波导、基本功能结构和光输入/输出结构；第3篇介绍光有源器件，包括光调制器、探测器和激光光源；第4篇介绍系统设计，包括硅光子回路模型、设计工具、制造、封测和硅光子系统。

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目录
译者序
原书序
原书前言
贡献者
第1篇引言
第1章无晶圆厂硅光子3
1.1引言3
1.2硅光子：下一个无晶圆厂半导体产业5
1.2.1光子学历史背景6
1.3硅光子应用7
1.3.1数据通信7
1.4技术挑战与研究现状9
1.4.1波导与无源器件9
1.4.2调制器10
1.4.3光电探测器11
1.4.4光源12
1.4.5光–电集成方法13
1.5机遇14
1.5.1器件工程14
1.5.2光子系统工程15
1.5.3工具与支持性基础设施16
1.5.4基础科学17
1.5.5工艺标准化与多项目晶圆发展18
参考文献19
第2章硅光子建模与设计方法27
2.1光波导模式求解28
2.2光波传输29
2.2.1三维时域有限差分法(3DFDTD)29
2.2.2二维时域有限差分法(2DFDTD)33
2.2.3其他传输仿真方法33
2.2.4无源光器件35
2.3光电模型35
2.4微波建模36
2.5热建模36
2.6光子回路建模37
2.7物理版图38
2.8软件工具集成38
参考文献40
第2篇光无源器件
第3章光学材料与光波导47
3.1绝缘衬上硅47
3.1.1硅48
3.1.2氧化硅49
3.2光波导50
3.2.1光波导设计50
3.2.2一维平板光波导——分析方法51
3.2.3光波导的数值建模51
3.2.4一维平板波导——数值仿真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光波导模场分布——2D计算56
3.2.8光波导宽度——有效折射率60
3.2.9波长相关性62
3.2.10光波导的紧促模型64
3.2.11光波导损耗65
3.3弯曲波导66
3.3.1弯曲波导3DFDTD仿真68
3.3.2本征模弯曲模拟69
3.4问题71
3.5仿真代码72
参考文献90
第4章光器件建模基础93
4.1定向耦合器93
4.1.1光波导模式求解方法95
4.1.2相位98
4.1.3实验数据100
4.1.4FDTD建模100
4.1.5制造敏感性102
4.1.6条形波导103
4.1.7寄生耦合104
4.2Y分支107
4.3马赫–曾德尔干涉仪110
4.4环形谐振器111
4.4.1光传输函数112
4.4.2环形谐振器实验结果113
4.5布拉格光栅滤波器114
4.5.1布拉格光栅理论114
4.5.2布拉格光栅滤波器设计116
4.5.3布拉格光栅滤波器实验123
4.5.4光栅制造的实证模型127
4.5.5螺旋布拉格光栅132
4.5.6相移布拉格光栅134
4.5.7多周期布拉格光栅135
4.5.8基于光栅的定向耦合器136
4.6问题138
4.7仿真代码138
参考文献161
第5章光输入/输出165
5.1光子芯片与光纤耦合的挑战165
5.2光栅耦合器165
5.2.1性能167
5.2.2耦合理论167
5.2.3设计方法170
5.2.4实验结果181
5.3边缘耦合器182
5.3.1纳米锥波导边缘耦合器183
5.3.2层叠波导边缘耦合器187
5.4偏振188
5.5问题190
5.6仿真代码190
参考文献217
第3篇光有源器件
第6章光调制器223
6.1等离子体色散效应223
6.1.1硅的载流子浓度相关性223
6.2pn结相移器225
6.2.1pn结载流子分布225
6.2.2光相位响应227
6.2.3小信号响应228
6.2.4pn结TCAD数值仿真229
6.3微环调制231
6.3.1微环可调性232
6.3.2小信号调制响应234
6.3.3环形调制器设计235
6.4前向偏置pin结236
6.4.1可调光衰减器236
6.5有源可调238
6.5.1pin相移238
6.5.2热相移239
6.6热光开关242
6.7问题243
6.8仿真代码244
参考文献266
第7章光电探测器268
7.1性能参数268
7.1.1响应度268
7.1.2带宽269
7.2光电探测器制造272
7.3光电探测器类型274
7.3.1光导探测器274
7.3.2pin探测器275
7.3.3雪崩光电探测器275
7.4光电探测器设计要素278
7.4.1pin结方向278
7.4.2光电探测器几何尺寸279
7.4.3接触280
7.4.4外部负载281
7.5光电探测器建模282
7.5.13DFDTD光学仿真282
7.5.2电学仿真285
7.6问题288
7.7仿真代码288
参考文献302
第8章激光器305
8.1外部激光器305
8.2激光器建模306
8.3协同封装308
8.3.1预制激光器308
8.3.2外部谐振腔激光器309
8.3.3刻蚀嵌入式外延310
8.4混合集成激光器310
8.5单片集成激光器311
8.5.1III-V族单片生长312
8.5.2锗激光器313
8.6其他类型激光光源314
8.7问题315
参考文献315
第4篇系统设计
第9章硅光子回路建模323
9.1光子回路建模的必要性323
9.2系统设计中的器件324
9.3紧促模型325
9.3.1经验回路或等效回路326
9.3.2S参数326
9.4定向耦合器——紧促模型327
9.4.1FDTD仿真327
9.4.2FDTDS参数328
9.4.3经验模型——多项式331
9.4.4S参数模型的无源性332
9.5环形调制器——回路模型336
9.6光栅耦合器——S参数338
9.6.1光栅耦合器回路339
9.7仿真代码340
参考文献362
第10章硅光子设计工具和技术363
10.1工艺设计套件363
10.1.1制造工艺参数365
10.1.2元器件库367
10.1.3原理图绘制368
10.1.4回路输出369
10.1.5原理图生成版图370
10.1.6设计规则检查374
10.1.7版图与原理图对照检查376
10.2掩模版图377
10.2.1元器件377
10.2.2光电测试版图378
10.2.3快速GDS版图布版方法378
10.2.4有效空间的GDS版图布版方法379
参考文献381
第11章硅光子晶圆制造383
11.1制造非均匀性383
11.1.1光刻轮廓384
11.1.2角分析385
11.1.3芯片上非均匀性与实验结果386
11.2问题393
参考文献394
第12章硅光子测试与封装395
12.1电互连和光互连395
12.1.1光互连395
12.1.2电互连400
12.2光探针自动化测试台402
12.2.1光探针自动化测试台构成404
12.2.2测试软件406
12.2.3操作流程406
12.2.4光测试仪器409
12.3测试设计410
12.3.1光功率预算412
12.3.2布版注意事项412
12.3.3设计审查和核对表413
参考文献415
第13章硅光子系统实例418
13.1基于波分复用的光发射器418
13.1.1基于硅微环WDM的光发射器原理418
13.1.2共总线WDM光发射器420
13.1.3调制–复用WDM光发射器421
13.1.4结论423
参考文献423
彩图