光电子芯片——基础、应用及制造

中国通信学会会士、深耕光电子领域六十余年的资深专家潜心力作
全面解析光电子芯片核心技术，赋能国产芯片自主创新！

本书从光电子器件（芯片）的理论基础出发，介绍了光无源和光有源器件、光探测及红外光感知、图像传感芯片，特别是在矩阵乘法运算、人工智能（AI）、光交换网络中广泛应用的马赫-曾德尔干涉（MZI）光调制器、阵列波导光栅（AWG）、微机电系统（MEMS）及高速光纤通信系统芯片及光模块；阐述了硅光技术、光电共封装（CPO）技术，以及光电子芯片在人工智能（AI）、激光雷达测距、光子相控阵（OPA）雷达、光子存储、光交换、数据中心光互联等方面的应用；还给出光电子芯片制造技术，特别是Si基异质集成Ⅲ-Ⅴ族芯片制造技术与工艺，以及芯片封装技术及演化。
本书附有“缩写名词术语”，便于读者检索感兴趣的内容，还配有“知识扩展”“PPT课件”“关键词索引”等电子文档（获取方式见封底），为读者提供深入了解光电子芯片制造技术的途径。
本书内容系统全面，叙述通俗易懂，图文并茂，既可供从事光电集成芯片、民用军用系统和装备的研究教学、规划设计、管理维护的人员参考，也可作为相关专业的教材。

原荣，研究员，中国通信学会会士。自参加工作以来，先后从事激光大气通信、光纤通信技术研究。曾负责军事预研课题“军用全光传输系统研究”和863计划通信技术主题重大项目“全业务网（FSN）接入传输系统”研究，成功研制出掺铒光纤放大器（EDFA），建立了WDM光纤传输演示系统和全业务接入网。
曾先后出版《光纤通信》《光纤通信网络》《宽带光接入网》《光纤通信技术》《光子学与光电子学》和《海底光缆通信——关键技术、系统设计及OA&M》等著作10余部。

前言
第1章 概述和理论基础1
1.1 概述1
1.1.1 光电子芯片技术和分类1
1.1.2 光电子芯片—光电技术和光电产业核心部件4
1.1.3 国家对集成电路产业跨越式发展极为重视5
1.1.4 光电子芯片基础—光电子学6
1.1.5 光电子芯片产品的应用8
1.2 光电子芯片理论基础10
1.2.1 光的波动性和粒子性10
1.2.2 光的传播速度与介质折射率紧密相关11
1.2.3 光电子器件与光程差、相位差紧密相关11
1.2.4 能带理论—发光器件、光感知探测器基础13
1.2.5 Ⅲ-Ⅴ族材料与硅、锗材料比较—直接带隙优于间接带隙16
1.2.6 半导体对光的吸收—光探测器、激光器、光放大器基础17
1.2.7 载流子的产生、复合、扩散和漂移—光电效应、光电荷效应、
光电导效应基础19
第2章 光无源器件21
2.1 波分复用/解复用器21
2.1.1 反射光栅解复用器21
2.1.2 AWG复用/解复用器21
2.2 光滤波器23
2.2.1 法布里-珀罗谐振腔23
2.2.2 法布里-珀罗滤波器24
2.2.3 马赫-曾德尔干涉仪—矩阵乘法运算、人工智能、神经网络等26
2.2.4 马赫-曾德尔干涉滤波器26
2.2.5 布拉格光栅波导滤波器27
2.3 微机电系统—光交换芯片应用28
2.3.1 微机电系统简介28
2.3.2 微机电系统光开关—广泛应用于光交换芯片29
2.4 波导光隔离器29
2.4.1 钇铁石榴石波导光隔离器29
2.4.2 微环磁光波导光隔离器30
2.5 阵列波导光栅无源器件及其应用32
2.5.1 AWG星形耦合器32
2.5.2 AWG的工作原理—不同路径光终点干涉33
2.5.3 AWG用于光滤波器35
2.5.4 AWG用于多信道光接收机36
2.5.5 AWG用于宽谱光源分割37
2.5.6 AWG用于光网络单元无色WDM-PON38
2.5.7 AWG用于光交叉连接39
2.5.8 AWG用于光正交频分复用信号产生40
2.5.9 AWG用于傅里叶变换和逆变换—人工智能芯片应用41
2.6 光耦合器42
2.6.1 2×2波导光耦合器43
2.6.2 波导多模干涉分光器/耦合器44
2.6.3 边缘耦合器45
2.6.4 光栅耦合器46
第3章 激光器、光放大器、光调制器48
3.1 激光器、光放大器48
3.1.1 半导体激光器工作的必要条件48
3.1.2 异质结半导体激光器49
3.1.3 量子限制激光器50
3.1.4 硅基异质集成量子点激光器52
3.1.5 分布反馈激光器53
3.1.6 半导体光放大器—人工智能芯片应用56
3.1.7 平面波导光栅波长可调激光器57
3.1.8 垂直腔表面发射激光器59
3.1.9 硅基微环外腔波长可调半导体激光器60
3.2 马赫-曾德尔干涉光调制器—矩阵乘法运算、人工智能等应用62
3.2.1 电光效应62
3.2.2 电光相位调制器63
3.2.3 马赫-曾德尔干涉光调制器工作原理—受控偏振光输出端干涉64
3.2.4 归零码差分正交相移键控MZM66
3.2.5 薄膜铌酸锂调制器67
3.3 电吸收调制器68
3.3.1 电吸收调制器工作原理—外加电压控制光的吸收损耗68
3.3.2 硅基Ⅲ-Ⅴ族波导电吸收调制器芯片70
第4章 光探测器及高速光接收机芯片73
4.1 光探测概述73
4.1.1 光探测原理—光的受激吸收73
4.1.2 响应度和量子效率73
4.2 光探测器74
4.2.1 PN结光电二极管74
4.2.2 PIN光电二极管75
4.2.3 雪崩光电二极管77
4.2.4 单向载流子光探测器79
4.2.5 波导光探测器芯片80
4.2.6 肖特基结光探测器83
4.2.7 紫外光探测器84
4.2.8 光电晶体管85
4.2.9 硅基锗波导光探测器86
4.3 光接收机芯片91
4.3.1 电子载流子光接收机91
4.3.2 AWG多信道光接收机芯片92
4.3.3 107Gbit/s WG-PIN行波放大PLC光接收机芯片93
4.3.4 单片集成相干接收芯片94
4.3.5 硅基异质集成高速光接收机前置放大器芯片95
第5章 高速光纤通信系统芯片及模块99
5.1 数字信号处理技术芯片99
5.1.1 数字信号处理在高比特率光纤通信系统中的作用99
5.1.2 数字信号处理技术的实现101
5.1.3 100Gbit/s系统数字信号处理器模块102
5.1.4 400Gbit/s系统数字信号处理器模块103
5.2 光传输系统模块演进105
5.2.1 100Gbit/s超长距离DWDM系统光收发模块105
5.2.2 单载波400Gbit/s传输系统模块107
5.2.3 双载波400Gbit/s传输系统模块110
5.2.4 四载波400Gbit/s传输系统模块113
5.2.5 800Gbit/s光传输系统模块115
5.3 硅光集成电路收发器芯片115
第6章 发光及其显示芯片—电致发光、光致发光LED芯片119
6.1 电致发光和光致发光119
6.1.1 电致发光119
6.1.2 电致发光LED材料和结构121
6.1.3 光致发光122
6.1.4 LED的主要特性和应用124
6.2 电致发光显示芯片125
6.2.1 薄膜电致发光显示芯片125
6.2.2 厚膜/薄膜混合电致发光显示芯片128
6.2.3 粉末电致发光显示128
6.3 有机电致发光显示芯片129
6.3.1 OLED器件的结构129
6.3.2 OLED显示的工作原理130
6.3.3 有源矩阵驱动OLED显示芯片131
6.4 电致发光显示芯片的应用和发展前景131
6.4.1 有机电致发光显示芯片—柔性显示屏131
6.4.2 钙钛矿发光二极管及发展前景132
第7章 光热效应、光电荷效应芯片—在红外感知器、图像传感器、
国防装备中的应用134
7.1 光热效应及其光感知芯片134
7.1.1 热敏效应—使阻值发生改变134
7.1.2 热释电效应—热感知成像系统134
7.2 光电荷效应芯片136
7.2.1 电荷耦合器件的工作原理—光/电转换、电荷存储及转移137
7.2.2 电荷耦合摄像芯片工作原理—二维图像光信号转换为一维电信号137
7.2.3 CCD芯片的应用—信号处理、数字存储和图像传感139
7.2.4 CMOS图像传感器—芯片上的照相机140
7.2.5 图像传感器系统及色彩分离技术142
7.2.6 CMOS和CCD摄像芯片比较144
7.2.7 光子效应芯片汇总145
7.3 红外热感知成像技术146
7.3.1 热感知成像机理—目标红外辐射分布不同146
7.3.2 热探测器、光/电转换和制冷147
7.3.3 热感知成像装置组成及工作原理149
7.3.4 焦平面阵列红外探测芯片150
第8章 光电子芯片新技术及应用153
8.1 硅光技术153
8.1.1 概述153
8.1.2 英特尔硅基光电子芯片平台154
8.1.3 台积电硅基光电子芯片平台156
8.2 光电共封装技术160
8.2.1 光电共封装概述160
8.2.2 1.6Tbit/s CPO架构、晶片键合、芯片倒装162
8.2.3 基于CPO的VCSEL收发器165
8.2.4 中介体、3D堆叠、光引擎及未来的CPO166
8.3 线性驱动可插拔光模块技术167
8.3.1 线性驱动可插拔光模块基本概念167
8.3.2 串行器/解串行器高速传输数据接口169
8.4 光调制器的技术进展及未来169
8.4.1 硅光调制器当前的技术瓶颈169
8.4.2 薄膜铌酸锂、氮化硅及应用170
8.4.3 光调制器新材料如何影响各种新应用172
8.5 光电子芯片应用173
8.5.1 5G/6G光传输网络173
8.5.2 射频信号光纤传输无线通信网络174
8.5.3 自动驾驶激光雷达测距175
8.5.4 数据中心光互联180
8.5.5 光电子人工智能芯片183
8.5.6 硅光芯片及其光学神经网络186
8.5.7 光子计算芯片188
8.5.8 光学相控阵雷达发射芯片190
8.5.9 量子芯片194
8.5.10 光子存储芯片198
8.5.11 光交换芯片198
8.5.12 战车、战机芯片200
8.5.13 氮化硅波导环光学陀螺仪201
第9章 光电子芯片制造技术与工艺203
9.1 概述203
9.1.1 芯片制造工艺流程简介203
9.1.2 光电子芯片制造中的基本工艺205
9.2 光电子芯片半导体材料207
9.2.1 硅基材料207
9.2.2 化合物半导体材料207
9.2.3 柔性发光二极管材料208
9.2.4 光电子芯片关键光学感知材料208
9.3 光刻、蚀刻与薄膜淀积技术及设备208
9.3.1 光刻技术及光刻机208
9.3.2 蚀刻技术与设备—获得衬底表面图形211
9.3.3 薄膜生长（淀积）技术与设备212
9.4 掺杂技术212
9.4.1 热扩散向离子注入掺杂过渡212
9.4.2 离子注入掺杂技术及设备213
9.5 先进芯片制造技术213
9.5.1 从100nm 到7nm—以材料和工艺的创新为支撑213
9.5.2 Si基异质集成Ⅲ-Ⅴ族半导体激光器214
9.5.3 硅基锗PIN光感知探测器制造工艺216
9.5.4 芯片封装技术217
9.5.5 从片上系统、立方体集成电路到晶粒封装221
附录 缩写名词术语225
参考文献232