微纳米光子器件与集成系统设计和制造

图书标准信息

• 作者 夏金安
• 出版社 科学出版社
• 出版时间 2023-07
• 版次 1
• ISBN 9787030738110
• 定价 100.00元
• 装帧 其他
• 开本 其他
• 页数 196页
• 字数 204千字

【内容简介】

微纳光子器件是光子集成系统的核心元件，应用于通信和计算机系统，可降低系统的功率消耗、减少信号串扰、改善系统的安全性。本书主要介绍了集成光子系统中的硅基混合集成激光器、硅激光器、集成锁模激光器、光放大器、微环谐振腔光开关器件的结构与运行原理；对部分器件的制作工艺作了介绍；引入了新近报道的光子集成硅基激光器和光放大器，如硅、铟镓砷磷混合激光器、拉曼激光器、单块量子点激光器和硅基混合放大器、拉曼放大器和高增益布里渊光放大器的结构、原理；介绍了多种微型光网络和芯片光网络的结构、原理、设计方法和技术；对掩模版设计作了简要介绍；介绍了量子级联激光器（含超短脉冲量子级联激光器）的结构、工作原理和特性，太赫兹量子级联激光器、放大器的系统结构和工作原理；还介绍了量子点激光器、半导体量子点单光子源和纠缠双光子源的结构、工作原理以及特性参数测试技术。

【目录】

第1章 概述 1

1.1 光子集成 1

1.2 光子集成器件 1

1.3 本书概要 3

参考文献 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艺 7

2.2 硅基混合集成波导间耦合结构 8

2.3 典型的硅基混合集成激光器 9

2.3.1 DFB单模激光器 9

2.3.2 垂直腔表面发射激光器 10

2.3.3 微环激光器 10

2.3.4 阵列波导光栅激光器 11

2.3.5 硅基掺稀土混合集成激光器 12

2.3.6 硅表面直接生长的激光器 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 硅基拉曼激光器结构 15

2.4.2 硅基拉曼激光器有害因素 15

2.4.3 拉曼激光运行控制方程 16

2.5 小结 18

参考文献 18

第3章 集成超短脉冲激光器 20

3.1 硅基锁模激光器 20

3.2 集成锁模激光器物理方程模型 22

3.2.1 激光器波导中电场传输方程 22

3.2.2 光放大速率方程 23

3.2.3 可饱和吸收器动态方程 25

3.3 锁模激光器脉冲压缩 26

3.4 小结 27

参考文献 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 法布里珀罗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 硅基集成光放大器实例 32

4.2 硅拉曼放大器 32

4.3 硅布里渊光放大器 34

4.4 小结 35

参考文献 35

第5章 微环谐振腔光开关器件 37

5.1 微环谐振腔光开关基本器件 37

5.2 微环谐振腔波长调谐技术 40

5.2.1 电光调控微环谐振腔光开关 40

5.2.2 微环谐振腔热光调控光开关 43

5.2.3 光控微环谐振腔开关 46

5.3 微环谐振腔光开关性能比较 48

5.3.1 电光调控微环谐振腔开关性能 48

5.3.2 热光调控微环谐振腔光开关性能 49

5.3.3 光控微环谐振腔开关性能 50

5.4 小结 51

参考文献 51

第6章 高阶微环谐振腔器件设计 55

6.1 高阶微环谐振腔光开关和传输矩阵模型 55

6.2 高阶微环谐振腔光开关的物理特性 57

6.2.1 微环数对高阶微环谐振腔光开关物理特性影响 58

6.2.2 耦合系数对高阶微环谐振腔器件的物理特性影响 59

6.2.3 微环尺寸对高阶微环谐振腔开关光谱响应特性影响 61

6.3 高阶微环谐振腔波长选择光开关 63

6.4 多级高阶微环谐振腔器件 65

6.4.1 多级高阶微环谐振腔器件结构 65

6.4.2 串级微环谐振腔器件传输矩阵算法改进 66

6.4.3 多级高阶微环谐振腔开关的光谱响应特性 67

6.5 带宽可变微环谐振腔波长选择开关 69

6.5.1 带宽可变微环谐振腔波长选择开关结构设计 69

6.5.2 可重构分插复用结构 70

6.6 多端口微环谐振腔波长选择开关 71

6.6.1 复杂微环谐振腔波长选择开关设计 71

6.6.2 多端口微环谐振腔波长选择开关结构 75

6.7 小结 78

参考文献 78

第7章 硅基光探测器和收发机 82

7.1 光探测器的工作特性82

7.2 波导耦合Ge-on-Si雪崩光电二极管 85

7.3 Si/Ge/Si p-i-n光电二极管 87

7.4 硅基微环谐振腔光探测器 87

7.5 硅基集成光收发机 87

7.5.1 硅基微环谐振腔光收发机 88

7.5.2 硅基混合集成光收发机 88

7.6 小结 89

参考文献 89

第8章 片上光网络 90

8.1 片上光网络 90

8.1.1 基于光波导总线的片上光网络 91

8.1.2 基于微环谐振腔器件的集成光网络 93

8.1.3 基于微环谐振腔器件和阵列波导光栅路由器的集成光网络 94

8.2 片上光网络设计 96

8.3 小结 97

参考文献 97

第9章 光波导 99

9.1 集成光波导结构 99

9.2 光波导传输模式 99

9.2.1 平面形波导的低阶模和模式截止条件 100

9.2.2 条形波导模式 102

9.3 光波导制作技术 102

9.3.1 平面波导 103

9.3.2 条形光波导 103

9.4 光波导测试 107

9.5 小结 108

参考文献 109

第10章 光刻掩模版设计简介 110

10.1 光刻掩模版的制作 110

10.2 光刻机曝光方式 112

10.2.1 透射式曝光 112

10.2.2 反射式曝光 114

10.3 光刻对准原理115

10.3.1 单面光刻对准 115

10.3.2 双面光刻对准 115

10.3.3 套准精度 116

10.4 光刻掩模版设计对准标记 117

10.4.1 光刻掩模版定位标记图案和要求 117

10.4.2 光刻掩模版对准检测图案 119

10.4.3 掩模版的设计原则 119

10.4.4 对准标记设计实例 120

10.5 光刻掩模版的光学增强技术 122

10.5.1 相移掩模技术 122

10.5.2 光学临近修正 123

10.5.3 光学临近修正方法 123

10.6 曝光系统的分辨率 123

10.7 焦深 124

10.8 小结 124

参考文献 125

第11章 量子级联激光器 126

11.1 量子级联激光器能带结构 126

11.2 量子级联激光器材料及其对激光器性能的影响 129

11.3 激光谐振腔结构 131

11.3.1 法布里珀罗腔 133

11.3.2 分布反馈光栅谐振腔 133

11.3.3 外腔结构 133

11.4 量子级联激光器的特性 134

11.4.1 脉冲输出量子级联激光器 134

11.4.2 连续输出量子级联激光器 136

11.5 波长调谐技术 136

11.6 光子集成 137

11.6.1单片集成 137

11.6.2 异质键合集成 138

11.6.3 混合外腔集成 139

11.7 太赫兹量子级联激光器 140

11.7.1 太赫兹量子级联激光器波导结构及输出光束质量控制 141

11.7.2 提升太赫兹量子级联激光器运行温度 144

11.8 超短脉冲量子级联激光器 144

11.8.1中红外超短脉冲量子级联激光器 145

11.8.2 超短脉冲太赫兹量子级联激光器 145

11.8.3 单周期太赫兹脉冲产生 146

11.9 太赫兹辐射量子级联放大器 147

11.10 小结 149

参考文献 150

第12章 半导体量子点激光器和量子光源 154

12.1 量子点激光器中量子点能级结构 154

12.2 半导体量子点激光器材料和制备技术 155

12.3 半导体量子点激光器结构 157

12.3.1 法布里珀罗谐振腔量子点激光器 157

12.3.2 分布反馈量子点激光器 157

12.3.3 垂直腔表面发射半导体量子点激光器 158

12.3.4 微环和微盘半导体量子点激光器 159

12.4 半导体量子点激光器的特性 160

12.4.1 侧向发射半导体量子点激光器 160

12.4.2 垂直腔表面发射半导体量子点激光器 162

12.4.3 半导体量子点激光器优缺点 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 锁模半导体量子点激光器 167

12.6.1 量子点材料和锁模量子点激光器结构 168

12.6.2 减小锁模量子点激光器脉冲宽度和提高功率技术 169

12.6.3 噪声特性 172

12.7 半导体量子光源 173

12.7.1 半导体量子光源应用 173

12.7.2 半导体量子点单光子源 173

12.7.3 半导体量子点纠缠双光子源 177

12.7.4 半导体量子光源特性参数 177

12.8 小结 179

参考文献 180

内容摘要
微纳光子器件是光子集成系统的核心元件，应用于通信和计算机系统，可降低系统的功率消耗、减少信号串扰、改善系统的安全性。本书主要介绍了集成光子系统中的硅基混合集成激光器、硅激光器、集成锁模激光器、光放大器、微环谐振腔光开关器件的结构与运行原理；对部分器件的制作工艺作了介绍；引入了新近报道的光子集成硅基激光器和光放大器，如硅、铟镓砷磷混合激光器、拉曼激光器、单块量子点激光器和硅基混合放大器、拉曼放大器和高增益布里渊光放大器的结构、原理；介绍了多种微型光网络和芯片光网络的结构、原理、设计方法和技术；对掩模版设计作了简要介绍；介绍了量子级联激光器（含超短脉冲量子级联激光器）的结构、工作原理和特性，太赫兹量子级联激光器、放大器的系统结构和工作原理；还介绍了量子点激光器、半导体量子点单光子源和纠缠双光子源的结构、工作原理以及特性参数测试技术。