硅光子設(shè)計：從器件到系統(tǒng)

目錄
譯者序
原書序
原書前言
貢獻者
第1篇引言
第1章無晶圓廠硅光子3
1.1引言3
1.2硅光子：下一個無晶圓廠半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)5
1.2.1光子學(xué)歷史背景6
1.3硅光子應(yīng)用7
1.3.1數(shù)據(jù)通信7
1.4技術(shù)挑戰(zhàn)與研究現(xiàn)狀9
1.4.1波導(dǎo)與無源器件9
1.4.2調(diào)制器10
1.4.3光電探測器11
1.4.4光源12
1.4.5光–電集成方法13
1.5機遇14
1.5.1器件工程14
1.5.2光子系統(tǒng)工程15
1.5.3工具與支持性基礎(chǔ)設(shè)施16
1.5.4基礎(chǔ)科學(xué)17
1.5.5工藝標準化與多項目晶圓發(fā)展18
參考文獻19
第2章硅光子建模與設(shè)計方法27
2.1光波導(dǎo)模式求解28
2.2光波傳輸29
2.2.1三維時域有限差分法(3DFDTD)29
2.2.2二維時域有限差分法(2DFDTD)33
2.2.3其他傳輸仿真方法33
2.2.4無源光器件35
2.3光電模型35
2.4微波建模36
2.5熱建模36
2.6光子回路建模37
2.7物理版圖38
2.8軟件工具集成38
參考文獻40
第2篇光無源器件
第3章光學(xué)材料與光波導(dǎo)47
3.1絕緣襯上硅47
3.1.1硅48
3.1.2氧化硅49
3.2光波導(dǎo)50
3.2.1光波導(dǎo)設(shè)計50
3.2.2一維平板光波導(dǎo)——分析方法51
3.2.3光波導(dǎo)的數(shù)值建模51
3.2.4一維平板波導(dǎo)——數(shù)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光波導(dǎo)模場分布——2D計算56
3.2.8光波導(dǎo)寬度——有效折射率60
3.2.9波長相關(guān)性62
3.2.10光波導(dǎo)的緊促模型64
3.2.11光波導(dǎo)損耗65
3.3彎曲波導(dǎo)66
3.3.1彎曲波導(dǎo)3DFDTD仿真68
3.3.2本征模彎曲模擬69
3.4問題71
3.5仿真代碼72
參考文獻90
第4章光器件建模基礎(chǔ)93
4.1定向耦合器93
4.1.1光波導(dǎo)模式求解方法95
4.1.2相位98
4.1.3實驗數(shù)據(jù)100
4.1.4FDTD建模100
4.1.5制造敏感性102
4.1.6條形波導(dǎo)103
4.1.7寄生耦合104
4.2Y分支107
4.3馬赫–曾德爾干涉儀110
4.4環(huán)形諧振器111
4.4.1光傳輸函數(shù)112
4.4.2環(huán)形諧振器實驗結(jié)果113
4.5布拉格光柵濾波器114
4.5.1布拉格光柵理論114
4.5.2布拉格光柵濾波器設(shè)計116
4.5.3布拉格光柵濾波器實驗123
4.5.4光柵制造的實證模型127
4.5.5螺旋布拉格光柵132
4.5.6相移布拉格光柵134
4.5.7多周期布拉格光柵135
4.5.8基于光柵的定向耦合器136
4.6問題138
4.7仿真代碼138
參考文獻161
第5章光輸入/輸出165
5.1光子芯片與光纖耦合的挑戰(zhàn)165
5.2光柵耦合器165
5.2.1性能167
5.2.2耦合理論167
5.2.3設(shè)計方法170
5.2.4實驗結(jié)果181
5.3邊緣耦合器182
5.3.1納米錐波導(dǎo)邊緣耦合器183
5.3.2層疊波導(dǎo)邊緣耦合器187
5.4偏振188
5.5問題190
5.6仿真代碼190
參考文獻217
第3篇光有源器件
第6章光調(diào)制器223
6.1等離子體色散效應(yīng)223
6.1.1硅的載流子濃度相關(guān)性223
6.2pn結(jié)相移器225
6.2.1pn結(jié)載流子分布225
6.2.2光相位響應(yīng)227
6.2.3小信號響應(yīng)228
6.2.4pn結(jié)TCAD數(shù)值仿真229
6.3微環(huán)調(diào)制231
6.3.1微環(huán)可調(diào)性232
6.3.2小信號調(diào)制響應(yīng)234
6.3.3環(huán)形調(diào)制器設(shè)計235
6.4前向偏置pin結(jié)236
6.4.1可調(diào)光衰減器236
6.5有源可調(diào)238
6.5.1pin相移238
6.5.2熱相移239
6.6熱光開關(guān)242
6.7問題243
6.8仿真代碼244
參考文獻266
第7章光電探測器268
7.1性能參數(shù)268
7.1.1響應(yīng)度268
7.1.2帶寬269
7.2光電探測器制造272
7.3光電探測器類型274
7.3.1光導(dǎo)探測器274
7.3.2pin探測器275
7.3.3雪崩光電探測器275
7.4光電探測器設(shè)計要素278
7.4.1pin結(jié)方向278
7.4.2光電探測器幾何尺寸279
7.4.3接觸280
7.4.4外部負載281
7.5光電探測器建模282
7.5.13DFDTD光學(xué)仿真282
7.5.2電學(xué)仿真285
7.6問題288
7.7仿真代碼288
參考文獻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協(xié)同封裝308
8.3.1預(yù)制激光器308
8.3.2外部諧振腔激光器309
8.3.3刻蝕嵌入式外延310
8.4混合集成激光器310
8.5單片集成激光器311
8.5.1III-V族單片生長312
8.5.2鍺激光器313
8.6其他類型激光光源314
8.7問題315
參考文獻315
第4篇系統(tǒng)設(shè)計
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系統(tǒng)設(shè)計中的器件324
9.3緊促模型325
9.3.1經(jīng)驗回路或等效回路326
9.3.2S參數(shù)326
9.4定向耦合器——緊促模型327
9.4.1FDTD仿真327
9.4.2FDTDS參數(shù)328
9.4.3經(jīng)驗?zāi)Ｐ汀囗検?31
9.4.4S參數(shù)模型的無源性332
9.5環(huán)形調(diào)制器——回路模型336
9.6光柵耦合器——S參數(shù)338
9.6.1光柵耦合器回路339
9.7仿真代碼340
參考文獻362
第10章硅光子設(shè)計工具和技術(shù)363
10.1工藝設(shè)計套件363
10.1.1制造工藝參數(shù)365
10.1.2元器件庫367
10.1.3原理圖繪制368
10.1.4回路輸出369
10.1.5原理圖生成版圖370
10.1.6設(shè)計規(guī)則檢查374
10.1.7版圖與原理圖對照檢查376
10.2掩模版圖377
10.2.1元器件377
10.2.2光電測試版圖378
10.2.3快速GDS版圖布版方法378
10.2.4有效空間的GDS版圖布版方法379
參考文獻381
第11章硅光子晶圓制造383
11.1制造非均勻性383
11.1.1光刻輪廓384
11.1.2角分析385
11.1.3芯片上非均勻性與實驗結(jié)果386
11.2問題393
參考文獻394
第12章硅光子測試與封裝395
12.1電互連和光互連395
12.1.1光互連395
12.1.2電互連400
12.2光探針自動化測試臺402
12.2.1光探針自動化測試臺構(gòu)成404
12.2.2測試軟件406
12.2.3操作流程406
12.2.4光測試儀器409
12.3測試設(shè)計410
12.3.1光功率預(yù)算412
12.3.2布版注意事項412
12.3.3設(shè)計審查和核對表413
參考文獻415
第13章硅光子系統(tǒng)實例418
13.1基于波分復(fù)用的光發(fā)射器418
13.1.1基于硅微環(huán)WDM的光發(fā)射器原理418
13.1.2共總線WDM光發(fā)射器420
13.1.3調(diào)制–復(fù)用WDM光發(fā)射器421
13.1.4結(jié)論423
參考文獻423
彩圖