(集成光电子导论)绪论.ppt

集成光电子学导论（3学分）主讲：宋军 第一章 概论 关于教材《微纳光子集成》何赛灵 08级选用西安交大唐天同的《集成光电子学》，但该教材主要面向研究生教学，因此难度比较深，且内容比较陈旧，多为90年代研究内容 本教材编自2010年，内容接近集成光电子发展前沿，且自己参与了教材的编写，对内容更熟悉。 课件会上传到Blackboard平台，可自由下载，因此不想买教材的可以不买。 考核方式（系规定：3学分全部闭卷） 平时成绩占40%，考试成绩占60% 平时成绩由到课率、2次分组设计大作业、课上回答问题及表现三部分组成。 考试内容及授课理念：不死记硬背，考试没有公式，没有记忆内容。只要课上理解就能答出。 教学方式探索 “织网式”教学：知识点由点到面——将光电三年来课程的主要知识点融会贯通 分组大作业：分别利用BPM和FDTD方法完成两个典型集成光电子学器件的设计，锻炼大家的团队协作能力，及实际问题解决能力。 联想式教学：通过对光与电相关现象的对比，深入理解专业问题。 什么是集成光电子学 在英语里集成光电子两个最普遍的称呼： ---PLC（planar lightwave circuit） ---OEIC（optical-electronic integrated circuit） 一些例子 通过这些例子我们先感性认识一下集成光电子学是研究什么的 特别注意理解一些基本概念 斯坦福大学的集成显微镜 Lab on a chip 从下面的图片能对集成光电子有什么感性认识？ 为什么集成芯片越来越小？ 对这个例子的思考 USB1.1和2.0是基于同轴电缆的电子传输技术，而Intel新开发的USB设备基于光子互连，进而提高了1000倍的传输速度，是否意味着光信号的传输速度比电信号更高呢？ 为什么光互连能比电传输获得更高的速度？ 两个基本问题 光信号和电信号哪个传输的快？ 光子和电子哪个传输的快？ 电信号和电子传输速度 同轴电缆里电信号的传输速度接近光速 在电线里电信号的传输是依靠电场 电场加上后电流马上产生，电流产生的速度和电场产生的速度相当 但电流全局移动的速度（电子移动速度）则相对缓慢很多，在集成电路芯片里电子移动速度约每秒60公里 电信号和光信号传输速度相同，但电子速度与光子速度相差很远 另一个问题 既然光信号和电信号传输速度相同，为什么我们说光通信比电子通讯更具优势呢？ 教科书关于光通信好的答案 光纤传输带宽约10GHz甚至更高，而同轴电缆仅50MHz左右。因此利用光纤可传输的信号大约为同轴电缆的104倍。 带宽 带宽是以赫兹为单位、在频域内信号的傅里叶变换功率在一个特定门限之上、例如与最大值差在 3dB 的之内的频率范围。信号带宽是信号随着时间波动速度的一个度量，这样，带宽越大，信号的变化越快。 再思考 光纤传输带宽是电缆的104倍，那么以USB 2.0为参照，新的光互连芯片应该实现至少600Gbit/s的传输速度，但为什么现在只是6 Gbit/s？ 如果说20世纪是电子的世纪, 21世纪则是光子的世纪 20世纪: 电学?电子学 ? 电子技术（模电数电） ? 电子工业 ? 微电子工业 光子将带来1000倍甚至更多的传输速度提升 21世纪: 光子世纪 光学?光子学 (理论)? 光子技术发展 ? 光子工业 -全光网络? 纳米和生物光子学 思考 前面提到光纤可传输的信号大约为同轴电缆的104倍，是否这已经是极限，能否再提高？ 光传输的优势 电磁干扰小 无电流短路及接地问题 无静电火花 尺寸小重量轻 价格便宜 集成光电子的产生 是对大规模集成电路的继承和发展 探讨将激光器、调制器、探测器、无源器件等集成在同一衬底上的光电原理及制造方法 用光子来取代电子作为信息载体 应用领域? 已有广泛成熟市场的领域:? 光纤通信: 光纤, 调制器, 光互连模块, PLC收发模块等 ?光传感：光纤传感和分布式传感芯片 光存储：光盘、全息 光学应用：半导体激光器、信息处理芯片等 潜在市场: 生物光子学：超小样品检测芯片 纳米光子学 (纳米尺度检测及加工) 光逻辑处理与光计算 其他领域: 光学仪器 光学材料处理? 光谱研究等 集成光电子学的理论基础 两大理论基础：物理光学和光电子学 还涉及：电磁场与电磁波、信息光学、非线性光学、半导体物理基础、晶体光学、薄膜光学、导波光学、微电子工艺基础 通过这么课学什么？两个要点 集成光电子学的