内容简介
集成光电子器件以集成光电子技术为基础，采用与集成电路（Integrated Circuit，IC）制造工艺完全兼容的工艺制造而成，具有光处理与传输功能的器件，是实现大容量、高速率信息传输的关键。“集成光电子器件制造学”是介绍支撑及引导光电子发展的基础学科，《集成光电子器件制造学教学案例》是其配套学习教材，以案例示教，重在实操，巩固理论学习和加深理解。《集成光电子器件制造学教学案例》共三篇13个案例，第1篇主要介绍典型无源和有源光电子器件/芯片的设计及其优化，包括平面光波导设计及优化、平面光波导分路器芯片设计及优化、波分复用/解复用芯片和可调光衰减器设计及优化；第2篇主要介绍集成光电子器件的制造技术，包括二氧化硅光子集成技术、绝缘衬上硅光子集成技术、磷化铟光子集成技术和绝缘衬上铌酸锂薄膜光子集成技术；第3篇主要介绍集成光电子器件封装、测试与可靠性，包括光波导芯片与光纤端面耦合封装、硅光子芯片与光纤垂直耦合封装、半导体激光器芯片与光纤耦合封装、硅基光电子器件异质集成、无源光电子器件可靠性测试。
精彩书摘
第１篇 光电子器件/芯片设计及优化
半导体行业细分为集成电路、光电子、分立器件以及传感器，其中光电子器件占整个半导体产业的比例在7%～10%之间。光电子器件是光通信行业的核心，具有光信号发射、接受、信号处理功能。光电子器件包括半导体激光器、光探测器、光调制器、光开关、平面光波导分路器、阵列波导光栅等。
光电子器件可根据功能不同划分为有源器件和无源器件。有源器件主要用于光电信号转换，包括激光器、光调制器、光探测器和集成器件等。无源器件用于满足光传输环节的其他功能，包括光连接器、光隔离器、光分路器、光滤波器、光开关等。整体而言，光器件细分领域繁多，不同类型的光器件实现了光信号的产生、调制、探测、连接、波长复用和解复用、光路转换、信号放大、光电转换等功能，是光通信的基础保障，其分类详见表1.0.1。
本篇涉及光电子器件的基本结构和四个典型光电子器件/芯片，基本结构是平面光波导，是构成光电子器件的基石，四个典型光电子器件是平面光波导分路器芯片、波分复用/解复用芯片和可调光衰减器，分别介绍其工作原理、性能指标和设计优化过程，让学生了解和掌握典型光纤通信器件/芯片的设计规则、流程和方法。
案例1.1 平面光波导设计及优化
光波导是约束并导引光在其内部或表面附近沿轴向传输的媒介，是光纤通信器件的基石，构成光波导的三要素：①芯包层结构，②芯包层存在折射率差，③低传输损耗。自1966年高锟提出“以光代替电流、以玻璃纤维取代铜线传输电信讯号”的大胆构想到现在，光纤通信技术已经走过了近60年，并取得了非凡的成就，光纤通信器件从分立元器件向集成器件发展，从单一功能器件向多功能器件发展，对光波导的材料、结构与性能的要求在不断发展和变化。
平面光波导是采用半导体制造工艺在衬底材料上制造出来的，是约束并导引光的传输的媒介，是二维的，是构成集成光子的基本单元，截面一般为矩形、脊形等，包括直波导、弯*波导。材料包括铌酸锂（LiNbO3）、绝缘衬上硅（SOI）、二氧化硅/氮化硅（SiO2/SiNx）、光学玻璃、聚合物以及Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料等。
本案例主要是针对平面光波导的材料选择、结构设计、仿真设计原理展开，让学生掌握光波导的工作原理和设计方法。
1.1.1 光波导及其应用
光波导是光学系统小型化、集成化和固体化需求的产物。光波导的起源*早可追溯到1910年德国Hondros和Debye对电介质棒的研究，1962年美国的Yariv从PN结中观测到平板层中的光波导现象，1963年Nelson等发现了光波导电光调制现象，1964年Osterberg与Smith开始光波导耦合实验，1965年美国的Anderson开始用光刻的方法制作光波导，1969年田炳耕提出棱镜耦合器，1970年Dakss研制成功光栅耦合器。此后开始了各种功能光波导器件的研究，如光源、调制器、耦合器、探测器、波分复用器、光谱分析仪、光开关、光波长转换器等。
根据对光的限制维度，光波导可分为一维光波导、二维光波导以及三维光波导。根据光波导形状可分为条形光波导、平板光波导和柱形光波导。条形光波导又可分为脊形光波导、嵌入式光波导、埋入式光波导；平板光波导，也即薄膜光波导；柱形光波导，也即光纤。根据传输的模式数量，光波导可分为单模光波导和多模光波导。根据折射率分布，可分为阶跃折射率型光波导和渐变折射率型光波导。根据光波导芯层材料，又可分为二氧化硅光波导（掺杂二氧化锗（GeO2）、二氧化钛（TiO2）、五氧化二磷（P2O5）等）、氮化硅（含氮氧化硅）光波导、硅光波导、磷化铟光波导、铌酸锂光波导、聚合物等（图1.1.1）。
图1.1.1 平板、埋入式和脊形光波导
光波导技术的应用非常广泛，包括信息获取（传感）、信息传输、信息处理以及其他。本案例中主要关注的是光波导在信息传输和处理方面的应用，也即在光纤通信领域中的应用，作为集成光学/光子器件的基本要素，等同于集成电路中的电路要素，实现光信号的传输和处理。
1.1.2 光束传播法
分析和研究光波导的理论主要有几何光学理论和波导光学理论。当光波导特征尺寸远大于光波波长λ0时，可近似认为λ0→0，从而可将光波近似看成由一根一根光线构成，因此可采用几何光学理论来分析光线的入射、传播以及时延和光强分布等特性。当光波导特征尺寸与光波波长λ0在同一数量级或者小于λ0时，几何光学理论不能够解释诸如模式分布、包层模、模式耦合等现象，且几何光学理论分析结果存在很大的误差，一般采用波导光学理论来分析。波导光学理论是一种更为严格的分析方法，在于：①从光波的本质特性—电磁波出发，通过求解电磁波遵从的麦克斯韦方程组，导出电磁场的分布，具有理论上的严谨性；②未作任何前提近似，因此适合各种形状和折射率分布的光波导。
对于光波导而言，严格意义上求解麦克斯韦方程组是很困难的，虽然可以得到精度很高的解，但费时
目录
目录
第１篇 光电子器件/芯片设计及优化 1
案例1.1 平面光波导设计及优化 2
1.1.1 光波导及其应用 2
1.1.2 光束传播法 3
1.1.3 模式与单模波导条件 5
1.1.4 传输损耗 11
1.1.5 案例小结 14
1.1.6 案例使用说明 14
参考文献 15
案例1.2 平面光波导分路器芯片设计及优化 16
1.2.1 平面光波导分路器光学性能参数 17
1.2.2 平面光波导分路器光学模型 18
1.2.3 均**面光波导分路器参数优化设计 19
1.2.4 基于Y分支结构的1×5非均**面光波导分路器参数优化设计 22
1.2.5 案例小结 26
1.2.6 案例使用说明 27
参考文献 29
案例1.3 波分复用/解复用芯片设计及优化 30
1.3.1 阵列波导光栅光学性能参数 33
1.3.2 波分复用/解复用器光学模型 36
1.3.3 AWG结构参数设计与优化 37
1.3.4 高斯型与平顶型AWG优化设计 46
1.3.5 案例小结 53
1.3.6 案例使用说明 53
参考文献 59
案例1.4 可调光衰减器设计及优化 61
1.4.1 光纤通信系统中的可调光衰减器 62
1.4.2 横向PIN结构可调光衰减器原理 62
1.4.3 横向PIN结构可调光衰减器结构与参数 64
1.4.4 横向PIN结构可调光衰减器仿真与优化 65
1.4.5 案例小结 74
1.4.6 案例使用说明 74
参考文献 81
第2篇 光电子芯片集成制造 83
案例2.1 二氧化硅光子集成 85
2.1.1 SiO2/Si3N4/SiOxNy光子集成及其发展 86
2.1.2 制造工艺平台及PDK 94
2.1.3 工艺流程及其关键工艺 96
2.1.4 混合/异构集成 100
2.1.5 案例小结 102
2.1.6 案例使用说明 103
参考文献 105
案例2.2 绝缘衬上硅光子集成 107
2.2.1 硅光集成与光电集成 107
2.2.2 制造工艺平台及PDK 111
2.2.3 关键工艺 116
2.2.4 混合/异构集成 118
2.2.5 案例小结 123
2.2.6 案例使用说明 123
参考文献 126
案例2.3 磷化铟光子集成 127
2.3.1 InP材料及其光子集成 128
2.3.2 制造工艺平台及PDK 131
2.3.3 关键工艺 134
2.3.4 混合/异构集成 138
2.3.5 案例小结 140
2.3.6 案例使用说明 140
参考文献 143
案例2.4 绝缘衬上铌酸锂薄膜光子集成 144
2.4.1 LNOI技术及光子器件 145
2.4.2 LNOI光波导制造技术及PDK 149
2.4.3 关键工艺 153
2.4.4 混合/异构集成 153
2.4.5 案例小结 154
2.4.6 案例使用说明 155
参考文献 156
第3篇 光电子器件封装、测试与可靠性 159
案例3.1 光波导芯片与光纤端面耦合封装 160
3.1.1 光波导端面对准耦合源分析 161
3.1.2 端面耦合模型与理论 163
3.1.3 对准耦合规律 164
3.1.4 耦合实验 171
3.1.5 案例小结 173
3.1.6 案例使用说明 174
参考文献 176
案例3.2 硅光子芯片与光纤垂直耦合封装 177
3.2.1 垂直耦合简介 177
3.2.2 垂直耦合模型与理论 180
3.2.3 垂直耦合规律 183
3.2.4 耦合实验 187
3.2.5 案例小结 190
3.2.6 案例使用说明 190
参考文献 192
案例3.3 半导体激光器芯片与光纤耦合封装 193
3.3.1 半导体激光器芯片与光纤耦合简介 194
3.3.2 耦合方法与模型 197
3.3.3 对准耦合规律 200
3.3.4 耦合实验 205
3.3.5 案例小结 209
3.3.6 案例使用说明 209
参考文献 211
案例3.4 硅基光电子器件异质集成 212
3.4.1 异构集成的提出 213
3.4.2 硅上Ⅲ-Ⅴ族材料集成 214
3.4.3 微转印 217
3.4.4 硅上InP薄膜 218
3.4.5 混合封装集成 219
3.4.6 案例小结 224
3.4.7 案例使用说明 224
参考文献 226
案例3.5 无源光电子器件可靠性测试 227
3.5.1 无源光电子器件可靠性测试简介 228
3.5.2 可靠性标准与抽样 229
3.5.3 温湿度循环测试 231
3.5.4 跌落测试 239
3.5.5 案例小结 244
3.5.6 案例使用说明 244
参考文献 247
附录 专业词汇及缩略语 249
试读
第１篇 光电子器件/芯片设计及优化
半导体行业细分为集成电路、光电子、分立器件以及传感器，其中光电子器件占整个半导体产业的比例在7%～10%之间。光电子器件是光通信行业的核心，具有光信号发射、接受、信号处理功能。光电子器件包括半导体激光器、光探测器、光调制器、光开关、平面光波导分路器、阵列波导光栅等。
光电子器件可根据功能不同划分为有源器件和无源器件。有源器件主要用于光电信号转换，包括激光器、光调制器、光探测器和集成器件等。无源器件用于满足光传输环节的其他功能，包括光连接器、光隔离器、光分路器、光滤波器、光开关等。整体而言，光器件细分领域繁多，不同类型的光器件实现了光信号的产生、调制、探测、连接、波长复用和解复用、光路转换、信号放大、光电转换等功能，是光通信的基础保障，其分类详见表1.0.1。
本篇涉及光电子器件的基本结构和四个典型光电子器件/芯片，基本结构是平面光波导，是构成光电子器件的基石，四个典型光电子器件是平面光波导分路器芯片、波分复用/解复用芯片和可调光衰减器，分别介绍其工作原理、性能指标和设计优化过程，让学生了解和掌握典型光纤通信器件/芯片的设计规则、流程和方法。
案例1.1 平面光波导设计及优化
光波导是约束并导引光在其内部或表面附近沿轴向传输的媒介，是光纤通信器件的基石，构成光波导的三要素：①芯包层结构，②芯包层存在折射率差，③低传输损耗。自1966年高锟提出“以光代替电流、以玻璃纤维取代铜线传输电信讯号”的大胆构想到现在，光纤通信技术已经走过了近60年，并取得了非凡的成就，光纤通信器件从分立元器件向集成器件发展，从单一功能器件向多功能器件发展，对光波导的材料、结构与性能的要求在不断发展和变化。
平面光波导是采用半导体制造工艺在衬底材料上制造出来的，是约束并导引光的传输的媒介，是二维的，是构成集成光子的基本单元，截面一般为矩形、脊形等，包括直波导、弯*波导。材料包括铌酸锂（LiNbO3）、绝缘衬上硅（SOI）、二氧化硅/氮化硅（SiO2/SiNx）、光学玻璃、聚合物以及Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料等。
本案例主要是针对平面光波导的材料选择、结构设计、仿真设计原理展开，让学生掌握光波导的工作原理和设计方法。
1.1.1 光波导及其应用
光波导是光学系统小型化、集成化和固体化需求的产物。光波导的起源*早可追溯到1910年德国Hondros和Debye对电介质棒的研究，1962年美国的Yariv从PN结中观测到平板层中的光波导现象，1963年Nelson等发现了光波导电光调制现象，1964年Osterberg与Smith开始光波导耦合实验，1965年美国的Anderson开始用光刻的方法制作光波导，1969年田炳耕提出棱镜耦合器，1970年Dakss研制成功光栅耦合器。此后开始了各种功能光波导器件的研究，如光源、调制器、耦合器、探测器、波分复用器、光谱分析仪、光开关、光波长转换器等。
根据对光的限制维度，光波导可分为一维光波导、二维光波导以及三维光波导。根据光波导形状可分为条形光波导、平板光波导和柱形光波导。条形光波导又可分为脊形光波导、嵌入式光波导、埋入式光波导；平板光波导，也即薄膜光波导；柱形光波导，也即光纤。根据传输的模式数量，光波导可分为单模光波导和多模光波导。根据折射率分布，可分为阶跃折射率型光波导和渐变折射率型光波导。根据光波导芯层材料，又可分为二氧化硅光波导（掺杂二氧化锗（GeO2）、二氧化钛（TiO2）、五氧化二磷（P2O5）等）、氮化硅（含氮氧化硅）光波导、硅光波导、磷化铟光波导、铌酸锂光波导、聚合物等（图1.1.1）。
图1.1.1 平板、埋入式和脊形光波导
光波导技术的应用非常广泛，包括信息获取（传感）、信息传输、信息处理以及其他。本案例中主要关注的是光波导在信息传输和处理方面的应用，也即在光纤通信领域中的应用，作为集成光学/光子器件的基本要素，等同于集成电路中的电路要素，实现光信号的传输和处理。
1.1.2 光束传播法
分析和研究光波导的理论主要有几何光学理论和波导光学理论。当光波导特征尺寸远大于光波波长λ0时，可近似认为λ0→0，从而可将光波近似看成由一根一根光线构成，因此可采用几何光学理论来分析光线的入射、传播以及时延和光强分布等特性。当光波导特征尺寸与光波波长λ0在同一数量级或者小于λ0时，几何光学理论不能够解释诸如模式分布、包层模、模式耦合等现象，且几何光学理论分析结果存在很大的误差，一般采用波导光学理论来分析。波导光学理论是一种更为严格的分析方法，在于：①从光波的本质特性—电磁波出发，通过求解电磁波遵从的麦克斯韦方程组，导出电磁场的分布，具有理论上的严谨性；②未作任何前提近似，因此适合各种形状和折射率分布的光波导。
对于光波导而言，严格意义上求解麦克斯韦方程组是很困难的，虽然可以得到精度很高的解，但费时
