集成光电子器件及的设计23页PPT

雪崩二极管检测技术
利用雪崩二极管的倍增效应，将微弱 的光信号转换为较强的电信号，具有 较高的信噪比和检测限。
03
光电子集成应用
通信领域应用
高速光通信
光电子集成技术应用于光纤通信 系统，实现高速、大容量的数据 传输，满足互联网、云计算和大
数据等领域的通信需求。
信号处理
光电子集成器件在信号调制、解调 和转换等方面发挥重要作用，提升 通信系统的性能和稳定性。
06
光电子集成案例分析
案例一：硅基光电子集成芯片
总结词
硅基光电子集成芯片是当前光电子集成领域的重要研究方向，具有低成本、高集成度、易于规模化的优势。
详细描述
硅基光电子集成芯片采用CMOS工艺制备，将光子器件集成在硅基材料上，可以实现高速、低损耗的光信号传输 和处理。其应用范围广泛，包括光通信、光计算、生物医疗等领域。
光电子集成
• 光电子集成简介 • 光电子集成技术 • 光电子集成应用 • 光电子集成发展趋势与挑战 • 光电子集成前沿研究 • 光电子集成案例分析
01
光电子集成简介
定义与特点
定义
光电子集成（Optoelectronic Integration）是指将光电子器件和 电路集成在单一芯片上，实现光信号 的产生、传输、接收和处理等功能。
THANKS
感谢观看
光网络
光电子集成技术应用于构建光网络 ，实现网络的灵活组网、高速互联 和低延迟传输。
医疗领域应用
光学成像
光电子集成器件在医疗成像领域发挥关键作用，如光学显微镜、 内窥镜和光谱仪等，提高医疗诊断的准确性和效率。
激光治疗
光电子集成技术应用于激光治疗设备，如激光手术刀和激光美容仪 ，具有创伤小、恢复快等优点。

光电子技术研究所
在集成光路中传播常数β确实定之所以重要， 其最主要原因是几乎所有集成光学器件 (又称导波光学器件)都需要根据β的大小 来进展设计。
一旦波导构造与工作光波长设定，β值就得 到确定。为了求解β值，通常借助计算机 求解反映导模特征的色散方程。
光电子技术研究所
四、平面光波导输出光场分布
集成光路通常是由光波导将导波光学器件 连结在一起构成的，而且它常常与外部 光纤进展连接。
在图1中，光只在x方向受到限制。 实际应用中，除了x方向外，光在y方 向还受到限制，它只能沿z方向传播， 这样的光波导我们称为三维波导或条 波导，如以下图所示。
对于二维即平面波导，但凡满足全反 射条件入射而保持在波导里传输的光， 对应波导的一个传输模式，而且在一 定波长下，随着波导层厚度的增加所 允许传输的导模数量也增加。
这是非对称平面光波导所特有的性能。
对称平面光波导与光纤一样不存在波导截止厚 度与导模截止波长(或频率)的现象。
二、平面光波导的传输损耗
集成光学所应用的光波导长度一般只有几个厘米长，因此 对平面光波导的损耗要求不高。一般能到达1dB／cm大小 的损耗就能提供给用了。
平面光波导损耗由单位长度波导下光功率衰减量表示，即光波 导的衰减系数α(λ)为 α(λ)=(1／L)·10lg(p2／p1) (dB／cm)
集成光学从根底研究转 向应用研究最为突出的 是对以铌酸锂 (LiNbO3)晶体为衬底 材料的光波导调制器的 研究。
具有频带宽、调制电压低、功耗 小、能与光纤以及其他导波光学 器件匹配等优点，
光电子技术研究所
按照所用衬底材料的种类划分， 集成可以分为两大类型。
混合集成
所用的全部光学器件 包括激光器与探测 器并非采用同一衬 底材料。

蒙特卡洛模拟法
通过随机抽样和概率统计的方法，模 拟系统或产品的失效过程，评估其可 靠性。
可靠性分析流程
确定分析目标
明确可靠性分析的目 的和要求，确定分析 的对象和范围。
进行需求分析
分析系统或产品的使 用环境和条件，确定 影响可靠性的因素和 条件。
进行失效分析
分析系统或产品中可 能出现的失效模式和 原因，确定失效对系 统性能和功能的影响 。
DRC/LVS验证
DRC/LVS验证概述
DRC/LVS验证是物理验证中的两个重要步骤，用于检查设计的物 理实现是否符合设计规则和电路图的要求。
DRC验证
DRC验证是对设计的物理实现进行规则检查的过程，以确保设计的 几何尺寸、线条宽度、间距等参数符合设计规则的要求。
LVS验证
LVS验证是检查设计的物理实现与电路图一致性的过程，以确保设 计的逻辑功能在物理实现中得到正确实现。
版图设计流程
确定设计规格
明确设计目标、性能指标和制造工艺要求 。
导出掩模版
将最终的版图导出为掩模版，用于集成电 路制造。
电路设计和模拟
进行电路设计和仿真，以验证电路功能和 性能。
物理验证和修改
进行DRC、LVS等物理验证，根据结果进 行版图修改和完善。
版图绘制
将电路设计转换为版图，使用专业软件进 行绘制。
集成电路设计工具
电路仿真工具
用于电路设计和仿真的软件， 如Cadence、Synopsys等。
版图编辑工具
用于绘制版图的软件，如Laker 、Virtuoso等。
物理验证工具
用于验证版图设计的正确性和 可靠性的软件，如DRC、LVS等 。
可靠性分析工具
用于进行可靠性分析和测试的 软件，如EERecalculator、 Calibre等。

栅介质的限制
超薄栅氧化层
随着 d 的缩小，栅漏电流呈 指数性增长
直接隧穿的泄漏电流 栅氧化层的势垒
d d限制： 3 ~ 2 nm
第25页/共60页
栅介质的限制
Dox
d多晶硅耗尽
+ d栅介质层
+ d量子效应
由多晶硅耗尽效应引起的等效厚度 : d多晶硅耗尽 ~ 0.5nm 由量子效应引起的等效厚度: d量子效应 ~ 0.5nm
2 /Degree
第51页/共60页
五.硅基光电子材料
• Si在微电子领域占据绝对主导地位 • 至今为止，Si在光电子领域没有得到应有的应用。
• Si是间接带隙半导体，不发光。 • Si光电二极管/Si光/ Si太阳能电池 • 但是，利用成熟的硅IC工艺，实现Si基集成发光的努力从来就没有停止。
14
第14页/共60页
等比例缩小定律
• 1974年由Dennard提出 • 基本指导思想是：保持MOS器件内部 电场不变：恒定电场规律（CE律）
• 等比例缩小器件的纵向、横向尺寸，以增加跨导和减少负载电容，提高集成 电路的性能
• 电源电压也要缩小相同的倍数
第15页/共60页
CE律的问题
• 阈值电压不可能缩的太小 • 源漏耗尽区宽度不可能按比例缩小 • 电源电压标准的改变会带来很大的不便
倍
第8页/共60页
IC类型(按器件结构分)
• 双极型IC：主要由双极三极管构成
• NPN型 • PNP型
优点是速度高、驱动能力强， 缺点是功耗较大、集成度较低
• MOS型IC：主要由M功O耗S低三、极集管成度构高成，随着特征
尺寸的缩小，速度也可以很高 • NMOS

光电子材料与器件在传感领域的应用
光电子材料与器件在能量转换领域的应用
光电子材料与器件的创新应用和机遇
发展新型光电子材料与器件
01
随着科学技术的发展，不断涌现出新型的光电子材料与器件，例如石墨烯、二维材料、范德瓦尔斯异质结等，这些新型材料与器件具有更高的性能和更广阔的应用前景。Βιβλιοθήκη 光电子材料与器件的未来发展前景
光电子材料的性能表征
01
光学性能
光电子材料的光学性能包括折射率、透射率、反射率和吸收率等，是光电子器件性能的关键参数。
02
电学性能
光电子材料的电学性能包括导电性和介电常数等，是光电子器件性能的重要参数。
03
光电子器件的特性与分类
热学性能
光电子器件在工作时会产生热量，因此需要考虑散热问题。
光学性能
光电子材料与器件的市场应用趋势
光电子材料和器件在信息通信领域的应用持续增长，尤其是在5G、物联网、云计算等新兴技术领域。
信息通信
传感与检测
医疗与生物
能源与环保
光电子材料和器件在传感与检测领域的应用也日益广泛，如光学传感、光谱检测等。
光电子材料和器件在医疗和生物领域的应用也在不断增加，如光学成像、药物输送等。
光电子材料的化学稳定性对其工作环境和使用寿命有重要影响。
光电子材料的化学特性
化学稳定性
光电子材料的抗氧化性对其长时间工作稳定性和可靠性有重要影响。
抗氧化性
光电子材料的耐腐蚀性对其抗环境腐蚀的能力有影响。
耐腐蚀性
03
热学性能
光电子材料的热学性能包括热导率和热膨胀系数等，对其稳定性和可靠性有重要影响。
光电子材料和器件在能源和环保领域的应用也受到越来越多的关注，如太阳能光伏、光催化等。

详细描述
集成光电子器的发展可以追溯到20世纪70年代，当时 的研究主要集中在单个器件的集成上。随着材料科学和 微纳加工技术的发展，多功能器件的集成成为可能，推 动了集成光电子器的快速发展。如今，集成光电子器已 经在通信、传感、医疗等领域实现了广泛应用，成为支 撑未来光子技术发展的重要基石。同时，随着新材料、 新工艺的不断涌现，集成光电子器的性能和应用范围还 将得到进一步提升和拓展。
生物传感
集成光电子器可以结合生物分子识别技术，实现生物传感器的微型化和集成化 ，用于医疗诊断和食品安全等领域。
计算领域
光计算
集成光电子器可以实现光计算，利用 光信号的高速传输和处理能力，提高 计算效率和能效。
光学神经网络
集成光电子器可以构建光学神经网络 ，模拟人脑的神经元网络，用于模式 识别、图像处理和智能控制等领域。
如强度调制、相位调制、频率调制等。
光检测原理
要点一
总结词
光检测是将光信号转换为电信号的过程，是集成光电子器 中的重要环节。
要点二
详细描述
光检测器是集成光电子器中的关键元件，用于将光信号转 换为电信号。当光照射到光检测器上时，光子与材料中的 电子相互作用，产生电子-空穴对。在电场的作用下，电子 和空穴分别向相反方向移动，形成电信号。通过光电效应 的原理，可以将不同波长的光转换为相应的电信号，从而 实现光的探测和测量。
03
集成光电子器的应用领域
通信领域
高速光通信
集成光电子器在光纤通信中发挥着关 键作用，可以实现高速、大容量的数 据传输，提高通信网络的性能和可靠 性。
光信号处理
集成光电子器可用于光信号的产生、 调制、放大、滤波等处理，提高光信 号的传输质量和处理速度。

光的波动性和粒子性
随着科技的发展，光电子技术在信息、能源、环境等领域的应用不断扩大，成为现代社会不可或缺的一项技术。
光电子技术的崛起
光的特性与光电子的崛起
光电子材料的分类与特性
光电子材料主要分为直接带隙半导体材料和间接带隙半导体材料，它们具有不同的能带结构和光学性质。
光电子器件的基本结构与类型
光电子器件是指利用光电子技术制造的光电器件，其基本结构包括光源、光检测器、光放大器、光调制器等。
宽带隙半导体材料
宽带隙半导体材料如GaN、SiC等具有高禁带宽度、高临界击穿电场强度和高热导率等特点，是高性能光电子器件的关键材料。
新材料和新器件的研究
低维材料和异质结构
低维材料如量子点、纳米线和异质结构等具有优异的光电性能，为光电子器件提供了新的研究方向。
光电集成和光子晶体
光电集成和光子晶体可以提供高密度、高效率、低损耗的光子器件，为光电子器件的进一步发展提供了新的机遇。
高效的光电转换
01
通过优化光电子器件的结构和材料，提高光电转换的效率和稳定性，从而降低能耗和提高光电转换效率。
提高光电转换效率和稳定性
热管理和散热设计
02
通过有效的热管理和散热设计，降低光电子器件的工作温度，提高其稳定性和可靠性。
光电材料的稳定性
03
选择具有高稳定性的光电材料，提高光电子器件的寿命和稳定性，降低维护成本。
材料类型
金属材料表面反射光的能力与其自由电子的分布有关。
表面反射
金属材料的导热性与其自由电子的分布和热运动有关。
导热性
金属材料
常用的绝缘体材料包括玻璃、陶瓷、聚合物等，这些材料具有高电阻率和绝缘性。
绝缘体材料
材料类型

浙江大学光电信息系
集成光电子器件及设计 第一章3 Nhomakorabea主要内容及学时分配
概述 (1学时) 平面介质光波导和耦合模理论(6学时)
平面介质光波导(2学时)，耦合模理论(4学时)
晶体在外场作用下的光学性质(2学时) 集成光无源器件(6学时)
定向耦合器、Y分支功分器、马赫－泽德干涉仪、阵列波导光栅等(2学时) 电光集成器件、声光集成器件、热光开关与调制器、磁光隔离器与环形器(4学时)
集成光电子器件及设计
第一章 概论
浙江大学光电信息系
1
1.1 课程简介
2学分（1.5-1）：24学时的理论授课，16学时的实验操作 秋冬学期共16周的课程安排
浙江大学光电信息系
集成光电子器件及设计 第一章
2
教学目的与基本要求
使学生对“集成光电子器件”的基础理论 器件原理 基础理论、器件原理 基础理论 器件原理以及制作工 制作工 艺流程等有比较全面的了解， 艺流程 对光波导理论 耦合模理论 光波导理论、耦合模理论 光波导理论 耦合模理论有较深的理解。 掌握典型的集成光电子器件 集成光电子器件的工作原理、基本结构及应用。 集成光电子器件 结合国际上这一领域的最新进展，激发学生对该领域相关方向的 兴趣，培养学生分析问题的能力和思维方式。
浙江大学光电信息系
集成光电子器件及设计 第一章
8
1.集成光学的理论
平面介质光波导理论 光波导理论 建立在麦克斯韦方程组基础上的媒质波导电磁理论 波导电磁理论；从射线光学 波导电磁理论 角度，建立了锯齿波模型 锯齿波模型的波导理论。 锯齿波模型 耦合模理论 耦合模的微扰理论，将耦合系统看作一个受到某种微扰 微扰的理想波 微扰 导。
实验1 实验2 实验3 实验4

REPORT
THANKS
感谢观看
CATALOG
DATE
ANALYSIS
SUMMAR Y
决方案 • 电子与光子集成器件案例研究
REPORT
CATALOG
DATE
ANALYSIS
SUMMAR Y
01
电子与光子集成器件概 述
定义与特点
定义
电子与光子集成器件是指将电子 和光子器件集成在同一个芯片上 的微型化器件。
特点
高集成度、低能耗、高速传输、 稳定性高等。
集成器件的重要性
推动信息技术发展
集成器件的历史与发展
历史回顾
技术挑战
电子与光子集成器件的发展经历了从 分离元件、集成电路到微纳集成技术 的演变。
电子与光子集成器件在设计和制造过 程中面临着材料、工艺、结构等方面 的技术挑战，需要不断探索和创新。
发展趋势
随着新材料、新工艺、新结构的不断 涌现，电子与光子集成器件将向着更 高性能、更低能耗、更小尺寸的方向 发展。
成本挑战
设备成本
高精度的制造设备和测 试设备成本高昂，增加 了制造成本。
生产效率
目前的生产效率相对较 低，导致单位成本较高 。
研发成本
新技术和新材料的研发 成本也较高。
市场挑战
需求变化
市场需求变化快速，要求产品更新换代快，但 研发周期长，存在矛盾。
价格竞争
随着技术的普及，价格竞争激烈，利润空间受 到压缩。
电子与光子集成器件是未来信息 技术发展的关键，能够实现更高 效、更快速、更可靠的信息传输
和处理。
促进产业升级
电子与光子集成器件的发展将带动 相关产业的发展，包括芯片制造、 通信、光电等领域，促进产业升级 和转型。