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| 內容簡介: |
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本书系统地介绍了光电集成的核心技术和最新进展,在概论中简要介绍了光电融合的基本概况和丰富内涵。本书共14章,主要内容包括硅基光发射芯片、硅基信号处理芯片、硅基光子集成工艺、超宽带微波光子器件、光学矩阵计算芯片、铌酸锂集成芯片、多维光场调控、异质异构融合集成芯片、光电集成器件测试、太赫兹集成器件、光传输器件与系统、光处理器件与系统、卫星激光通信芯片、原子光子器件等集成技术与应用。本书总结了“光电子与微电子器件及集成”和“信息光子技术”两个国家重点专项的重要研究成果,兼具技术先进性、学术性和实用性,适合从事光电子器件及集成技术研究的科技工作者、工程技术人员,以及相关专业的研究生与高年级本科生阅读和参考。
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| 關於作者: |
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祝宁华,微波光子学家,南开大学教授,中国科学院院士。1990年毕业于电子科技大学,获得博士学位,1994年在中山大学晋升为教授,1996年在德国西门子任客座科学家(洪堡学者),1998年入选中国科学院高层次引进人才计划并到中国科学院半导体研究所工作,曾任副所长(法定代表人),2019年任雄安创新研究院院长,1998年获国家杰出青年科学基金,2021年当选中国科学院院士。作为第一完成人获2项国家技术发明二等奖、光华工程科技奖、中国科学院杰出成就奖(个人),发表研究论文400余篇,作为第一作者出版著作5部,获授权发明专利220余项。曾任国家“863”计划微电子与光电子主题专家、国家重点专项“光电子与微电子器件及集成”专家组组长。
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| 目錄:
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概论1 第1章 硅光高速收发芯片集成技术9 1.1 引言9 1.1.1 硅光集成技术的重要性9 1.1.2 高速收发芯片的发展背景与趋势11 1.1.3 市场需求与技术需求概览14 1.2 硅光收发芯片核心器件16 1.2.1 硅基集成光源16 1.2.2 硅基电光调制器20 1.2.3 硅基光电探测器24 1.2.4 硅光波导与无源器件26 1.3 硅光数据通信收发集成芯片37 1.3.1 数据中心互联需求和技术标准37 1.3.2 硅光数据通信收发集成芯片技术方案38 1.3.3 硅光数据通信集成芯片封装技术40 1.3.4 硅光数据通信模块产品的进展和技术趋势43 1.4 硅光相干光收发集成芯片44 1.4.1 相干光传输需求和技术标准44 1.4.2 硅光相干光收发集成芯片技术方案45 1.4.3 硅光相干集成芯片集成、封装技术46 1.4.4 硅光相干光模块产品进展和技术趋势51 1.5 硅光I/O互连芯片53 1.5.1 高速I/O接口的需求与发展趋势53 1.5.2 硅光I/O芯片设计与实现56 1.5.3 硅光I/O芯片的应用和前景展望62 1.6 结论与展望65 1.6.1 硅光高速收发芯片集成技术总结65 1.6.2 关键技术难题与未来研发方向66 1.6.3 对产业发展与人才培养的建议67 参考文献68 第2章 硅光信号处理集成芯片技术79 2.1 引言79 2.2 波分复用技术80 2.2.1 基本原理和实现方式80 2.2.2 阵列波导光栅80 2.2.3 级联MZI结构82 2.2.4 微环滤波器83 2.2.5 布拉格光栅滤波器85 2.3 模分复用技术87 2.3.1 模式转换器87 2.3.2 模式复用/解复用器91 2.3.3 模式交换器92 2.4 光开关技术94 2.4.1 光开关原理和分类94 2.4.2 光开关单元器件95 2.4.3 开关工作方式98 2.4.4 光开关阵列101 2.4.5 开关状态校准104 2.4.6 光开关应用106 2.5 光延迟线技术108 2.5.1 光延迟线原理和分类108 2.5.2 光延迟线结构109 2.5.3 阵列化集成114 2.5.4 延迟线在微波相控阵中的应用116 2.6 总结与展望117 参考文献118 第3章 硅光集成工艺制造技术122 3.1 概述122 3.1.1 硅光集成工艺制造技术的概念、发展现状和应用前景122 3.1.2 硅光集成工艺制造技术与传统光子集成技术和电子器件技术 的比较124 3.1.3 硅光集成工艺制造技术的关键技术125 3.1.4 硅光集成工艺制造技术的未来发展方向125 3.2 硅基光子器件基本类型和工作原理126 3.2.1 无源器件126 3.2.2 有源器件129 3.3 硅光集成工艺制造技术概述134 3.3.1 硅光集成工艺制造技术的基本流程134 3.3.2 硅光集成工艺制造技术的关键技术136 3.4 硅基光子集成工艺制造技术面临的挑战151 3.4.1 材料和工艺的兼容性问题151 3.4.2 器件的性能和可靠性问题153 3.4.3 成本控制问题155 3.5 硅光集成工艺制造技术的发展趋势157 3.5.1 新材料和新工艺的开发157 3.5.2 光电异质集成的发展162 3.5.3 总结与展望163 参考文献163 第4章 超宽带微波光子集成器件168 4.1 引言168 4.2 微波光子单元集成器件169 4.2.1 高功率低噪声半导体激光器169 4.2.2 宽带低半波电压电光调制器170 4.2.3 宽带高饱和光电探测器172 4.3 微波光子集成芯片173 4.3.1 集成微波光子波束控制与成形芯片173 4.3.2 集成微波光子滤波芯片175 4.3.3 集成微波光子信号产生芯片176 4.3.4 集成微波光子变频芯片177 4.3.5 集成光模数转换芯片178 4.3.6 集成可编程微波光子信号处理芯片179 4.4 总结与展望179 参考文献180 第5章 集成光学相干矩阵计算芯片原理与应用184 5.1 引言184 5.1.1 光学矩阵计算芯片的研究背景184 5.1.2 光学矩阵计算芯片的发展趋势185 5.2 集成光学相干矩阵基本原理185 5.2.1 片上光调控机制186 5.2.2 马赫 曾德尔干涉仪网络187 5.2.3 多平面衍射结构191 5.2.4 交叉波导阵列192 5.2.5 非相干表示与简化网络192 5.3 集成光学相干矩阵配置方法194 5.3.1 查表法194 5.3.2 监控与校准法195 5.3.3 全局优化算法196 5.4 集成光学相干矩阵的应用198 5.4.1 光信号处理198 5.4.2 光学神经网络201 5.4.3 光学逻辑运算203 5.4.4 循环光子矩阵加速器204 5.4.5 光量子计算205 5.5 机遇与挑战207 5.5.1 集成规模与集成密度207 5.5.2 线性与非线性算子208 5.5.3 近零功耗计算208 5.5.4 光电混合计算的瓶颈问题209 5.6 总结与展望209 参考文献210 第6章 铌酸锂异质集成器件与芯片218 6.1 引言218 6.1.1 铌酸锂材料特性简介219 6.1.2 薄膜铌酸锂晶圆制备方法219 6.1.3 薄膜铌酸锂波导制备方法220 6.1.4 薄膜铌酸锂异质集成方法222 6.2 薄膜铌酸锂集成激光器225 6.2.1 薄膜铌酸锂可调谐激光器225 6.2.2 薄膜铌酸锂多波长激光器227 6.2.3 薄膜铌酸锂集成激光器发射器228 6.2.4 薄膜铌酸锂异质集成激光器229 6.3 薄膜铌酸锂异质集成电光调制器230 6.3.1 异质集成硅 铌酸锂电光调制器230 6.3.2 异质集成氮化硅 铌酸锂电光调制器235 6.4 薄膜铌酸锂异质集成光电探测器239 6.4.1 异质集成Ⅲ-Ⅴ族光电探测器240 6.4.2 异质集成二维材料光电探测器243 6.5 总结与展望247 参考文献248 第7章 集成多维光场调控技术254 7.1 绪论254 7.2 集成多维光场调控基础理论和方法255 7.2.1 复振幅/波长/偏振/时间调控256 7.2.2 平面内波导模式调控258 7.2.3 平面外结构光场调控262 7.3 集成多维光场产生技术265 7.3.1 集成结构光场产生265 7.3.2 集成多维光场产生276 7.4 集成多维光场探测技术277 7.4.1 集成结构光探测277 7.4.2 集成多维光场探测279 7.5 集成多维光场复用解复用技术280 7.5.1 集成传统维度复用解复用281 7.5.2 集成模式复用解复用283 7.5.3 集成多维复用解复用284 7.6 集成多维光场处理技术286 7.6.1 集成光场转换286 7.6.2 集成多维光交换288 7.6.3 集成多维光路由289 7.6.4 集成多维可重构光分插复用290 7.7 集成多维光场调控通信应用291 7.8 总结和展望293 参考文献294 第8章 异质异构光电融合集成304 8.1 引言304 8.1.1 异质异构光电融合集成背景304 8.1.2 异质异构光电融合集成芯片应用304 8.1.3 异质异构光电融合集成技术内涵305 8.2 异质异构光电融合集成现状305 8.2.1 技术研究现状305 8.2.2 产业发展现状308 8.2.3 典型光电融合集成芯片系统309 8.3 光电融合集成材料体系310 8.3.1 硅基材料310 8.3.2 Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料312 8.3.3 铌酸锂及电光材料315 8.3.4 二维材料317 8.4 光电融合芯片设计319 8.4.1 材料匹配设计319 8.4.2 光学耦合设计320 8.4.3 散热设计321 8.4.4 光与电器件融合设计323 8.5 异质异构光电融合集成关键工艺324 8.5.1 晶粒键合324 8.5.2 晶圆键合328 8.5.3 异质外延329 8.5.4 光电芯片融合集成加工工艺331 8.6 异质异构光电融合集成封装332 8.6.1 微电子芯片封装332 8.6.2 光电子芯片封装332 8.6.3 光与电芯片共封装333 8.7 总结与展望334 参考文献334 第9章 高速光电集成器件测试339 9.1 引言339 9.2 光电集成器件S参数340 9.2.1 S参数概念340 9.2.2 光电二端口网络理论341 9.2.3 光 电校准和电 光校准344 9.2.4 微波网络去嵌入344 9.3 光移频外差自校准测试347 9.3.1 光外差映射原理347 9.3.2 光移频外差测试方案349 9.3.3 光电子器件测试结果351 9.3.4 光 光器件测试结果352 9.4 光混频外差自校准测试355 9.4.1 光调制混频原理355 9.4.2 光混频外差测试方案356 9.4.3 光电子器件测试结果357 9.4.4 光电集成芯片测试结果359 9.5 光频梳外差自校准测试361 9.5.1 光采样变频原理361 9.5.2 光频梳外差测试方案363 9.5.3 光电子器件测试结果365 9.5.4 光电集成芯片测试及微波网络去嵌入367 9.6 晶圆级光电融合测试368 9.7 总结与展望370 参考文献370 第10章 太赫兹光电子器件集成与系统375 10.1 引言375 10.1.1 太赫兹科技简介375 10.1.2 太赫兹技术应用简介377 10.1.3 太赫兹技术发展简介378 10.2 太赫兹源379 10.2.1 电子学源379 10.2.2 光学源383 10.3 太赫兹波导385 10.3.1 金属波导385 10.3.2 介电波导390 10.3.3 光子晶体与拓扑光子波导393 10.4 太赫兹调制器394 10.4.1 固态半导体调制器394 10.4.2 二维材料调制器396 10.4.3 相变材料调制器397 10.4.4 液晶调制器398 10.4.5 磁光调制器403 10.5 太赫兹探测器405 10.5.1 热探测器405 10.5.2 光电探测器407 10.5.3 超导探测器409 10.5.4 面阵探测器414 10.6 太赫兹系统集成与应用414 10.6.1 时域光谱系统与生化传感414 10.6.2 二维成像与无损检测417 10.6.3 波束扫描与无线通信421 10.6.4 片上系统
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