半导体科学与技术丛书：硅光子学 pdf epub mobi txt 电子书 下载 在线阅读 2026

内容简介

　　光子学是一门研究光子的产生和运动特性、光子同物质的相互作用及其应用的前沿学科，硅光子学专门研究硅以及硅基异质结材料（诸如SiGe/Si、SOI等）等介质材料中光子的行为和规律，着重研究硅基光子器件的工作原理、结构设计与制造以及在光通信、光计算等领域中的实际应用，《半导体科学与技术丛书：硅光子学》共19章，分别介绍硅基光子学基础、应用和发展趋势；硅基异质结构和量子结构的物理性质、制备方法；硅基光子器件，包括硅基发光器件、探测器、光波导器件；硅基光子晶体、硅基光电子集成、硅基光互连以及硅基太阳能电池。
　　《半导体科学与技术丛书：硅光子学》可以作为高等院校高年级本科生和研究生的教材和参考书，也可作为半导体光子学、光电集成、光电子器件、信息网络系统、计算机光互连及相关技术领域的科研人员、工程技术人员的参考书。

作者简介

　　余金中，湖北鄂州人，1965年中国科学技术大学物理系毕业，在日本大阪大学获工学博士学位。作为访问学者，先后在日本、美国、德国工作过。现为中国科学院半导体研究所研究员、博士生导师，中国科学院研究生院和华中科技大学兼职教授。
　　长期从事半导体光电子学研究，包括研究AIGaAs、InGaAsP激光器和低能等离子体刻蚀微细加工等，目前主要从事硅基光子学的研究。
　　先后获得国家、中国科学院、北京市等各种奖励十多次，其中中国科学院科技进步二等奖和国家科技进步二等奖各两次，1992年起享受国务院特殊津贴。2010年担任Group Four Photonics 2010国际会议主席。在国内外先后发表学术论文300多篇、出版的著作有《半导体光电子技术》（编著）、《信息光子学物理》（合著）、《中国材料工程大典》11卷第四篇（主编）和《硅锗的性质》（译著）等。指导培养了二十多名博士。

内页插图

目录

前言/序言

　　诞生于20世纪中叶的固体电子学作为信息产业的支柱，如今已深入千家万户，在国民经济、国防建设及办公和生活中无处不在地作出了不可替代的贡献。然而随着社会的进步、科技的发展和生活质量的提高，固体电子学和其他技术一样在需求满足上也都显露出其一定的局限性，信息传输的容量、处理的速度及传递过程中的安全性、保密性等方面正逐渐面临新的挑战。革命导师恩格斯曾断言（大意）：“社会的需求胜过十所大学的作用，是科学技术发展的最大动力，”邓小平同志曾经指出：“科学技术是第一生产力，”固体光子学的应运而生体现了对电子学功能运作的补充和拓展，固体光子学是研究光子作为传递信息的载体在介质中的产生与消失、关联与耦合、运动与操控、感知与探测，以及运作与运用的一门新的科学技术，基于半导体介质的光子学即半导体光子学。
　　毋庸置疑，硅在当今固体电子学中占据了不可替代的主角地位，化合物（GaAs、InP等）半导体光子器件（如激光器、探测器等）则另据一隅，在光纤通信领域中得到成功的应用，然而把二者融合集成在一个芯片上，在材料与工艺上却存在难以逾越的“非兼容性”鸿沟。由此，时代的需求呼唤硅基光子学的诞生，然而硅是间接带隙、非极性半导体材料，发光效率很低，电光系数很小，这在很长一段时间内限制了有源光子器件的发展，使它登不上光子学的大雅之堂。
　　多孔硅高效发光的发现虽然时过近20年，其实际应用进展缓慢，但它却雄辩地说明：只要经过适宜的人工改造，硅仍然可以实现高效发光，包括增强电光效应，原子层生长和纳米技术的成熟，能带工程、声子工程和掺杂工程的综合应用，这些都为硅光子学的发展提供了坚定的物理和技术基础，加速了硅光子器件的发展步伐，并呈现出有望独树一帜的趋势，实现光子学与电子学在硅芯片上融合集成已时日不远，它无疑将促使当代信息技术的发展登上一个新的高峰，这就是硅光子学成为当今国内外半导体界关注热点的原因，无论是大学、科研院所，还是企业界都对硅光子学投入了相当的研发力量。
　　硅光子学的发展首先需要大批熟悉其科技内涵的科研人员与工程技术人员，一本兼容基础性和前沿性的硅光子学读物也是必不可少的，国外虽然出版过相关书籍，但大多以论文集形式介绍其前沿发展，缺乏基础性和系统性，余金中同志主编的《硅光予学》就是力图从基础内涵出发，以器件设计为核心，同时兼顾前沿应用的最新发展，系统全面地阐述硅基光子学的丰富内涵。
　　该书的撰写团队包括了在国内长期从事硅光子学研发与教学的科技人员，他们在从事研究工作的多个方面都有自己的研发成果和实践体验。该书文字表述通顺，图表、数据翔实，无疑对关注与从事该领域研发的广大科技人员和在读的研究生是一本很有裨益的、可持续参阅的难得的读物。
　　本人诚挚推荐和深切期望，《硅光子学》的出版发行，必将有助于普及和提高在该领域工作的科技人员的素质，更快更好地推动我国硅光子学的发展。

半导体科学与技术丛书：硅光子学 图书简介 丛书主旨： 《半导体科学与技术丛书》旨在深入探讨半导体领域的前沿理论、关键技术与新兴应用。本丛书关注半导体材料、器件、集成电路设计、先进制造工艺以及下一代信息技术（如光电子、量子计算、高频器件等）的最新进展。丛书致力于为半导体行业的科研人员、工程师、高校师生以及相关领域的政策制定者提供全面、深入、具有前瞻性的专业参考资料，推动我国半导体技术的创新与发展。 《硅光子学》分册概述： 《硅光子学》是本丛书中的重要组成部分，它聚焦于一个正在快速崛起的颠覆性技术领域——基于硅基平台的光子集成技术。本书系统性地阐述了硅光子学的基础理论、关键器件原理、先进制造工艺以及在高速通信、数据中心、传感、激光器等前沿领域的应用现状与未来趋势。本书力求在理论深度与工程实践之间找到最佳平衡点，为读者构建一个清晰、完整的硅光子学知识体系。 核心内容深度解析： 第一部分：硅光子学基础理论与材料科学 本部分奠定了理解硅光子学的理论基石。它从电磁波在介质中的传播理论出发，详细介绍了光波导的基本原理，包括模场分布、损耗机制（如辐射损耗、散射损耗）和模式耦合理论。 硅基材料特性： 深入分析了SOI（绝缘体上硅）衬底的结构优势，讨论了光子禁带结构、非线性光学效应（如自相位调制、交叉相位调制）在硅材料中的表现及其对器件性能的影响。 耦合机制： 重点阐述了光子芯片与外部光纤、其他光波导之间的耦合技术，包括端面耦合、光栅耦合器（如垂直耦合器和倾斜光栅）的设计与优化，这是实现光路高效接入的关键瓶颈。 光电器件基础： 阐述了硅基光有源器件（如调制器、探测器）与无源器件（如波导、分束器）的工作机理差异，为后续的器件设计奠定基础。 第二部分：核心光子器件原理与设计 本部分详细剖析了构成硅光子集成电路（PIC）的几大核心元件的设计、仿真与优化方法。 高效调制器： 详尽讨论了基于载流子效应（Carrier-Dispersion Effect）的马赫-曾德尔干涉调制器（MZM）和基于自由载流子等离子体色散效应的环形谐振腔调制器（RAC）。分析了器件的带宽、插入损耗、电压效率（$V_{pi}L$）以及噪声特性的权衡取舍。特别关注了高速光通信对调制器提出的严苛要求。 光波导结构： 介绍了各种先进波导结构，如超高约束波导（High-Index Contrast Waveguides）、定向耦合器、多模干涉耦合器（MMI）和布拉格光栅滤波器。探讨了如何通过结构设计来精确控制光束的传输和滤波特性，以适应大规模集成。 光吸收与探测： 详细分析了硅基光电探测器的原理，包括PIN结结构、光电转换效率、带宽限制。重点研究了与硅CMOS工艺兼容的Ge/Si异质结探测器的制造工艺与性能优化策略，以实现对1310nm和1550nm波段的高效响应。 第三部分：制造工艺与集成技术 硅光子器件的性能高度依赖于其制造精度。本部分系统梳理了从晶圆到芯片的完整工艺流程。 先进光刻技术： 讨论了深紫外光刻（DUV）和极紫外光刻（EUV）在亚波长光子结构制造中的应用。强调了光刻胶的选择、图形转移的精度控制对器件损耗和色散的影响。 刻蚀技术： 深入解析了干法刻蚀（如反应离子刻蚀 RIE）在形成垂直、高深宽比波导侧壁中的关键作用。探讨了侧壁粗糙度如何导致散射损耗，以及如何通过等离子体参数优化来改善表面质量。 异质集成： 硅本身不发光，因此异质集成是实现激光器的关键。本部分详述了如何将III-V族材料（如InP、GaAs）通过键合技术（如范德华键合、金属键合）集成到硅衬底上，形成高效的单片或混合集成激光光源。 第四部分：系统集成与前沿应用 本书的最后部分将目光投向硅光子学技术的实际部署与未来潜力。 高速数据通信： 分析了硅光子技术在100G、400G乃至更高速率光模块中的应用，包括相干检测技术、集成可调谐滤波器阵列（TFF）在波分复用（WDM）系统中的角色。 光互连技术（Optical Interconnect）： 阐述了芯片内（on-chip）、芯片间（chip-to-chip）光互连的架构设计，以及它如何解决传统电互连面临的功耗墙和带宽瓶颈问题。 传感与计量： 探讨了基于高Q值谐振腔的超灵敏生物化学传感器、压力传感器和射频（RF）信号处理应用的原理与实现。 本书特色： 本书不仅提供了扎实的理论基础，更融入了大量当前产业界关注的工程实例和前沿研究成果。通过对关键参数的量化分析和典型器件的案例研究，读者可以掌握将理论转化为可制造、高性能光子芯片设计的核心能力。本书旨在成为推动我国硅光子技术从实验室走向大规模商业化应用的重要技术参考书。