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。

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 423
10．7 太赫兹光电子集成与应用展望 426
10．7．1 关键技术难点与解决思路 426
10．7．2 发展趋势 427
10．7．3 产业发展与人才培养展望 429
10．8 总结与展望 430
10．8．1 总结 430
10．8．2 展望 431
参考文献 432
第11章 信息传输光电子集成器件与系统 440
11．1 光信息传输及光电子集成概述 440
11．1．1 光信息传输场景概述 440
11．1．2 光电子集成关键器件概述 446
11．1．3 光电子集成加工封装概述 450
11．2 大容量光纤传输的光电子集成器件与系统 452
11．2．1 光纤通信系统概述及进展 452
11．2．2 相干光通信收发器件与系统 455
11．2．3 多维复用器件与系统 457
11．2．4 光放大器件与系统 459
11．2．5 光信号处理器件与系统 460
11．3 光互连的光电子集成器件与系统 462
11．3．1 光互连系统概述及进展 462
11．3．2 光互连的标准化 463
11．3．3 光互连的光电子集成器件和关键技术 465
11．3．4 光互连系统应用 472
11．3．5 光互连发展趋势 476
11．4 宽带光接入的光电子集成器件与系统 478
11．4．1 光接入系统概述及进展 478
11．4．2 直接检测光接入器件与系统 480
11．4．3 相干检测光接入器件与系统 483
11．4．4 多维复用光接入器件与系统 486
11．5 无线光通信的光电子集成器件与系统 488
11．5．1 无线光通信系统概述及进展 488
11．5．2 可见光通信器件与系统 490
11．5．3 水下光通信器件与系统 491
11．5．4 空间光通信器件与系统 492
11．6 总结与展望 493
参考文献 493
第12章 光信息处理集成器件与系统 501
12．1 引言 501
12．1．1 光信息处理的基本概念 501
12．1．2 用于光信息处理的介质材料 501
12．1．3 用于光信息处理的光学效应 502
12．2 光信息处理集成器件 506
12．2．1 微环谐振器 506
12．2．2 低损耗光延迟线 507
12．2．3 马赫?曾德尔干涉仪 508
12．2．4 全光忆阻器 510
12．3 模拟域光信息处理 512
12．3．1 模拟域光信息处理功能 512
12．3．2 模拟域光信息处理系统 516
12．4 数字域光信息处理 521
12．4．1 数字域光信息处理功能 521
12．4．2 数字域光信息处理系统 524
12．5 总结与展望 528
参考文献 530
第13章 卫星激光通信光电子器件与系统 535
13．1 引言 535
13．2 卫星激光通信系统 535
13．2．1 卫星激光通信系统发展现状 535
13．2．2 卫星激光通信系统组成 542
13．2．3 卫星激光通信体制 545
13．2．4 卫星激光通信对光电器件的需求 548
13．3 卫星激光通信用光电子器件 550
13．3．1 窄线宽激光光源 550
13．3．2 电光调制器 558
13．3．3 光纤放大器 564
13．3．4 光电探测器 570
13．3．5 集成光收发模块 575
参考文献 583