本书从光电子器件（芯片）的理论基础出发，介绍了光无源和光有源器件、光探测及红外光感知、图像传感芯片，特别是在矩阵乘法运算、人工智能（AI）、光交换网络中广泛应用的马赫-曾德尔干涉（MZI）光调制器、阵列波导光栅（AWG）、微机电系统（MEMS）及高速光纤通信系统芯片及光模块；阐述了硅光技术、光电共封装（CPO）技术，以及光电子芯片在人工智能（AI）、激光雷达测距、光子相控阵（OPA）雷达、光子存储、光交换、数据中心光互联等方面的应用；还给出光电子芯片制造技术，特别是Si基异质集成Ⅲ-Ⅴ族芯片制造技术与工艺，以及芯片封装技术及演化。
本书附有“缩写名词术语”，便于读者检索感兴趣的内容，还配有“知识扩展”“PPT课件”“关键词索引”等电子文档（获取方式见封底），为读者提供深入了解光电子芯片制造技术的途径。
本书内容系统全面，叙述通俗易懂，图文并茂，既可供从事光电集成芯片、民用军用系统和装备的研究教学、规划设计、管理维护的人员参考，也可作为相关专业的教材。

前言
第1章 概述和理论基础 1
1.1 概述 1
1.1.1 光电子芯片技术和分类 1
1.1.2 光电子芯片—光电技术和光电产业核心部件 4
1.1.3 国家对集成电路产业跨越式发展极为重视 5
1.1.4 光电子芯片基础—光电子学 6
1.1.5 光电子芯片产品的应用 8
1.2 光电子芯片理论基础 10
1.2.1 光的波动性和粒子性 10
1.2.2 光的传播速度与介质折射率紧密相关 11
1.2.3 光电子器件与光程差、相位差紧密相关 11
1.2.4 能带理论—发光器件、光感知探测器基础 13
1.2.5 Ⅲ-Ⅴ族材料与硅、锗材料比较—直接带隙优于间接带隙 16
1.2.6 半导体对光的吸收—光探测器、激光器、光放大器基础 17
1.2.7 载流子的产生、复合、扩散和漂移—光电效应、光电荷效应、
光电导效应基础 19
第2章 光无源器件 21
2.1 波分复用/解复用器 21
2.1.1 反射光栅解复用器 21
2.1.2 AWG复用/解复用器 21
2.2 光滤波器 23
2.2.1 法布里-珀罗谐振腔 23
2.2.2 法布里-珀罗滤波器 24
2.2.3 马赫-曾德尔干涉仪—矩阵乘法运算、人工智能、神经网络等 26
2.2.4 马赫-曾德尔干涉滤波器 26
2.2.5 布拉格光栅波导滤波器 27
2.3 微机电系统—光交换芯片应用 28
2.3.1 微机电系统简介 28
2.3.2 微机电系统光开关—广泛应用于光交换芯片 29
2.4 波导光隔离器 29
2.4.1 钇铁石榴石波导光隔离器 29
2.4.2 微环磁光波导光隔离器 30
2.5 阵列波导光栅无源器件及其应用 32
2.5.1 AWG星形耦合器 32
2.5.2 AWG的工作原理—不同路径光终点干涉 33
2.5.3 AWG用于光滤波器 35
2.5.4 AWG用于多信道光接收机 36
2.5.5 AWG用于宽谱光源分割 37
2.5.6 AWG用于光网络单元无色WDM-PON 38
2.5.7 AWG用于光交叉连接 39
2.5.8 AWG用于光正交频分复用信号产生 40
2.5.9 AWG用于傅里叶变换和逆变换—人工智能芯片应用 41
2.6 光耦合器 42
2.6.1 2×2波导光耦合器 43
2.6.2 波导多模干涉分光器/耦合器 44
2.6.3 边缘耦合器 45
2.6.4 光栅耦合器 46
第3章 激光器、光放大器、光调制器 48
3.1 激光器、光放大器 48
3.1.1 半导体激光器工作的必要条件 48
3.1.2 异质结半导体激光器 49
3.1.3 量子限制激光器 50
3.1.4 硅基异质集成量子点激光器 52
3.1.5 分布反馈激光器 53
3.1.6 半导体光放大器—人工智能芯片应用 56
3.1.7 平面波导光栅波长可调激光器 57
3.1.8 垂直腔表面发射激光器 59
3.1.9 硅基微环外腔波长可调半导体激光器 60
3.2 马赫-曾德尔干涉光调制器—矩阵乘法运算、人工智能等应用 62
3.2.1 电光效应 62
3.2.2 电光相位调制器 63
3.2.3 马赫-曾德尔干涉光调制器工作原理—受控偏振光输出端干涉 64
3.2.4 归零码差分正交相移键控MZM 66
3.2.5 薄膜铌酸锂调制器 67
3.3 电吸收调制器 68
3.3.1 电吸收调制器工作原理—外加电压控制光的吸收损耗 68
3.3.2 硅基Ⅲ-Ⅴ族波导电吸收调制器芯片 70
第4章 光探测器及高速光接收机芯片 73
4.1 光探测概述 73
4.1.1 光探测原理—光的受激吸收 73
4.1.2 响应度和量子效率 73
4.2 光探测器 74
4.2.1 PN结光电二极管 74
4.2.2 PIN光电二极管 75
4.2.3 雪崩光电二极管 77
4.2.4 单向载流子光探测器 79
4.2.5 波导光探测器芯片 80
4.2.6 肖特基结光探测器 83
4.2.7 紫外光探测器 84
4.2.8 光电晶体管 85
4.2.9 硅基锗波导光探测器 86
4.3 光接收机芯片 91
4.3.1 电子载流子光接收机 91
4.3.2 AWG多信道光接收机芯片 92
4.3.3 107Gbit/s WG-PIN行波放大PLC光接收机芯片 93
4.3.4 单片集成相干接收芯片 94
4.3.5 硅基异质集成高速光接收机前置放大器芯片 95
第5章 高速光纤通信系统芯片及模块 99
5.1 数字信号处理技术芯片 99
5.1.1 数字信号处理在高比特率光纤通信系统中的作用 99
5.1.2 数字信号处理技术的实现 101
5.1.3 100Gbit/s系统数字信号处理器模块 102
5.1.4 400Gbit/s系统数字信号处理器模块 103
5.2 光传输系统模块演进 105
5.2.1 100Gbit/s超长距离DWDM系统光收发模块 105
5.2.2 单载波400Gbit/s传输系统模块 107
5.2.3 双载波400Gbit/s传输系统模块 110
5.2.4 四载波400Gbit/s传输系统模块 113
5.2.5 800Gbit/s光传输系统模块 115
5.3 硅光集成电路收发器芯片 115
第6章 发光及其显示芯片—电致发光、光致发光LED芯片 119
6.1 电致发光和光致发光 119
6.1.1 电致发光 119
6.1.2 电致发光LED材料和结构 121
6.1.3 光致发光 122
6.1.4 LED的主要特性和应用 124
6.2 电致发光显示芯片 125
6.2.1 薄膜电致发光显示芯片 125
6.2.2 厚膜/薄膜混合电致发光显示芯片 128
6.2.3 粉末电致发光显示 128
6.3 有机电致发光显示芯片 129
6.3.1 OLED器件的结构 129
6.3.2 OLED显示的工作原理 130
6.3.3 有源矩阵驱动OLED显示芯片 131
6.4 电致发光显示芯片的应用和发展前景 131
6.4.1 有机电致发光显示芯片—柔性显示屏 131
6.4.2 钙钛矿发光二极管及发展前景 132
第7章 光热效应、光电荷效应芯片—在红外感知器、图像传感器、
国防装备中的应用 134
7.1 光热效应及其光感知芯片 134
7.1.1 热敏效应—使阻值发生改变 134
7.1.2 热释电效应—热感知成像系统 134
7.2 光电荷效应芯片 136
7.2.1 电荷耦合器件的工作原理—光/电转换、电荷存储及转移 137
7.2.2 电荷耦合摄像芯片工作原理—二维图像光信号转换为一维电信号 137
7.2.3 CCD芯片的应用—信号处理、数字存储和图像传感 139
7.2.4 CMOS图像传感器—芯片上的照相机 140
7.2.5 图像传感器系统及色彩分离技术 142
7.2.6 CMOS和CCD摄像芯片比较 144
7.2.7 光子效应芯片汇总 145
7.3 红外热感知成像技术 146
7.3.1 热感知成像机理—目标红外辐射分布不同 146
7.3.2 热探测器、光/电转换和制冷 147
7.3.3 热感知成像装置组成及工作原理 149
7.3.4 焦平面阵列红外探测芯片 150
第8章 光电子芯片新技术及应用 153
8.1 硅光技术 153
8.1.1 概述 153
8.1.2 英特尔硅基光电子芯片平台 154
8.1.3 台积电硅基光电子芯片平台 156
8.2 光电共封装技术 160
8.2.1 光电共封装概述 160
8.2.2 1.6Tbit/s CPO架构、晶片键合、芯片倒装 162
8.2.3 基于CPO的VCSEL收发器 165
8.2.4 中介体、3D堆叠、光引擎及未来的CPO 166
8.3 线性驱动可插拔光模块技术 167
8.3.1 线性驱动可插拔光模块基本概念 167
8.3.2 串行器/解串行器高速传输数据接口 169
8.4 光调制器的技术进展及未来 169
8.4.1 硅光调制器当前的技术瓶颈 169
8.4.2 薄膜铌酸锂、氮化硅及应用 170
8.4.3 光调制器新材料如何影响各种新应用 172
8.5 光电子芯片应用 173
8.5.1 5G/6G光传输网络 173
8.5.2 射频信号光纤传输无线通信网络 174
8.5.3 自动驾驶激光雷达测距 175
8.5.4 数据中心光互联 180
8.5.5 光电子人工智能芯片 183
8.5.6 硅光芯片及其光学神经网络 186
8.5.7 光子计算芯片 188
8.5.8 光学相控阵雷达发射芯片 190
8.5.9 量子芯片 194
8.5.10 光子存储芯片 198
8.5.11 光交换芯片 198
8.5.12 战车、战机芯片 200
8.5.13 氮化硅波导环光学陀螺仪 201
第9章 光电子芯片制造技术与工艺 203
9.1 概述 203
9.1.1 芯片制造工艺流程简介 203
9.1.2 光电子芯片制造中的基本工艺 205
9.2 光电子芯片半导体材料 207
9.2.1 硅基材料 207
9.2.2 化合物半导体材料 207
9.2.3 柔性发光二极管材料 208
9.2.4 光电子芯片关键光学感知材料 208
9.3 光刻、蚀刻与薄膜淀积技术及设备 208
9.3.1 光刻技术及光刻机 208
9.3.2 蚀刻技术与设备—获得衬底表面图形 211
9.3.3 薄膜生长（淀积）技术与设备 212
9.4 掺杂技术 212
9.4.1 热扩散向离子注入掺杂过渡 212
9.4.2 离子注入掺杂技术及设备 213
9.5 先进芯片制造技术 213
9.5.1 从100nm 到7nm—以材料和工艺的创新为支撑 213
9.5.2 Si基异质集成Ⅲ-Ⅴ族半导体激光器 214
9.5.3 硅基锗PIN光感知探测器制造工艺 216
9.5.4 芯片封装技术 217
9.5.5 从片上系统、立方体集成电路到晶粒封装 221
附录 缩写名词术语 225
参考文献 232

前 言
光不仅提供了人们生存的能源，同时也是诸多信息的载体。经典光学以电磁辐射本身为研究对象。目前光学已渗透到人们生活的每一个细节之中，并渗透到各个科学技术与应用领域。与光学相同，电学也是在电磁学的基础上发展起来的。电学的发展使人类的生活质量和生产效率得到了极大的提高。光电技术是光学和电学的结合，在理论上，主要研究光与物质的相互作用；在应用上，主要研究光的产生、传输、控制、探测及各种应用。光电子学是光频电子学，有时狭义地专指光/电转换器件及其应用领域，但广义上也包括光子学中的一些内容。
由于20世纪60年代激光器的发明，人们对光与物质相互作用过程的研究空前的活跃，导致了半导体光电子学、导波光学、非线性光学等一系列新学科的涌现。光电子技术的快速发展和广泛应用使其不断地向其他学科渗透，从而又产生了一系列交叉学科和应用领域，同时也推动着其他学科的发展，形成了市场可观、发展潜力巨大的光电子产业。
经过几代人的努力，光子学、光电子学和光电子技术得到了广泛深入的发展，人们发明和生产了大量先进的光电子器件、光电子芯片。到了20世纪70年代，光纤、激光器和光放大器、光探测器和光伏电池、数字存储和图像传感技术以及红外热成像等技术均有了惊人的进步，这加速了光电子学、光电子芯片的发展，也使人们的工作和生活发生了极大的改变。今天，小到每个人使用的手机、计算机、电视机、复印机和照相机；大到导弹跟踪制导、航空航天侦察导航、激光雷达、激光武器，都与光电子技术、光电子芯片有关。
半导体集成电路的核心是芯片，被称为“工业之米”。芯片已渗透到社会生活的各个领域。以大数据、云计算为支撑，人们正在逐步实现各种机器的智能化。这种机器具有人的感知能力，能收集、加工各种信息，主动地进行某种目的的操作，经过学习训练（机器学习）还能从事技术含量更高的工作等。而这一切，都是以各种芯片为基础。装备制造业的芯片相当于人的心脏，心脏不强，体量再大也不算强。我国要在芯片技术加快实现重大突破，勇攀世界半导体科技高峰。
没有芯片的安全，就没有信息的安全。核心技术是买不来的，必须依靠自主创新。经过多年的努力，我国芯片研发已取得明显进步，在一些领域有重大突破，但与西方发达国家相比，我国的芯片产业依然有较大的差距。
光电子芯片的概念与电子芯片的概念类似，只不过电子芯片集成的是晶体管、电容器、电阻器、电子信号处理器等电子器件；而光电子芯片不仅集成电子器件，同时也集成光电器件，如光波导、激光器、光调制器、光感知探测器、光复用/解复用器、半导体光放大器、光子信号处理器、光耦合器、光衰减器等。
光电子芯片包括高速光通信芯片、红外光感知芯片、高性能通信感知融合芯片、光电混合集成芯片等。光电子芯片是光电子技术和光电子产业的核心部件，应用范围覆盖了从电信到战场感知、信息处理，从量子计算到人工智能、光子存储和交换等多个领域，有望带动半导体产业变革式发展，有力支撑新一代高速光通信、网络通信、国防装备、人工智能、物联网、车联网等产业高质量发展。
本书从光电子芯片的概述与理论基础讲起，详细介绍了光无源器件，如波分复用/解复用器、光滤波器、微机电系统光开关等，以及激光器、光放大器和光调制器，包括半导体激光器、量子限制激光器、马赫-曾德尔干涉光调制器等；深入探讨了光探测器及高速光接收机芯片，涵盖了光探测原理、多种光探测器类型及光接收机芯片的应用。本书还对高速光纤通信系统的芯片及模块进行了详细阐述，包括数字信号处理技术芯片、光传输系统模块、硅光集成电路收发器芯片等；同时，还探讨了发光及其显示芯片，包括电致发光、光致发光LED芯片的特性与应用等。书中还涉及了光热效应、光电荷效应芯片在红外感知器、图像传感器及国防装备中的应用，以及光电子芯片新技术及其应用，如硅光技术、光电共封装技术、线性驱动可插拔光模块技术等，并展望了光电子芯片在5G/6G光传输网络、自动驾驶激光雷达测距、数据中心光互联等领域的广泛应用；最后，详细介绍了光电子芯片的制造技术与工艺，包括芯片制造工艺流程、半导体材料、光刻、蚀刻与薄膜淀积技术及设备、掺杂技术等，并探讨了先进芯片制造技术的发展趋势。
衷心感谢机械工业出版社李馨馨编审在本书出版过程中付出的辛劳及所做的贡献！
由于光电子芯片涉及光电子基础知识、电路设计、材料选择、制作工艺等多个方面，作者知识有限，不妥之处敬请读者指正。

原 荣