硅基光电子集成技术――光波导放大器和激光器

作者: 王兴军著

出版社: 电子工业出版社

出版时间: 2022-08

版次: 1

ISBN: 9787121439650

装帧: 平装

开本: 16开

页数: 212页

正文语种: 简体中文

分类: 工程技术

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光波导放大器和激光器是作者在硅基光电子学中最重要方向之一D硅基光源数十年教学科研成果的总结。本书包括绪论、掺铒材料体系的光发射理论与建模、掺铒材料制备与发光特性优化、硅基集成掺铒光波导放大器、硅基集成掺铒光波导激光器、硅基掺铒材料-半导体异质集成光源、高增益单晶铒硅酸盐化合物纳米线光源，共7章内容。本书可作为高等院校光电子学、物理电子学、微电子与固体电子学、光学工程、通信与信息系统等专业高年级本科生和研究生相关课程的教材，也可供相关领域的研究人员和工程技术人员参考。王兴军，北京大学教授，博士生导师，电子学系副主任，区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室副主任，信息与通信研究所副所长，国务院学位委员会第八届学科评议组成员（信息与通信工程学科），入选教育部青年长江学者（2015），入选教育部新世纪优秀人才（2013），国家自然科学基金重点项目负责人，科技部863重大项目课题负责人，科技委高技术重点研发项目负责人，科技委主题专家组专家，国防科技大学兼职教授。目    录

第1章  绪论 1
1．1  硅基光电子学 1
1．1．1  硅基光电子学的高速发展 1
1．1．2  硅基光电子学的技术挑战 2
1．2  硅基集成光源 5
1．2．1  硅基Ⅲ-Ⅴ族半导体混合集成光源 6
1．2．2  硅基稀土离子掺杂光源 11
1．2．3  硅基应变锗光源 12
1．3  硅基掺铒光源 15
1．3．1  硅基掺铒光源的发展 15
1．3．2  硅基掺铒氧化铝光源 16
1．3．3  铒硅酸盐光源 22
参考文献 28
第2章  掺铒材料体系的光发射理论与建模 35
2．1  铒离子光发射原理 35
2．1．1  铒离子的基本性质 35
2．1．2  铒离子的光辐射理论 36
2．2  掺铒材料体系中的非辐射能量转移 38
2．2．1  激发态吸收 38
2．2．2  合作上转换 38
2．2．3  交叉弛豫 39
2．2．4  多声子弛豫 40
2．2．5  铒离子浓度猝灭 40
2．2．6  铒镱离子间的能量转移 41
2．2．7  铒离子的发光效率 42
2．3  掺铒材料体系的参数理论 42
2．3．1  Judd-Ofelt理论 43
2．3．2  McCumber理论 43
2．3．3  Forster-Dexter能量转移理论 45
2．4  掺铒材料体系的能级模型与速率方程 46
2．4．1  980 nm泵浦的铒离子能级模型与速率方程 46
2．4．2  1480 nm泵浦的铒离子能级模型与速率方程 48
2．4．3  980 nm泵浦的铒镱材料体系能级模型与速率方程 49
参考文献 53
第3章  掺铒材料制备与发光特性优化 55
3．1  掺铒薄膜材料的制备 55
3．2  掺铒薄膜结构表征 57
3．2．1  掺铒薄膜的晶格结构表征 57
3．2．2  掺铒薄膜的SEM表征 59
3．2．3  掺铒薄膜的TEM表征 59
3．2．4  掺铒薄膜的AFM表征 62
3．2．5  掺铒薄膜的应力表征 65
3．3  掺铒薄膜发光性能测试 71
3．3．1  掺铒薄膜PL谱、发光寿命测试方法 71
3．3．2  掺铒氧化铝薄膜发光性能测试 73
3．3．3  铒硅酸盐薄膜发光性能测试 73
参考文献 82
第4章  硅基集成掺铒光波导放大器 84
4．1  掺铒光波导放大器建模 84
4．2  光波导放大器结构设计 87
4．2．1  硅基掺铒薄膜混合型光波导放大器 87
4．2．2  硅基氮化硅-掺铒薄膜多层条形加载型光波导放大器 90
4．2．3  硅基掺铒薄膜-氮化硅狭缝型光波导放大器 93
4．3  波导损耗分析 94
4．3．1  散射损耗 95
4．3．2  弯曲损耗 100
4．3．3  吸收损耗、非线性损耗 102
4．4  光放大性能分析 103
4．5  光波导放大器性能测试 106
4．5．1  波导增益测试 106
4．5．2  波导损耗测试 109
4．6  硅基掺铒光波导放大器单片集成 110
参考文献 113
第5章  硅基集成掺铒光波导激光器 114
5．1  激光谐振腔 114
5．1．1  波导型激光谐振腔基本结构 114
5．1．2  基于F-P谐振腔的激光特性建模 117
5．1．3  基于布拉格光栅的激光特性建模 118
5．2  硅基掺铒光波导激光器的设计与分析 121
5．2．1  硅基掺铒F-P腔型光波导激光器的设计与性能分析 121
5．2．2  硅基掺铒光栅型光波导激光器的设计与性能分析 124
5．3  基于混合型谐振腔的硅基掺铒光波导激光器的设计与分析 134
5．3．1  基于泵浦光谐振外腔的硅基掺铒光波导激光器 134
5．3．2  基于信号光谐振外腔的硅基掺铒光波导激光器 138
5．3．3  基于泵浦-信号共谐振混合腔的硅基掺铒光波导激光器 142
5．3．4  基于狭缝型DFB谐振腔的硅基掺铒光波导激光器 149
5．3．5  硅基掺铒光波导激光器的制备工艺与集成方案 156
参考文献 158
第6章  硅基掺铒材料-半导体异质集成光源 161
6．1  硅基掺铒材料-半导体异质集成光源的结构设计 162
6．1．1  器件整体结构设计 162
6．1．2  垂直泵浦谐振腔设计 164
6．1．3  半导体泵浦有源层设计 166
6．1．4  混合波导耦合设计 167
6．1．5  掺铒增益层设计 168
6．2  硅基掺铒材料-半导体异质集成光源的理论建模 170
6．2．1  半导体异质集成光源建模 170
6．2．2  器件光放大特性建模 174
6．3  硅基掺铒材料-半导体异质集成光源的性能分析 177
6．3．1  泵浦特性 177
6．3．2  光放大特性 178
6．3．3  频率响应特性 179
6．3．4  硅基掺铒材料-半导体异质集成光源的工艺制备方案 181
参考文献 182
第7章  高增益单晶铒硅酸盐化合物纳米线光源 185
7．1  铒硅酸盐纳米线器件的制备和表征 185
7．1．1  管式炉化学气相沉积法材料生长 185
7．1．2  铒硅酸盐纳米线的结构表征 187
7．1．3  铒硅酸盐纳米线的转移 189
7．2  铒硅酸盐纳米线器件的光放大增益测试 191
7．2．1  光放大增益测试平台 191
7．2．2  损耗测试结果分析 192
7．2．3  增益测试结果分析 194
7．3  铒硅酸盐纳米线上转换激光器 195
7．3．1  激光测试系统和测试方法 195
7．3．2  光致发光测试结果分析 197
参考文献 202
内容简介:
光波导放大器和激光器是作者在硅基光电子学中最重要方向之一D硅基光源数十年教学科研成果的总结。本书包括绪论、掺铒材料体系的光发射理论与建模、掺铒材料制备与发光特性优化、硅基集成掺铒光波导放大器、硅基集成掺铒光波导激光器、硅基掺铒材料-半导体异质集成光源、高增益单晶铒硅酸盐化合物纳米线光源，共7章内容。本书可作为高等院校光电子学、物理电子学、微电子与固体电子学、光学工程、通信与信息系统等专业高年级本科生和研究生相关课程的教材，也可供相关领域的研究人员和工程技术人员参考。
作者简介:
王兴军，北京大学教授，博士生导师，电子学系副主任，区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室副主任，信息与通信研究所副所长，国务院学位委员会第八届学科评议组成员（信息与通信工程学科），入选教育部青年长江学者（2015），入选教育部新世纪优秀人才（2013），国家自然科学基金重点项目负责人，科技部863重大项目课题负责人，科技委高技术重点研发项目负责人，科技委主题专家组专家，国防科技大学兼职教授。
目录:
目    录

第1章  绪论 1
1．1  硅基光电子学 1
1．1．1  硅基光电子学的高速发展 1
1．1．2  硅基光电子学的技术挑战 2
1．2  硅基集成光源 5
1．2．1  硅基Ⅲ-Ⅴ族半导体混合集成光源 6
1．2．2  硅基稀土离子掺杂光源 11
1．2．3  硅基应变锗光源 12
1．3  硅基掺铒光源 15
1．3．1  硅基掺铒光源的发展 15
1．3．2  硅基掺铒氧化铝光源 16
1．3．3  铒硅酸盐光源 22
参考文献 28
第2章  掺铒材料体系的光发射理论与建模 35
2．1  铒离子光发射原理 35
2．1．1  铒离子的基本性质 35
2．1．2  铒离子的光辐射理论 36
2．2  掺铒材料体系中的非辐射能量转移 38
2．2．1  激发态吸收 38
2．2．2  合作上转换 38
2．2．3  交叉弛豫 39
2．2．4  多声子弛豫 40
2．2．5  铒离子浓度猝灭 40
2．2．6  铒镱离子间的能量转移 41
2．2．7  铒离子的发光效率 42
2．3  掺铒材料体系的参数理论 42
2．3．1  Judd-Ofelt理论 43
2．3．2  McCumber理论 43
2．3．3  Forster-Dexter能量转移理论 45
2．4  掺铒材料体系的能级模型与速率方程 46
2．4．1  980 nm泵浦的铒离子能级模型与速率方程 46
2．4．2  1480 nm泵浦的铒离子能级模型与速率方程 48
2．4．3  980 nm泵浦的铒镱材料体系能级模型与速率方程 49
参考文献 53
第3章  掺铒材料制备与发光特性优化 55
3．1  掺铒薄膜材料的制备 55
3．2  掺铒薄膜结构表征 57
3．2．1  掺铒薄膜的晶格结构表征 57
3．2．2  掺铒薄膜的SEM表征 59
3．2．3  掺铒薄膜的TEM表征 59
3．2．4  掺铒薄膜的AFM表征 62
3．2．5  掺铒薄膜的应力表征 65
3．3  掺铒薄膜发光性能测试 71
3．3．1  掺铒薄膜PL谱、发光寿命测试方法 71
3．3．2  掺铒氧化铝薄膜发光性能测试 73
3．3．3  铒硅酸盐薄膜发光性能测试 73
参考文献 82
第4章  硅基集成掺铒光波导放大器 84
4．1  掺铒光波导放大器建模 84
4．2  光波导放大器结构设计 87
4．2．1  硅基掺铒薄膜混合型光波导放大器 87
4．2．2  硅基氮化硅-掺铒薄膜多层条形加载型光波导放大器 90
4．2．3  硅基掺铒薄膜-氮化硅狭缝型光波导放大器 93
4．3  波导损耗分析 94
4．3．1  散射损耗 95
4．3．2  弯曲损耗 100
4．3．3  吸收损耗、非线性损耗 102
4．4  光放大性能分析 103
4．5  光波导放大器性能测试 106
4．5．1  波导增益测试 106
4．5．2  波导损耗测试 109
4．6  硅基掺铒光波导放大器单片集成 110
参考文献 113
第5章  硅基集成掺铒光波导激光器 114
5．1  激光谐振腔 114
5．1．1  波导型激光谐振腔基本结构 114
5．1．2  基于F-P谐振腔的激光特性建模 117
5．1．3  基于布拉格光栅的激光特性建模 118
5．2  硅基掺铒光波导激光器的设计与分析 121
5．2．1  硅基掺铒F-P腔型光波导激光器的设计与性能分析 121
5．2．2  硅基掺铒光栅型光波导激光器的设计与性能分析 124
5．3  基于混合型谐振腔的硅基掺铒光波导激光器的设计与分析 134
5．3．1  基于泵浦光谐振外腔的硅基掺铒光波导激光器 134
5．3．2  基于信号光谐振外腔的硅基掺铒光波导激光器 138
5．3．3  基于泵浦-信号共谐振混合腔的硅基掺铒光波导激光器 142
5．3．4  基于狭缝型DFB谐振腔的硅基掺铒光波导激光器 149
5．3．5  硅基掺铒光波导激光器的制备工艺与集成方案 156
参考文献 158
第6章  硅基掺铒材料-半导体异质集成光源 161
6．1  硅基掺铒材料-半导体异质集成光源的结构设计 162
6．1．1  器件整体结构设计 162
6．1．2  垂直泵浦谐振腔设计 164
6．1．3  半导体泵浦有源层设计 166
6．1．4  混合波导耦合设计 167
6．1．5  掺铒增益层设计 168
6．2  硅基掺铒材料-半导体异质集成光源的理论建模 170
6．2．1  半导体异质集成光源建模 170
6．2．2  器件光放大特性建模 174
6．3  硅基掺铒材料-半导体异质集成光源的性能分析 177
6．3．1  泵浦特性 177
6．3．2  光放大特性 178
6．3．3  频率响应特性 179
6．3．4  硅基掺铒材料-半导体异质集成光源的工艺制备方案 181
参考文献 182
第7章  高增益单晶铒硅酸盐化合物纳米线光源 185
7．1  铒硅酸盐纳米线器件的制备和表征 185
7．1．1  管式炉化学气相沉积法材料生长 185
7．1．2  铒硅酸盐纳米线的结构表征 187
7．1．3  铒硅酸盐纳米线的转移 189
7．2  铒硅酸盐纳米线器件的光放大增益测试 191
7．2．1  光放大增益测试平台 191
7．2．2  损耗测试结果分析 192
7．2．3  增益测试结果分析 194
7．3  铒硅酸盐纳米线上转换激光器 195
7．3．1  激光测试系统和测试方法 195
7．3．2  光致发光测试结果分析 197
参考文献 202