硅基光電子學的案例
基于第三代半導體材料的壓電電子學和壓電光電子學
【引言】
以氮化鎵，碳化硅和氧化鋅等為代表的第三代半導體材料已經在消費電子，5G通訊，電動汽車，光電通信等諸多新興領域得到廣泛應用。這些寬禁帶材料同時也具有非中心對稱的晶體結構，因而表現出顯著的壓電特性。然而這些材料中壓電極化電荷和半導體特性的耦合過程長期以來被忽略。
針對壓電半導體中極化電荷和半導體特性耦合過程的研究和應用，佐治亞理工學院及中國科學院北京納米能源與系統研究所的王中林院士分別于2007年和2010年首次提出壓電電子學和壓電光電子學的基本概念和原理，并建立了壓電電子學和壓電光電子學這兩大新興學科。在壓電電子學效應中，壓電半導體材料受機械作用產生的極化電荷對金屬-半導體肖特基結或p-n結界面處的載流子傳輸過程進行有效調制，實現了將外部機械信號轉變為壓電電子學器件（例如晶體管，邏輯電路等）中的門控信號。在壓電光電子電子學效應中，壓電半導體材料受機械作用產生的極化電荷對光生載流子的產生，復合，分離以及輸運的過程進行有效調制，實現了將外部機械信號轉變為壓電光電子學器件（例如光電探測器，發光二極管等）中的門控信號。
壓電電子學和壓電光電子學不僅提供了豐富的基礎研究機會，并在人機交互、微納機電器件、傳感和自驅動系統，人工智能等領域也具有廣闊的應用前景，由此激發了科研人員在這個領域的研究興趣。近年來對于壓電電子學和壓電光電子學的基礎及應用研究取得了快速地發展。多種功能材料中的壓電電子學和壓電光電子學的基本效應得到了系統深入地研究，相關的理論體系得以建立，諸多壓電電子學和壓電光電子學器件也被設計研發。為增進研究者們對壓電電子學與壓電光電子學的理解以推進其實際應用，王中林院士組織領域內研究者在2018年12月的美國材料學會會刊（MRS Bulletin）上撰寫了主題為“壓電電子學和壓電光電子學”的專刊。
展開 Ansys | 什么是光電子學？
光電子學（optoelectronic或optronics）絕不僅僅是光子學的一個子領域，而是光學和電子學交叉領域的關鍵學科，推動著通信、成像、傳感和能源等領域的創新發展。盡管光電子學位于兩個物理領域的交叉地帶，但同時又具有其獨特的器件體系，主要涉及光的發射或探測。
就此而言，光電器件（optoelectronic devices）要么使用光信號并將其轉換為電輸出，要么采用電輸入并將其轉換為光信號。光電器件也可以歸類為能量轉
這類器件對于許多高科技行業都至關重要，包括汽車、軍事和國防、航空航天、能源、醫療、消費類電子和電信行業。
當今的一些主要光電組件包括：
光電二極管
激光二極管
發光二極管（LED）和micro-LED
光敏電阻
太陽能電池（光伏器件）
光纖電纜
光電晶體管
光電探測器
在這些行業中，光電器件廣泛應用于各種領域，包括：
攝像頭
醫療成像/醫療傳感器（內窺鏡等）
醫療診斷（心率監測器等）
激光雷達和其他汽車傳感器
顯示器
遠程制導系統
激光
日常電子產品，從智能手機和智能手表到LED照明、咖啡機和現代家用電器
光敏開關設備
激光打印機
“光電子學”與“電子學和光學”
傳統的半導體電子學和光學系統，使用電子來傳輸電磁信息信號。光電子學與傳統電子學有所不同，因為它還包含來自光的信息，涵蓋紫外線、可見光和紅外波長。
不同于對光進行被動調制的純光學系統（如反射鏡、透鏡和濾光片），光電器件會主動地轉換光信號和電信號，從而為攝像頭、光纖、激光和光電探測器等技術提供支持。這些器件能夠更直接地與穿過光學元件的光波的電磁場相互作用，例如與偏振相互作用。
展開 ：異型和同型異質結光電二極管中的壓電光電子學效應
【引言】
近年來，壓電光電子學效應廣泛被用于各類半導體光電器件的性能調制，包括：太陽能電池、發光二極管、光電二極管和光探測器等。然而，關于壓電光電子學效應在不同器件結構和材料體系的半導體光電器件中的調制作用機制研究還鮮見報道。更重要的是，壓電光電子學效應不僅會產生使器件性能增強的作用，還可能會產生使器件性能削弱的作用，極大地限制了壓電光電子學效應能夠達到的器件性能增強的最大幅度。
【成果簡介】
近日，在西安交通大學電子與信息工程學院微電子學院賀永寧教授和彭文博博士講師的指導下，潘子健和李芳沛等研究成員以異型和同型異質結光電二極管為研究對象，通過對比壓電光電子學效應在兩種異質結光電二極管器件中的性能調制作用，系統地研究了不同器件結構對壓電光電子學效應的影響。研究結果表明，壓電光電子學效應能使p-n異型異質結光電二極管器件的性能增強約150%，而僅能使n-n同型異質結光電二極管器件的性能增強約55%。通過系統地分析壓電電荷對兩種器件能帶結構的調制作用，發現：壓電光電子學效應在p-n異型異質結光電二極管器件中引入了兩種增強器件性能的正效應，而其在n-n同型異質結光電二極管器件中不僅引入了一種增強器件性能的正效應，還引入了兩種削弱器件性能的負效應，因此壓電光電子學效應對前者的性能增強作用更顯著。此外，有限元仿真結果表明壓電光電子學效應對p-p同型異質結光電二極管器件性能的調制作用與其對n-n同型異質結光電二極管器件性能的調制作用類似。
展開 【Lumerical系列】硅基光電調制器（2）——常見的三種調制結構
后面我們將繼續介紹硅基光電調制器的性能指標，常用結構等內容，歡迎大家持續關注摩爾芯創的更新。
Lumerical軟件試用申請，定制培訓等，歡迎聯系摩爾芯創。
參考文獻：
[1] Rahim A, Hermans A, Wohlfeil B, et al. Taking silicon photonics modulators to a higher performance level: state-of-the-art and a review of new technologies[J]. Advanced Photonics, 2021, 3(2): 024003-024003.
[2] Kim Y, Han J H, Ahn D, et al. Heterogeneously-integrated optical phase shifters for next-generation modulators and switches on a silicon photonics platform: A review[J]. Micromachines, 2021, 12(6): 625.
[3] 周治平.硅基光電子學[M].科學出版社,2021.
[4] 牛超群, 龐雅青, 劉智, 等. 中紅外硅基調制器研究進展 (特邀)[J]. 紅外與激光工程, 2022, 51(3): 20220021-1-20220021-11.
展開 
【Lumerical系列】硅基光電調制器（1）——基本原理
2.如果利用硅材料對通信波段的光波進行調制，有如下經驗公式：
注： ：材料的折射率變化量， ：材料的光吸收系數變化量， ，
：電子和空穴在單位體積（cm-3）的濃度變化量。在1550 nm和1300 nm下，空穴的吸收系數變化更小，折射率系數變化更大。
3.應用范圍：常用材料為Si， Ansys Lumerical中的相關案例為：Traveling Wave Mach-Zehnder Modulator（相關鏈接：https://optics.ansys.com/hc/en-us/articles/360042328774-Traveling-Wave-Mach-Zehnder-Modulator）
圖8：行波馬赫-曾德爾調制器
上面介紹了電光調制中四種常見的物理效應，這四種物理效應對對硅材料光學性質的影響可以總結如下：
①由于硅晶格的中心反演對稱性，泡克耳斯效應是零。
②在1.31~1.55 um的通信波長范圍內，硅中的F-K 效應幾乎為零。
③硅中的克爾效應是10-4數量級小于等離子體色散效應的10-3數量級。
因此，多數硅基電光調制器都是通過等離子體色散效應來實現的。OK，綜上所屬，我們從光學調制開始，介紹了光學調制的原理與分類，以及電光調制中四種常見的物理效應，后面我們將繼續介紹硅基光電調制器的性能指標、常用結構等內容，歡迎大家持續關注摩爾芯創的更新。 Lumerical軟件試用申請，歡迎聯系摩爾芯創。
參考文獻：
周治平.硅基光電子學[M].科學出版社,2021.
Broadband optical modulators: science, technology, and applications[J]. 2011.
展開 【Lumerical系列】硅基電光調制器（3.1）——常用的光學結構
[3] 周治平.硅基光電子學[M].科學出版社,2021.
[4] 牛超群, 龐雅青, 劉智, 等. 中紅外硅基調制器研究進展 (特邀)[J]. 紅外與激光工程, 2022, 51(3): 20220021-1-20220021-11.
[5] 夏鵬輝. 高速硅光調制器及其集成芯片研究[D]. 浙江大學, 2023.
Ansys 光電子仿真行業研討會
由于光子集成電路（PIC）與電子電路緊密耦合，構建統一的電–光協同設計方法變得至關重要。在 Synopsys，我們將電子設計自動化（EDA）中的行為建模標準（如 Verilog-A ）擴展至光子領域，用于生成緊湊且具備物理感知能力的光子模型。這些模型能夠與電子模型無縫集成，從而在電–光設計自動化（EPDA）框架下，實現電路級與系統級的協同設計。在本次報告中，我們將展示該方法如何實現快速且高精度的協同仿真與端到端系統設計，從而加速高性能電–光融合系統的開發。</p><div contenteditable="false" width="100%">
<hr>
</div><p><strong>主題：先進硅基光電子制造平臺賦能高速光互連</strong></p><p><strong>演講嘉賓：</strong></p><p class="ql-align-center"><img src="https://img.jishulink.com/202605/imgs/f99da103afb449c0a726d0223fde741b" width="199"></p><p class="ql-align-center"><strong>楊豐赫 | 上海光電科技創新中心硅光平臺 技術總監</strong></p><p>上海市硅光概念驗證平臺負責人，上海張江專項發展資金重大項目負責人，長期從事硅光芯片設計、制造、封裝和測試等全鏈條工作。曾牽頭建設了國內領先的硅光專用封測平臺，并在上海具體推動先進制程硅光量產流片平臺和測試平臺建設和產業化運營。</p><p><strong>內容簡介：</strong>本報告具體介紹先進硅基光電子制造平臺對硅光器件的賦能和提升，并展望制造平臺對高速光互連以及其它硅光特色應用的關鍵支撐作用。
展開 