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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

出 版 说 明
20世纪60年代，伴随着激光的发明，以及光纤光学和集成电路的出现，特别是半导体激光器的发明，光电集成技术应运而生。1969年，美国贝尔实验室的S.E. Miller首次提出将多种光电元件微缩集成于芯片上以实现复杂光电回路，并系统地展望了光电集成技术的发展前景。相比于传统分立光学元件和光电系统，光电集成芯片体积小、重量轻、成本低、稳定性高；相比于微波集成电路，集成光路带宽大、损耗低、复用和抗干扰能力强。由于以上突出优势，光电集成技术受到广泛关注并迎来快速发展，带动了新材料、新器件和新技术的发展，促进了学科交叉与应用拓展。
光电集成技术已经成为通信、大数据、云计算、物联网、人工智能、虚拟现实等信息技术的基石，在国防安全、国民生产、科学探索、生物医疗、能源环境、文化生活等方方面面深刻地改变了人们的工作、生活和学习方式。未来数十年，人类社会将更大程度地依赖光电集成技术来解决现实世界的挑战，探索未知世界的边界。
近十年，我国先后制定了相关发展战略规划，并启动了多个重大研究计划，对光电集成技术的前沿研究和产业发展进行了综合布局。尤其是近年来在国家重点专项的支持下，我国已经突破了不少关键核心技术，建立了若干先进研发平台，提升了相关产业综合能力，并形成了显著的特色优势，培养了优秀的人才队伍。出版《光电集成技术》这本书，是为了归纳总结已经取得的研究成果和经验，包括“十三五”国家重点研发计划重点专项“光电子与微电子器件及集成”和“十四五”国家重点研发计划重点专项“信息光子技术”取得的成果，并全面展示光电集成领域的前沿科技进展，为我国光电子技术发展实现创新引领和产业自立自强提供战略性参考和科技发展路线图。
本书主要为从事宽带通信、智能感知、先进计算等领域的企业、高校和科研院所的科技工作者和工程技术人员提供切实参考，使其可以快速、系统、全面地了解光电集成技术，也可作为相关专业本科生、研究生的教学参考用书。
希望本书能为光电子技术领域的学者提供一个机会，使他们将自己的科研成果和技术介绍给广大的同行和学生，通过科技前沿介绍、专业知识普及和先进技术推广，加速研发进程和人才队伍建设，为光电集成技术的发展与应用起到积极的推动作用。
前　　言
集成电路是当代电子信息产业的基石，是保障国家安全和提升国家综合竞争力的战略制高点，是支撑国家经济社会发展的战略性、基础性和先导性产业。以集成电路为基础的器件和芯片及其上下游的材料、工艺、设计、封装、测试乃至整个产业链已经成为国际科技竞争的主战场。集成电路的两大支柱分别是微电子集成和光电子集成。这两大集成技术经过数十年相对独立的发展，已逐渐呈现出各自弱势和优势互补性。
一方面，微电子集成技术从晶体管诞生之后，经历了晶体管单元、集成电路、大规模集成电路的发展历程，集成带来了高速率、低功耗、高可靠等优点。然而，随着速率和带宽的进一步提升，速率和能耗成为相互制约的瓶颈，整体数据速率呈现几何增长，但单位比特的功耗、成本、体积必须大幅度降低。另一方面，光电子技术从半导体激光器诞生以来，取得了突飞猛进的发展，带来了通信和网络技术的革命。其从早期的分立器件到光子集成电路（PIC）和混合光电子集成，最近几年进展到光电共封装（CPO）。高速率和低能耗是光电子集成的优势所在，而微电子集成在灵活、大容量信息存储和精细智能信号处理等方面优势明显。因此，为了满足日益增长的高速率需求，从光电子集成和微电子集成进一步走向光电融合集成已经成为突破速率和能耗瓶颈的必由之路，将为突破电子信息技术和产业面临的“高速率”“低功耗”“智能化”等瓶颈提供有效解决方案。
在当前国际形势下和未来相当长一段时间内，光电子集成和光电融合集成对于我国信息产业的发展至关重要，众所周知的原因导致光电子器件受制于人所引发的产业安全问题日益突出。长期存在的“倒三角”问题和中高端器件国产化问题在国家各个部门的持续支持下已经得到极大缓解与改善，但我国在关键材料、工艺和高端集成器件等方面距离国际最高水平仍然有一定的差距，制约着我国信息与网络强国之路发展，影响国民经济、社会发展乃至国家安全。信息技术对于人类社会发展的重要性越来越突出，而光电子集成技术（芯片）与微电子集成技术（芯片）作为信息载体，也承载着人类社会从信息时代迈向智能时代的重任。无信息，则无未来社会；无（集成）芯片，则无当今的信息与未来的智能。
在此背景下，本书的出版无疑具有非常重要的时代意义。本书系统地阐述了光电融合技术的内涵与发展，梳理了该领域涉及的技术与关键进展，涉及硅基光子集成与混合光子集成、光电集成工艺及典型系统应用等几个方面，对光电子领域的前沿科学研究、核心科技创新和自主产业发展都具有重要的指导意义。
从2009年开始，在国家自然科学基金委和科技部等相关部门的支持下，祝宁华院士牵头陆续召开了19次信息光电子发展战略研讨会，许多技术发展路径和关键技术方案大多来源于参加这些研讨会的学者总结与展望，本书的主要内容也是围绕光电集成领域，遴选了国内相关研究单位和学者的成果并汇总，具有较高的系统性、科学性、针对性和实用性。
第1章为硅光高速收发芯片集成技术，由北京大学的王兴军、国家信息光电子创新中心的肖希、北京大学的王艺蒙、国家信息光电子创新中心的周佩奇，以及北京大学的韩君豪、杨司捷、唐一祎撰写。
第2章为硅光信号处理集成芯片技术，由上海交通大学的周林杰、浙江大学的戴道锌、上海交通大学的刘源彬、浙江大学的宋立甲、上海交通大学的李鑫、浙江大学的赵伟科撰写。
第3章为硅光集成工艺制造技术，由上海铭锟半导体有限公司的余明斌、中国科学院微电子研究所的杨妍、联合微电子中心的冯俊波、兰州大学的田永辉、中山大学的蔡鑫伦、中国科学院上海微系统与信息技术研究所的蔡艳、上海交通大学的张永、上海工研院的汪巍撰写。
第4章为超宽带微波光子集成器件，由中国科学院半导体研究所的李明、郝腾飞、石暖暖撰写。
第5章为集成光学相干矩阵计算芯片原理与应用，由华中科技大学的董建绩、周海龙撰写。
第6章为铌酸锂异质集成器件与芯片，由中山大学的蔡鑫伦、香港大学的向超、西南交通大学的谢小军撰写。
第7章为集成多维光场调控技术，由华中科技大学的王健、李康撰写。
第8章为异质异构光电融合集成，由中山大学的王瑞军、韩羽、王冰、金运姜、张彦峰、陈钰杰、喻颖、余思远撰写。
第9章为高速光电集成器件测试，由电子科技大学的张尚剑撰写。
第10章为太赫兹光电子器件集成与系统，由南开大学的刘伟伟、赵佳宇、吴强、范飞、何明、龚诚、程洁嵘、张楠撰写。
第11章为信息传输光电子集成器件与系统，由上海交通大学的义理林、杜江兵、郭旭涵，北京理工大学的薄天外，上海交通大学的朱逸萧，复旦大学的张俊文、迟楠，北京理工大学的董毅撰写。
第12章为光信息处理集成器件与系统，由南开大学的文花顺、中国科学院半导体研究所的李伟撰写。
第13章为卫星激光通信光电子器件与系统，由中国科学院半导体研究所的曹玉莲、于海洋、李明轩、邹灿文、赵泽平、宝浩天及中国科学院上海技术物理研究所的张亮撰写。
第14章为原子光子高效集成器件与应用，由北京无线电测量研究所的李贵兰，中国科学技术大学的丁冬生，中船717所的高俊，北京无线电测量研究所的吴同、郝赫、马骏超、寇军、黄媛媛、秦国卿、杜石桥，中国科学院半导体研究所的王所，北京无线电测量研究所的李立航撰写。
祝宁华（南开大学）、陈建平（上海交通大学）、闫连山（西南交通大学）和刘建国（中国科学院半导体研究所）牵头撰写了本书的概论，并给出了各个章节的修订建议。书稿的协调工作由李伟（中国科学院半导体研究所）完成。
我们相信，本书的出版将为国内相关政府部门、科研单位和公司企业制定发展规划与协同攻关提供有力参考，指导或帮助广大科技工作者乃至青年学生开展前沿科学研究与工程科技创新，服务于我国光电子产业自主自强发展。以人工智能、宽带网络、大数据等为代表的新一代信息技术的高速发展和广泛应用，是在相关技术持续突破和产业链不断优化重组的基础上实现的。作为未来信息产业关键基础环节的光电（融合）集成技术，既要从技术本身取得不断突破，更要适应整个产业变革和链条重组的需求强化交叉与融合，实现系统性技术创新。需要说明的是，随着信息技术日新月异的发展和光电（融合）集成技术的不断发展与进步，本书内容难免有不足或过时之处，诚挚恳请广大读者谅解并给予批评指正。
最后，再次对参与本书撰写的专家学者表示最诚挚的谢意。路阻且长，行则将至，让我们携手共进，通过持续不断的技术创新，推动集成光电子技术和产业的持续发展。

祝宁华，微波光子学家，南开大学教授，中国科学院院士。1990年毕业于电子科技大学，获得博士学位，1994年在中山大学晋升为教授，1996年在德国西门子任客座科学家（洪堡学者），1998年入选中国科学院高层次引进人才计划并到中国科学院半导体研究所工作，曾任副所长（法定代表人），2019年任雄安创新研究院院长，1998年获国家杰出青年科学基金，2021年当选中国科学院院士。作为第一完成人获2项国家技术发明二等奖、光华工程科技奖、中国科学院杰出成就奖（个人），发表研究论文400余篇，作为第一作者出版著作5部，获授权发明专利220余项。曾任国家“863”计划微电子与光电子主题专家、国家重点专项“光电子与微电子器件及集成”专家组组长。

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