前言

随着在互联网时代下海量数据的高速增长，当今社会对带宽的要求越来越高。传统的微电子行业在满足不断增长的通信、计算以及传感应用需求时面临着两大挑战：能效和成本。光子学以更高的信息承载能力和更高的功率密度，可以为此提供解决方案。自20世纪70年代低损耗通信光纤和半导体光电子技术获得突破性进展以来，光通信已经成为大容量通信的标准方案，将光通信技术移植到核与核或芯片与芯片之间的通信中，具有非常大的应用潜力和良好的发展前景。

近年来，随着微电子互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺的成熟，硅基光电子技术以惊人的速度发展，成为当今电子和光子技术的焦点。硅基光电子技术是将光子和电子共同作为信息载体，基于硅或与硅兼容材料的工艺平台，发展起来的大规模光电集成技术。它既具有光子通信高速、大带宽、低功耗、低成本的优势，又具有 CMOS工艺兼容性，能利用现有CMOS工艺线实现大批量、低成本的制造。硅基光电子技术最有望成为光电集成的主要平台，广泛用于高速光互连的电路和芯片级的数据通信。

作为硅基光电子技术的基本功能单元，硅基光源是当前仍未完全解决的世界性难题。主要原因在于，硅材料本身属于间接带隙半导体材料，其辐射复合的过程必须伴随着声子的发射或吸收，导带底的电子只能间接跃迁到价带顶。同时，俄歇复合和自由载流子吸收两个较强的非辐射跃迁过程也会消耗能带中的载流子。因此，硅的发光效率非常低，仅有10-5，不能作为高效的光源材料。

理想的硅基光源需具备以下几大特征：

（1）工作在1310 nm或1550 nm波长上，直接与光纤网络连接。

（2）以紧凑的尺寸和高集成密度进行光/电泵浦。

（3）拥有高转换效率，以获得足够的输出功率。

（4）采用与CMOS工艺兼容的技术制备，用于大规模硅基集成。

虽然硅基发光存在基础性困难，研究者们在过去数十年的努力中仍然取得了重要的进展。鉴于它们的综合性能，目前的研究主要集中于以下三种有前途的硅基光源：

（1）硅基Ⅲ-Ⅴ族半导体混合集成光源，利用成熟的直接带隙半导体材料实现高效发光。

（2）硅基稀土离子掺杂光源，在硅基材料中植入发光中心，直接利用稀土发光离子作为工作物质。

（3）硅基应变锗光源，利用能带工程适当改变锗的能带结构，大大增强带隙发光。

本书主要探讨了硅基集成掺铒材料的发光原理、制备方式、表征手段，以及硅基集成掺铒光波导放大器、激光器的理论建模、仿真设计、加工制备、性能测试等内容，对硅基集成掺铒光波导放大器与激光器的发展方向提出了建设性意见。硅基集成掺铒光波导放大器与激光器终将在未来广泛应用于5G/6G通信、数据中心、物联网、智慧城市等领域，满足对海量数据传输与处理的重大需求，对推动未来信息化发展、提升核心科技竞争力具有重大意义。

需要指出的是，书中数据分析所用图、表，部分为仿真软件导出图、表，其数据意义不尽相同，无法也无必要严格按照坐标图的画图规范和数值标注要求进行处理，请读者阅读时注意这一点。

本书由王兴军、周佩奇、王博共同完成，同时也感谢世界各国的合作者提供的部分思路和灵感。