新一代光電子器件：讓網(wǎng)絡(luò)速度更快捷
訊石光通訊網(wǎng)
2007/2/6 9:37:48
“我主要研究半導(dǎo)體光電材料，研究光和電的性質(zhì)，研究能發(fā)出光，能探測(cè)光的材料，用電信號(hào)來(lái)控制光?！敝袊?guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所半導(dǎo)體超晶格國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室分子束外延課題負(fù)責(zé)人牛智川研究員簡(jiǎn)單的幾句話(huà)就概括了他們的工作。用專(zhuān)業(yè)語(yǔ)言來(lái)說(shuō)，他們的工作是研制“新一代砷化鎵（GaAs）基長(zhǎng)波長(zhǎng)材料與面發(fā)射激光器”。
隨著互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)信息傳輸量的飛速發(fā)展，人們不斷要求網(wǎng)絡(luò)向更高速度和更寬帶寬方向發(fā)展。而互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)性能最終是由構(gòu)成系統(tǒng)的關(guān)鍵光電器件的性能所決定的，因此， 人們必須解決目前商用光通信收發(fā)模塊所存在的問(wèn)題，研制更高性能、更高性?xún)r(jià)比的新一代光電子器件。
砷化鎵基近紅外材料作為開(kāi)發(fā)下一代光電子器件的理想候選材料，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。目前是國(guó)際多個(gè)著名研究機(jī)構(gòu)，如美國(guó)斯坦福大學(xué)、日本日立公司、瑞典Chalmers理工大學(xué)、德國(guó)PDI固體電子學(xué)研究所等的核心項(xiàng)目，他們?yōu)橹度肓舜罅康娜肆ξ锪Α?
以牛智川為主要負(fù)責(zé)人的863課題組就是為了解決這一問(wèn)題而誕生的，在短短的幾年中他們的研究就進(jìn)入了世界最前沿。
砷化鎵是新器件的最佳選擇
光技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)器等方面的應(yīng)用，與多媒體信息社會(huì)的發(fā)展息息相關(guān)，光技術(shù)對(duì)信息社會(huì)的發(fā)展始終起著十分重要的作用。目前，國(guó)際上對(duì)提升互聯(lián)網(wǎng)性能的技術(shù)路線(xiàn)的一個(gè)重要共識(shí)是，必須發(fā)展新型可集成的光電收發(fā)模塊化器件。因?yàn)橹挥屑桑拍軐?shí)現(xiàn)器件小型化、功能完善化、性能穩(wěn)定性好、價(jià)格便宜的目標(biāo)。此外，光纖網(wǎng)絡(luò)的速度瓶頸主要來(lái)自于接入網(wǎng)，因此，提供具有足夠上下行速率的較低價(jià)位的收發(fā)模塊，才能突破現(xiàn)有光纖接入網(wǎng)的數(shù)碼傳輸瓶頸。
牛智川介紹道，目前商用光通信器件主要采用磷化銦基材料。盡管數(shù)碼率很高、波長(zhǎng)單色性很好的磷化銦基激光器、調(diào)制器、探測(cè)器及其模塊已廣泛應(yīng)用于光網(wǎng)絡(luò)。但是，磷化銦系材料存在著導(dǎo)帶偏移量小導(dǎo)致溫度穩(wěn)定性差、有折射率差異小、成本較高等問(wèn)題，使得制作垂直腔型面陣功能集成器件的難度很大。特別是磷化銦系材料與制作微電子電路常用的硅基和砷化鎵基材料晶格失配很大，要想在單一基片上實(shí)現(xiàn)光電子與微電子的集成難度很大。同時(shí)，0.85微米波長(zhǎng)的GaAs基光電材料雖然容易開(kāi)發(fā)，但是，由于波長(zhǎng)短，傳輸距離短，難以擔(dān)負(fù)新一代光電子器件的重任。
目前，光纖傳輸損耗最小的是1.31微米和1.55微米波長(zhǎng)的光。因此，開(kāi)發(fā)新型1.31微米、1.55微米長(zhǎng)波長(zhǎng)光電材料是近年來(lái)國(guó)際上網(wǎng)絡(luò)用光電子器件研究領(lǐng)域的重大課題。隨著研究工作的深入，人們逐漸把材料體系集中到GaAs基材料上來(lái)。其中，以砷化銦量子點(diǎn)、以及銦鎵氮砷量子阱結(jié)構(gòu)為典型代表最有發(fā)展前途。這是因?yàn)椴捎眠@類(lèi)材料體系制備的光電子器件，將不僅具有溫度穩(wěn)定性好、成本低廉等優(yōu)點(diǎn),其最引人關(guān)注之處是可望實(shí)現(xiàn)垂直腔型單片集成化的光電收發(fā)模塊。
發(fā)揮優(yōu)勢(shì)取得碩果累累
中科院半導(dǎo)體研究所充分意識(shí)到GaAs基近紅外材料的研究工作不僅具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值，更有廣泛的市場(chǎng)應(yīng)用前景。為了使我國(guó)在這一領(lǐng)域掌握獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)，在科學(xué)研究、技術(shù)開(kāi)發(fā)和產(chǎn)業(yè)化等激烈的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中立于不敗之地，半導(dǎo)體研究所自上世紀(jì)90年代末期就開(kāi)始在這方面做了一系列研究工作，隨后又成立以牛智川研究員為首的863課題組。
他們發(fā)揮從事低維結(jié)構(gòu)材料生長(zhǎng)、物理性質(zhì)研究和光電子器件研究的雄厚積累和優(yōu)勢(shì)，針對(duì)GaAs基1.0—1.6微米波段量子點(diǎn)、量子阱材料制備所面臨的科學(xué)技術(shù)問(wèn)題（如砷化銦量子點(diǎn)能帶結(jié)構(gòu)物理、均勻性差、拓展發(fā)光波長(zhǎng)到1.31微米的同時(shí)提高面密度，獲得足夠增益，實(shí)現(xiàn)基態(tài)激射與探測(cè)等；以及銦鎵氮砷量子阱能帶結(jié)構(gòu)、氮組分并入機(jī)理、量子阱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化，改善器件物理特性，發(fā)光波長(zhǎng)拓展至1.55微米波長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)室溫激射與探測(cè)等等），采用了先進(jìn)的材料生長(zhǎng)技術(shù)和物理測(cè)試手段，運(yùn)用能帶工程，非常系統(tǒng)地開(kāi)展了材料和器件物理研究工作。
牛智川說(shuō)：“我們的任務(wù)是在獲得新材料和新結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，制備高性能光電子器件。器件性能是檢驗(yàn)新材料性能的最重要標(biāo)準(zhǔn)?！?
以牛智川研究員為首的課題組在GaAs基近紅外1.0—1.6微米低維結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)、物理特性研究和器件制備方面取得了豐碩的成果，在1.064微米砷化銦量子點(diǎn)材料與諧振腔增強(qiáng)探測(cè)器、1.31微米砷化銦量子點(diǎn)材料與激光器、1.31微米銦鎵氮砷量子阱材料與垂直腔面發(fā)射激光器、1.55微米銦鎵氮砷銻量子阱材料、激光器等多方面獲得重要突破。
課題組掌握的1.55微米材料生長(zhǎng)以及世界第一個(gè)1.586微米室溫連續(xù)激光器屬于國(guó)際領(lǐng)先水平，不僅證明了GaAs基材料在1.55微米波段工作的可行性，使我國(guó)成為可以進(jìn)一步研發(fā)GaAs基近紅外器件如放大器、調(diào)制器、激光和探測(cè)集成器件等國(guó)際上為數(shù)不多的國(guó)家之一，而且也為國(guó)際同行提供了最新的、有重要參考價(jià)值的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
他們?cè)趪?guó)際會(huì)議上做了7篇特邀報(bào)告，被SCI收錄論文70多篇（被引用400次以上），獲得發(fā)明專(zhuān)利11項(xiàng)，多次受到英國(guó)物理學(xué)會(huì)、Ⅲ－VsReview等國(guó)際權(quán)威機(jī)構(gòu)和刊物的關(guān)注和評(píng)價(jià)。同時(shí)，他們的研究成果在國(guó)內(nèi)相關(guān)的其他研究課題組中也起到關(guān)鍵作用：比如在半導(dǎo)體研究所承擔(dān)的973項(xiàng)目1.55微米諧振增強(qiáng)探測(cè)器的研究工作中，采用本項(xiàng)目技術(shù)生長(zhǎng)并制備成功世界上首個(gè)銦鎵氮砷多量子阱結(jié)構(gòu)的1.55微米諧振增強(qiáng)探測(cè)器。
GaAs基近紅外材料與器件應(yīng)用廣泛
在和我們生活密切相關(guān)的以太網(wǎng)和光纖到戶(hù)（FTTH）等信息基礎(chǔ)設(shè)施配備中，人們對(duì)以光纖通信為代表的光電子技術(shù)寄予厚望，瞬間傳送處理圖像等大規(guī)模信息的技術(shù)已經(jīng)顯得越來(lái)越重要，在并行傳送空間信息的超并行光傳輸系統(tǒng)、連接多個(gè)計(jì)算機(jī)或LSI芯片的并行光互連及光并行信息處理系統(tǒng)中，新興的并行光電子技術(shù)起著主導(dǎo)作用。要實(shí)現(xiàn)能充分利用光的并行性的系統(tǒng)，能大規(guī)模地進(jìn)行二維集成化的并行光器件十分重要。
實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)的最理想光電子器件是垂直腔面發(fā)射激光器。所謂垂直腔面發(fā)射激光器是指從垂直于襯底面射出激光的半導(dǎo)體激光器，其一大特征是在同一襯底上可把這樣的激光器件大規(guī)模平面集成。它具有獨(dú)特的優(yōu)越性：無(wú)需解理的平面制備工藝使得激光器單管、列陣的成本極大下降，適宜于大批量生產(chǎn)；圓形對(duì)稱(chēng)的輸出光束易于耦合，單模工作易于高頻調(diào)制，極小的有源區(qū)體積使得極低功耗等都可以實(shí)現(xiàn)。
而GaAs基近紅外材料正是開(kāi)發(fā)這類(lèi)長(zhǎng)波長(zhǎng)垂直腔面發(fā)射激光器的最理想材料。GaAs基垂直腔面發(fā)射激光器不僅僅是一種高性能的獨(dú)立發(fā)光器件，而且它還向具有光信息處理、存儲(chǔ)等功能的功能性集成器件發(fā)展。目前，GaAs基垂直腔面發(fā)射激光器已經(jīng)可以應(yīng)用在光通信、光互連（光中繼）、光存儲(chǔ)器、激光打印機(jī)、顯示器和照明等方面。
今后通過(guò)器件技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，GaAs基垂直腔面發(fā)射激光器有望滲透到大規(guī)模光通信網(wǎng)、光互連、光信息處理等“超并列光電子”的各個(gè)領(lǐng)域。這里的“超”，主要指數(shù)量很多、超過(guò)人的一般常識(shí)想象的結(jié)果、量變引起的質(zhì)變。作為可能進(jìn)行大規(guī)模二維集成的并列化光器件，比如大規(guī)模的陣列構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)、激光打印機(jī)、照明用光源等；超出一般想象的超并列的例子之一是微型透鏡，它能將十萬(wàn)個(gè)以上的微型透鏡陣列化；由超并列化而引起的量變，會(huì)產(chǎn)生質(zhì)變，也許會(huì)產(chǎn)生新的用途。
牛智川經(jīng)常笑稱(chēng)他們的工作是“基礎(chǔ)技術(shù)”，因?yàn)樗麄兗妊芯啃虏牧?，又制備新器件。他?jiān)信，如果能實(shí)現(xiàn)更高性能的GaAs基垂直腔面發(fā)射激光器，那么，它必將對(duì)光電子領(lǐng)域中，從光通信、光記錄、光計(jì)量到并行信息處理及能源等方面的應(yīng)用，以及在整個(gè)電子學(xué)中占有相當(dāng)比重的學(xué)術(shù)和產(chǎn)業(yè)方面的進(jìn)一步的發(fā)展都將有所促進(jìn)。
■數(shù)字863
2001年，半導(dǎo)體所在砷化鎵基1.3微米波段長(zhǎng)波長(zhǎng)砷化銦量子點(diǎn)材料的研究中，首次成功制備出高質(zhì)量長(zhǎng)波長(zhǎng)發(fā)光量子點(diǎn)，它的室溫發(fā)光效率得到大幅度改善，是當(dāng)時(shí)國(guó)際上最好的實(shí)驗(yàn)記錄。研究結(jié)果受到美國(guó)Tech鄄nicalInsightAlerts等專(zhuān)刊的高度評(píng)價(jià)。認(rèn)為半導(dǎo)體所的工作進(jìn)展是實(shí)現(xiàn)砷化鎵基長(zhǎng)波長(zhǎng)激光器的最重要基礎(chǔ)之一。
2003年，半導(dǎo)體研究所首次在國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)成功砷化鎵基1.3微米波段發(fā)光材料。
2004年，該課題組成功制備出國(guó)內(nèi)第一只砷化鎵基砷化銦量子點(diǎn)長(zhǎng)波長(zhǎng)激光器，實(shí)現(xiàn)室溫下連續(xù)工作，器件性能達(dá)到國(guó)際一流水平。受到英國(guó)物理學(xué)會(huì)、Ⅲ－VsReview刊物等的高度關(guān)注和評(píng)價(jià)。
2005年，該課題組在國(guó)際上首次報(bào)道了砷化鎵基1.55微米諧振腔增強(qiáng)探測(cè)器，在國(guó)際上首次報(bào)道了砷化鎵基1.59微米銦鎵氮砷銻量子阱激光器，實(shí)現(xiàn)了室溫下連續(xù)工作。受到澳大利亞Azom等機(jī)構(gòu)的高度評(píng)價(jià)。
課題組在砷化鎵基新型長(zhǎng)波長(zhǎng)光電子材料與器件方面的進(jìn)展得到國(guó)際同行的好評(píng)，先后7次在國(guó)際會(huì)議上作邀請(qǐng)報(bào)告，發(fā)表的70多篇研究論文已經(jīng)被國(guó)際同行引用400多次。獲得國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利11項(xiàng)。獲得國(guó)際權(quán)威刊物和機(jī)構(gòu)的專(zhuān)刊評(píng)價(jià)10多篇。已經(jīng)培養(yǎng)碩士研究生3人（有1人獲得中科院院長(zhǎng)優(yōu)秀獎(jiǎng)），博士研究生8人(4人獲得中科院院長(zhǎng)優(yōu)秀、中科院冠名獎(jiǎng))，博士后1名。
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