新一代光電子器件：讓網絡速度更快捷

訊石光通訊網 2007/2/6 9:37:48

 
    “我主要研究半導體光電材料，研究光和電的性質，研究能發(fā)出光，能探測光的材料，用電信號來控制光?！敝袊茖W院半導體研究所半導體超晶格國家重點實驗室分子束外延課題負責人牛智川研究員簡單的幾句話就概括了他們的工作。用專業(yè)語言來說，他們的工作是研制“新一代砷化鎵（GaAs）基長波長材料與面發(fā)射激光器”。
 
　　隨著互聯(lián)網數(shù)據(jù)信息傳輸量的飛速發(fā)展，人們不斷要求網絡向更高速度和更寬帶寬方向發(fā)展。而互聯(lián)網系統(tǒng)性能最終是由構成系統(tǒng)的關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)模塊所存在的問題，研制更高性能、更高性價比的新一代光電子器件。
 
　　砷化鎵基近紅外材料作為開發(fā)下一代光電子器件的理想候選材料，具有十分廣闊的應用前景。目前是國際多個著名研究機構，如美國斯坦福大學、日本日立公司、瑞典Chalmers理工大學、德國PDI固體電子學研究所等的核心項目，他們?yōu)橹度肓舜罅康娜肆ξ锪Α?
 
　　以牛智川為主要負責人的863課題組就是為了解決這一問題而誕生的，在短短的幾年中他們的研究就進入了世界最前沿。
 
　　砷化鎵是新器件的最佳選擇
 
　　光技術在網絡、存儲器等方面的應用，與多媒體信息社會的發(fā)展息息相關，光技術對信息社會的發(fā)展始終起著十分重要的作用。目前，國際上對提升互聯(lián)網性能的技術路線的一個重要共識是，必須發(fā)展新型可集成的光電收發(fā)模塊化器件。因為只有集成，才能實現(xiàn)器件小型化、功能完善化、性能穩(wěn)定性好、價格便宜的目標。此外，光纖網絡的速度瓶頸主要來自于接入網，因此，提供具有足夠上下行速率的較低價位的收發(fā)模塊，才能突破現(xiàn)有光纖接入網的數(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、波長單色性很好的磷化銦基激光器、調制器、探測器及其模塊已廣泛應用于光網絡。但是，磷化銦系材料存在著導帶偏移量小導致溫度穩(wěn)定性差、有折射率差異小、成本較高等問題，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現(xiàn)光電子與微電子的集成難度很大。同時，0.85微米波長的GaAs基光電材料雖然容易開發(fā)，但是，由于波長短，傳輸距離短，難以擔負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微米波長的光。因此，開發(fā)新型1.31微米、1.55微米長波長光電材料是近年來國際上網絡用光電子器件研究領域的重大課題。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。其中，以砷化銦量子點、以及銦鎵氮砷量子阱結構為典型代表最有發(fā)展前途。這是因為采用這類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,其最引人關注之處是可望實現(xiàn)垂直腔型單片集成化的光電收發(fā)模塊。
 
　　發(fā)揮優(yōu)勢取得碩果累累
 
　　中科院半導體研究所充分意識到GaAs基近紅外材料的研究工作不僅具有重要的學術價值，更有廣泛的市場應用前景。為了使我國在這一領域掌握獨立知識產權，在科學研究、技術開發(fā)和產業(yè)化等激烈的國際競爭中立于不敗之地，半導體研究所自上世紀90年代末期就開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)揮從事低維結構材料生長、物理性質研究和光電子器件研究的雄厚積累和優(yōu)勢，針對GaAs基1.0—1.6微米波段量子點、量子阱材料制備所面臨的科學技術問題（如砷化銦量子點能帶結構物理、均勻性差、拓展發(fā)光波長到1.31微米的同時提高面密度，獲得足夠增益，實現(xiàn)基態(tài)激射與探測等；以及銦鎵氮砷量子阱能帶結構、氮組分并入機理、量子阱結構設計優(yōu)化，改善器件物理特性，發(fā)光波長拓展至1.55微米波長，實現(xiàn)室溫激射與探測等等），采用了先進的材料生長技術和物理測試手段，運用能帶工程，非常系統(tǒng)地開展了材料和器件物理研究工作。
 
　　牛智川說：“我們的任務是在獲得新材料和新結構的基礎上，制備高性能光電子器件。器件性能是檢驗新材料性能的最重要標準?！?
 
　　以牛智川研究員為首的課題組在GaAs基近紅外1.0—1.6微米低維結構的生長、物理特性研究和器件制備方面取得了豐碩的成果，在1.064微米砷化銦量子點材料與諧振腔增強探測器、1.31微米砷化銦量子點材料與激光器、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微米材料生長以及世界第一個1.586微米室溫連續(xù)激光器屬于國際領先水平，不僅證明了GaAs基材料在1.55微米波段工作的可行性，使我國成為可以進一步研發(fā)GaAs基近紅外器件如放大器、調制器、激光和探測集成器件等國際上為數(shù)不多的國家之一，而且也為國際同行提供了最新的、有重要參考價值的實驗結果。
 
　　他們在國際會議上做了7篇特邀報告，被SCI收錄論文70多篇（被引用400次以上），獲得發(fā)明專利11項，多次受到英國物理學會、Ⅲ－VsReview等國際權威機構和刊物的關注和評價。同時，他們的研究成果在國內相關的其他研究課題組中也起到關鍵作用：比如在半導體研究所承擔的973項目1.55微米諧振增強探測器的研究工作中，采用本項目技術生長并制備成功世界上首個銦鎵氮砷多量子阱結構的1.55微米諧振增強探測器。
 
　　GaAs基近紅外材料與器件應用廣泛
 
　　在和我們生活密切相關的以太網和光纖到戶（FTTH）等信息基礎設施配備中，人們對以光纖通信為代表的光電子技術寄予厚望，瞬間傳送處理圖像等大規(guī)模信息的技術已經顯得越來越重要，在并行傳送空間信息的超并行光傳輸系統(tǒng)、連接多個計算機或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起著主導作用。要實現(xiàn)能充分利用光的并行性的系統(tǒng)，能大規(guī)模地進行二維集成化的并行光器件十分重要。
 
　　實現(xiàn)上述目標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。它具有獨特的優(yōu)越性：無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；圓形對稱的輸出光束易于耦合，單模工作易于高頻調制，極小的有源區(qū)體積使得極低功耗等都可以實現(xiàn)。
 
　　而GaAs基近紅外材料正是開發(fā)這類長波長垂直腔面發(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立發(fā)光器件，而且它還向具有光信息處理、存儲等功能的功能性集成器件發(fā)展。目前，GaAs基垂直腔面發(fā)射激光器已經可以應用在光通信、光互連（光中繼）、光存儲器、激光打印機、顯示器和照明等方面。
 
　　今后通過器件技術的進一步發(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、光互連、光信息處理等“超并列光電子”的各個領域。這里的“超”，主要指數(shù)量很多、超過人的一般常識想象的結果、量變引起的質變。作為可能進行大規(guī)模二維集成的并列化光器件，比如大規(guī)模的陣列構成的網絡、激光打印機、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，它能將十萬個以上的微型透鏡陣列化；由超并列化而引起的量變，會產生質變，也許會產生新的用途。
 
　　牛智川經常笑稱他們的工作是“基礎技術”，因為他們既研究新材料，又制備新器件。他堅信，如果能實現(xiàn)更高性能的GaAs基垂直腔面發(fā)射激光器，那么，它必將對光電子領域中，從光通信、光記錄、光計量到并行信息處理及能源等方面的應用，以及在整個電子學中占有相當比重的學術和產業(yè)方面的進一步的發(fā)展都將有所促進。
 
　　■數(shù)字863
 
　　2001年，半導體所在砷化鎵基1.3微米波段長波長砷化銦量子點材料的研究中，首次成功制備出高質量長波長發(fā)光量子點，它的室溫發(fā)光效率得到大幅度改善，是當時國際上最好的實驗記錄。研究結果受到美國Tech鄄nicalInsightAlerts等?？母叨仍u價。認為半導體所的工作進展是實現(xiàn)砷化鎵基長波長激光器的最重要基礎之一。
 
　　2003年，半導體研究所首次在國內開發(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內第一只砷化鎵基砷化銦量子點長波長激光器，實現(xiàn)室溫下連續(xù)工作，器件性能達到國際一流水平。受到英國物理學會、Ⅲ－VsReview刊物等的高度關注和評價。
 
　　2005年，該課題組在國際上首次報道了砷化鎵基1.55微米諧振腔增強探測器，在國際上首次報道了砷化鎵基1.59微米銦鎵氮砷銻量子阱激光器，實現(xiàn)了室溫下連續(xù)工作。受到澳大利亞Azom等機構的高度評價。
 
　　課題組在砷化鎵基新型長波長光電子材料與器件方面的進展得到國際同行的好評，先后7次在國際會議上作邀請報告，發(fā)表的70多篇研究論文已經被國際同行引用400多次。獲得國家發(fā)明專利11項。獲得國際權威刊物和機構的專刊評價10多篇。已經培養(yǎng)碩士研究生3人（有1人獲得中科院院長優(yōu)秀獎），博士研究生8人(4人獲得中科院院長優(yōu)秀、中科院冠名獎)，博士后1名。
 
來源：科技日報

新聞來源：本站原創(chuàng)

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