新一代光电子器件：让网络速度更快捷-讯石光通讯网

“我主要研究半导体光电材料，研究光和电的性质，研究能发出光，能探测光的材料，用电信号来控制光。”中国科学院半导体研究所半导体超晶格国家重点实验室分子束外延课题负责人牛智川研究员简单的几句话就概括了他们的工作。用专业语言来说，他们的工作是研制“新一代砷化镓（GaAs）基长波长材料与面发射激光器”。

　　随着互联网数据信息传输量的飞速发展，人们不断要求网络向更高速度和更宽带宽方向发展。而互联网系统性能最终是由构成系统的关键光电器件的性能所决定的，因此，人们必须解决目前商用光通信收发模块所存在的问题，研制更高性能、更高性价比的新一代光电子器件。

　　砷化镓基近红外材料作为开发下一代光电子器件的理想候选材料，具有十分广阔的应用前景。目前是国际多个著名研究机构，如美国斯坦福大学、日本日立公司、瑞典Chalmers理工大学、德国PDI固体电子学研究所等的核心项目，他们为之投入了大量的人力物力。

　　以牛智川为主要负责人的863课题组就是为了解决这一问题而诞生的，在短短的几年中他们的研究就进入了世界最前沿。

　　砷化镓是新器件的最佳选择

　　光技术在网络、存储器等方面的应用，与多媒体信息社会的发展息息相关，光技术对信息社会的发展始终起着十分重要的作用。目前，国际上对提升互联网性能的技术路线的一个重要共识是，必须发展新型可集成的光电收发模块化器件。因为只有集成，才能实现器件小型化、功能完善化、性能稳定性好、价格便宜的目标。此外，光纤网络的速度瓶颈主要来自于接入网，因此，提供具有足够上下行速率的较低价位的收发模块，才能突破现有光纤接入网的数码传输瓶颈。

　　牛智川介绍道，目前商用光通信器件主要采用磷化铟基材料。尽管数码率很高、波长单色性很好的磷化铟基激光器、调制器、探测器及其模块已广泛应用于光网络。但是，磷化铟系材料存在着导带偏移量小导致温度稳定性差、有折射率差异小、成本较高等问题，使得制作垂直腔型面阵功能集成器件的难度很大。特别是磷化铟系材料与制作微电子电路常用的硅基和砷化镓基材料晶格失配很大，要想在单一基片上实现光电子与微电子的集成难度很大。同时，0.85微米波长的GaAs基光电材料虽然容易开发，但是，由于波长短，传输距离短，难以担负新一代光电子器件的重任。

　　目前，光纤传输损耗最小的是1.31微米和1.55微米波长的光。因此，开发新型1.31微米、1.55微米长波长光电材料是近年来国际上网络用光电子器件研究领域的重大课题。随着研究工作的深入，人们逐渐把材料体系集中到GaAs基材料上来。其中，以砷化铟量子点、以及铟镓氮砷量子阱结构为典型代表最有发展前途。这是因为采用这类材料体系制备的光电子器件，将不仅具有温度稳定性好、成本低廉等优点,其最引人关注之处是可望实现垂直腔型单片集成化的光电收发模块。

　　发挥优势取得硕果累累

　　中科院半导体研究所充分意识到GaAs基近红外材料的研究工作不仅具有重要的学术价值，更有广泛的市场应用前景。为了使我国在这一领域掌握独立知识产权，在科学研究、技术开发和产业化等激烈的国际竞争中立于不败之地，半导体研究所自上世纪90年代末期就开始在这方面做了一系列研究工作，随后又成立以牛智川研究员为首的863课题组。

　　他们发挥从事低维结构材料生长、物理性质研究和光电子器件研究的雄厚积累和优势，针对GaAs基1.0—1.6微米波段量子点、量子阱材料制备所面临的科学技术问题（如砷化铟量子点能带结构物理、均匀性差、拓展发光波长到1.31微米的同时提高面密度，获得足够增益，实现基态激射与探测等；以及铟镓氮砷量子阱能带结构、氮组分并入机理、量子阱结构设计优化，改善器件物理特性，发光波长拓展至1.55微米波长，实现室温激射与探测等等），采用了先进的材料生长技术和物理测试手段，运用能带工程，非常系统地开展了材料和器件物理研究工作。

　　牛智川说：“我们的任务是在获得新材料和新结构的基础上，制备高性能光电子器件。器件性能是检验新材料性能的最重要标准。”

　　以牛智川研究员为首的课题组在GaAs基近红外1.0—1.6微米低维结构的生长、物理特性研究和器件制备方面取得了丰硕的成果，在1.064微米砷化铟量子点材料与谐振腔增强探测器、1.31微米砷化铟量子点材料与激光器、1.31微米铟镓氮砷量子阱材料与垂直腔面发射激光器、1.55微米铟镓氮砷锑量子阱材料、激光器等多方面获得重要突破。

　　课题组掌握的1.55微米材料生长以及世界第一个1.586微米室温连续激光器属于国际领先水平，不仅证明了GaAs基材料在1.55微米波段工作的可行性，使我国成为可以进一步研发GaAs基近红外器件如放大器、调制器、激光和探测集成器件等国际上为数不多的国家之一，而且也为国际同行提供了最新的、有重要参考价值的实验结果。

　　他们在国际会议上做了7篇特邀报告，被SCI收录论文70多篇（被引用400次以上），获得发明专利11项，多次受到英国物理学会、Ⅲ－VsReview等国际权威机构和刊物的关注和评价。同时，他们的研究成果在国内相关的其他研究课题组中也起到关键作用：比如在半导体研究所承担的973项目1.55微米谐振增强探测器的研究工作中，采用本项目技术生长并制备成功世界上首个铟镓氮砷多量子阱结构的1.55微米谐振增强探测器。

　　GaAs基近红外材料与器件应用广泛

　　在和我们生活密切相关的以太网和光纤到户（FTTH）等信息基础设施配备中，人们对以光纤通信为代表的光电子技术寄予厚望，瞬间传送处理图像等大规模信息的技术已经显得越来越重要，在并行传送空间信息的超并行光传输系统、连接多个计算机或LSI芯片的并行光互连及光并行信息处理系统中，新兴的并行光电子技术起着主导作用。要实现能充分利用光的并行性的系统，能大规模地进行二维集成化的并行光器件十分重要。

　　实现上述目标的最理想光电子器件是垂直腔面发射激光器。所谓垂直腔面发射激光器是指从垂直于衬底面射出激光的半导体激光器，其一大特征是在同一衬底上可把这样的激光器件大规模平面集成。它具有独特的优越性：无需解理的平面制备工艺使得激光器单管、列阵的成本极大下降，适宜于大批量生产；圆形对称的输出光束易于耦合，单模工作易于高频调制，极小的有源区体积使得极低功耗等都可以实现。

　　而GaAs基近红外材料正是开发这类长波长垂直腔面发射激光器的最理想材料。GaAs基垂直腔面发射激光器不仅仅是一种高性能的独立发光器件，而且它还向具有光信息处理、存储等功能的功能性集成器件发展。目前，GaAs基垂直腔面发射激光器已经可以应用在光通信、光互连（光中继）、光存储器、激光打印机、显示器和照明等方面。

　　今后通过器件技术的进一步发展，GaAs基垂直腔面发射激光器有望渗透到大规模光通信网、光互连、光信息处理等“超并列光电子”的各个领域。这里的“超”，主要指数量很多、超过人的一般常识想象的结果、量变引起的质变。作为可能进行大规模二维集成的并列化光器件，比如大规模的阵列构成的网络、激光打印机、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镜，它能将十万个以上的微型透镜阵列化；由超并列化而引起的量变，会产生质变，也许会产生新的用途。

　　牛智川经常笑称他们的工作是“基础技术”，因为他们既研究新材料，又制备新器件。他坚信，如果能实现更高性能的GaAs基垂直腔面发射激光器，那么，它必将对光电子领域中，从光通信、光记录、光计量到并行信息处理及能源等方面的应用，以及在整个电子学中占有相当比重的学术和产业方面的进一步的发展都将有所促进。

　　■数字863

　　2001年，半导体所在砷化镓基1.3微米波段长波长砷化铟量子点材料的研究中，首次成功制备出高质量长波长发光量子点，它的室温发光效率得到大幅度改善，是当时国际上最好的实验记录。研究结果受到美国Tech鄄nicalInsightAlerts等专刊的高度评价。认为半导体所的工作进展是实现砷化镓基长波长激光器的最重要基础之一。

　　2003年，半导体研究所首次在国内开发成功砷化镓基1.3微米波段发光材料。

　　2004年，该课题组成功制备出国内第一只砷化镓基砷化铟量子点长波长激光器，实现室温下连续工作，器件性能达到国际一流水平。受到英国物理学会、Ⅲ－VsReview刊物等的高度关注和评价。

　　2005年，该课题组在国际上首次报道了砷化镓基1.55微米谐振腔增强探测器，在国际上首次报道了砷化镓基1.59微米铟镓氮砷锑量子阱激光器，实现了室温下连续工作。受到澳大利亚Azom等机构的高度评价。

　　课题组在砷化镓基新型长波长光电子材料与器件方面的进展得到国际同行的好评，先后7次在国际会议上作邀请报告，发表的70多篇研究论文已经被国际同行引用400多次。获得国家发明专利11项。获得国际权威刊物和机构的专刊评价10多篇。已经培养硕士研究生3人（有1人获得中科院院长优秀奖），博士研究生8人(4人获得中科院院长优秀、中科院冠名奖)，博士后1名。

来源：科技日报