高速集成光源，中國(guó)發(fā)出“好聲音”
——清華大學(xué)電子工程系羅毅教授等完成的“高速反饋半導(dǎo)體激光器及其與電吸收調(diào)制器單片集成光源”項(xiàng)目獲2012年度國(guó)家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)
實(shí)習(xí)記者 韓冬野
圖為羅毅（右一）指導(dǎo)博士生進(jìn)行半導(dǎo)體材料生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)。
■ 項(xiàng)目介紹
項(xiàng)目名稱：高速分布反饋半導(dǎo)體激光器及其與電吸收調(diào)制器單片集成光源
項(xiàng)目完成人：羅毅 孫長(zhǎng)征 熊兵 王任凡 柴廣躍 陽(yáng)紅濤
項(xiàng)目介紹：針對(duì)光纖通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)高速光源器件的戰(zhàn)略需求，發(fā)明了光柵耦合強(qiáng)度易于調(diào)控的增益耦合分布反饋激光器結(jié)構(gòu)、含有增益耦合機(jī)制的同一外延層集成光源結(jié)構(gòu)、高性能低成本模塊封裝結(jié)構(gòu)等，成功研制出2.5~10 Gb/s無(wú)制冷分布反饋激光器和2.5~40 Gb/s集成光源芯片，獲得發(fā)明專利授權(quán)10項(xiàng)、計(jì)算機(jī)軟件著作權(quán)1項(xiàng)，培養(yǎng)了博士11人、碩士20人，發(fā)表重要學(xué)術(shù)論文48篇、國(guó)際會(huì)議特邀報(bào)告18次。
光纖通信領(lǐng)域的超級(jí)“手電筒”
撥一通電話、發(fā)一條信息或者瀏覽一下網(wǎng)頁(yè)、看一個(gè)電視節(jié)目……每天每時(shí)，我們都在消費(fèi)信息。而大約20年前，一個(gè)公共電話的后面，可能排著長(zhǎng)長(zhǎng)的等待隊(duì)伍；互聯(lián)網(wǎng)對(duì)于專家、教授都是奢侈品。通信行業(yè)如此快速的發(fā)展，光纖通信技術(shù)發(fā)揮了支柱性的作用。光纖骨干網(wǎng)、城域網(wǎng)以及寬帶光纖接入網(wǎng)已構(gòu)成如今的信息網(wǎng)絡(luò)的基石。
光纖即光導(dǎo)纖維，是一種利用光在玻璃或塑料制成的纖維中的全反射原理而達(dá)成的光傳導(dǎo)工具。簡(jiǎn)言之，光纖是傳輸光信號(hào)的工具，而光信號(hào)則來(lái)自于“光源”，這便是我校信息學(xué)院羅毅教授項(xiàng)目組研發(fā)的目標(biāo)——“高速分布反饋半導(dǎo)體激光器及其與電吸收調(diào)制器單片集成光源”。
這一“光源”分為兩種情形。光信號(hào)比較慢時(shí)，不需要集成一個(gè)調(diào)制器，可以通過(guò)直接改變半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動(dòng)電流的強(qiáng)弱，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度隨時(shí)間變化的光信號(hào)；當(dāng)光信號(hào)的速度需要很快時(shí)，激光器的驅(qū)動(dòng)電流不變，輸出恒定強(qiáng)度的光，通過(guò)集成電吸收調(diào)制器去高速控制輸出光信號(hào)的強(qiáng)度，此種光源又稱為“集成光源”。在光纖通信的系統(tǒng)中，“光源”的角色只是滄海一粟，但它的地位卻是核心的，沒(méi)有光的信息源，光纖就是單純的材料，毫無(wú)用處。“‘光源’的工作就像一個(gè)手電筒，不斷地開(kāi)關(guān)，光纖里才有了光和信號(hào)。”羅毅如此比喻。
為什么要將激光器與調(diào)制器集成在一起呢？“如果單獨(dú)封裝這兩樣?xùn)|西，成品大概是兩個(gè)拇指節(jié)那么大，集成后封裝就只有一個(gè)拇指節(jié)那么大。”羅毅說(shuō)。同時(shí)，單獨(dú)封裝還需要光纖將兩者連接起來(lái)，而集成則免除了這個(gè)麻煩，使運(yùn)行更加可靠。與普通的做法相比，羅毅項(xiàng)目組采用了同一外延層的集成方法，即激光器與調(diào)制器共用同樣的多量子阱外延層，使外延生長(zhǎng)次數(shù)和工藝步驟減少了約50%，這就顯著降低了集成器件的制作成本，是光電子集成器件制造領(lǐng)域的一個(gè)重要?jiǎng)?chuàng)新。
20年達(dá)成400億次每秒的帶寬高峰
1983年，羅毅畢業(yè)于我校無(wú)線電電子學(xué)系電子物理與激光專業(yè)，分別于1987年、1990年在日本東京大學(xué)工學(xué)部電子工學(xué)科獲工學(xué)碩士與博士學(xué)位。1992年4月歸國(guó)，任我校電子工程系教授。他以高速、低成本的分布反饋激光器及其集成光源為研發(fā)目標(biāo)，一晃已是20余年。目前推出的40Gb/s的集成光源模塊，是同類結(jié)構(gòu)集成光源模塊中的最高水平，綜合產(chǎn)業(yè)化成本及素材自身的物理限制考慮，實(shí)現(xiàn)帶寬40Gb/s的速率已是一個(gè)極限。
“做科研就像爬一座山，值得喜悅的并不僅僅是站在珠穆朗瑪峰峰頂?shù)哪且豢蹋实堑倪^(guò)程中會(huì)不斷地有驚喜、失落等等。成功可能是‘千年等一回’，但這‘一千年’里已發(fā)生了太多有意思的事。”談到科研中的甘苦，羅毅感慨地說(shuō)。
項(xiàng)目初期，分布反饋半導(dǎo)體激光器及集成光源均采用折射率耦合機(jī)理，在原理上，存在單模成品率低、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等缺陷，導(dǎo)致光源的成本和帶寬成為光纖通信網(wǎng)絡(luò)的主要瓶頸問(wèn)題。“比如制作10個(gè)光源，也許只能成功1個(gè)，成品率就這么低。”羅毅說(shuō)。而帶寬的問(wèn)題則更加關(guān)鍵，“光源”的發(fā)射速率直接影響著光纖傳遞的信息量，這也與我們?nèi)粘Ｉ畹木W(wǎng)速息息相關(guān)。
對(duì)此，羅毅項(xiàng)目組在激光器中引入增益耦合反饋機(jī)理，并綜合考慮激光器閾值電流、單模成品率、調(diào)制帶寬等各性能參數(shù)，對(duì)包括光柵在內(nèi)的激光器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了全面的理論與實(shí)驗(yàn)優(yōu)化。1997年，羅毅項(xiàng)目組率先在國(guó)內(nèi)實(shí)現(xiàn)了2.5Gb/s的集成光源芯片，隨后的15年間，這一數(shù)字不斷被刷新，10Gb/s、40Gb/s，成品率也從10%提升到50%。
“40Gb/s的速率就相當(dāng)于一個(gè)手電筒每秒鐘完成了400億次的開(kāi)與關(guān)。” 羅毅說(shuō)。如此高的發(fā)射速率，光源模塊的電信號(hào)能否低損耗饋送是一個(gè)非常重要的問(wèn)題。項(xiàng)目組提出一種使用便利、可降低成本的微波信號(hào)饋送線路，自制了集成有匹配電阻封裝熱沉。這一器件熱沉一體化的封裝結(jié)構(gòu)，有效地改善了器件芯片到封裝管殼的光電耦合，保證了高速光源模塊的工作穩(wěn)定性和可靠性。
從依賴進(jìn)口到擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)后出口
1966年，英籍華裔學(xué)者高錕和霍克哈姆發(fā)表關(guān)于傳輸介質(zhì)新概念的論文，奠定了光纖通信的基礎(chǔ)。至今近50年的發(fā)展歷程中，光纖通信技術(shù)的發(fā)展始終由歐美、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家主導(dǎo)。
隨著我國(guó)光纖通信網(wǎng)絡(luò)的普及和廣范應(yīng)用，大到國(guó)防、高端信息產(chǎn)業(yè)，小到每個(gè)老百姓的上網(wǎng)、通信消費(fèi)，都對(duì)高速光源器件有著迫切的需求。而長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)的分布反饋半導(dǎo)體激光器及其集成光源等高端芯片和模塊一直依賴進(jìn)口，且價(jià)格非常昂貴，這嚴(yán)重制約了我國(guó)信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的發(fā)展。羅毅項(xiàng)目組與合作企業(yè)一起打破了這一困局。
項(xiàng)目組在1994年率先提出增益耦合集成光源并發(fā)表研究論文后，美國(guó)、德國(guó)、韓國(guó)等國(guó)家的科研機(jī)構(gòu)或電子公司相繼開(kāi)展了各種有關(guān)增益耦合集成光源的研究；項(xiàng)目組關(guān)于集成光源芯片的論文也被高速光（EA）調(diào)制器發(fā)明人、美國(guó)科學(xué)院和工程院兩院院士、斯坦福大學(xué)教授米勒引用；2008年發(fā)表的論文被日本著名企業(yè)日本電信電話株式會(huì)社（NTT）研究小組多次引用等等。“在光電子器件制造領(lǐng)域，我們讓國(guó)外同行聽(tīng)到了中國(guó)的‘好聲音’。我們不僅擁有了自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，還提出了更簡(jiǎn)潔的解決方法。”羅毅欣慰地說(shuō)。
目前，羅毅項(xiàng)目組的“高速光源”已在合作企業(yè)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，成本較國(guó)外同類產(chǎn)品降低了50%以上。近三年已為社會(huì)提供了超過(guò)110萬(wàn)套高速光源，經(jīng)濟(jì)效益近8億元。國(guó)內(nèi)和數(shù)十個(gè)國(guó)家和地區(qū)的主流光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)都在運(yùn)用他們的“高速光源”。業(yè)內(nèi)專家對(duì)他們的產(chǎn)品給予了這樣的評(píng)價(jià)：“性能穩(wěn)定、綜合指標(biāo)優(yōu)良，完全可以滿足系統(tǒng)應(yīng)用的各項(xiàng)要求，與國(guó)外同類產(chǎn)品相比具有價(jià)格優(yōu)勢(shì)。”
在成百上千個(gè)長(zhǎng)途或短途的電話后面，在成千上萬(wàn)個(gè)網(wǎng)頁(yè)快速跳轉(zhuǎn)的后面，一個(gè)“高速光源”在飛速地發(fā)射和閃爍著。“如果光纖通信是一段路，我們只干了其中的一小段。”羅毅和他的研究團(tuán)隊(duì)還將在光纖通信的道路上不斷努力前行，實(shí)現(xiàn)一次又一次的飛躍，為人類即時(shí)通信作出自己的貢獻(xiàn)。
來(lái)源：新清華 2013-06-07
