高速集成光源，中國發(fā)出“好聲音”
——清華大學電子工程系羅毅教授等完成的“高速反饋半導體激光器及其與電吸收調(diào)制器單片集成光源”項目獲2012年度國家技術(shù)發(fā)明獎二等獎
實習記者 韓冬野
圖為羅毅（右一）指導博士生進行半導體材料生長實驗。
■ 項目介紹
項目名稱：高速分布反饋半導體激光器及其與電吸收調(diào)制器單片集成光源
項目完成人：羅毅 孫長征 熊兵 王任凡 柴廣躍 陽紅濤
項目介紹：針對光纖通信網(wǎng)絡對高速光源器件的戰(zhàn)略需求，發(fā)明了光柵耦合強度易于調(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、計算機軟件著作權(quán)1項，培養(yǎng)了博士11人、碩士20人，發(fā)表重要學術(shù)論文48篇、國際會議特邀報告18次。
光纖通信領(lǐng)域的超級“手電筒”
撥一通電話、發(fā)一條信息或者瀏覽一下網(wǎng)頁、看一個電視節(jié)目……每天每時，我們都在消費信息。而大約20年前，一個公共電話的后面，可能排著長長的等待隊伍；互聯(lián)網(wǎng)對于專家、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)絡的基石。
光纖即光導纖維，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成的光傳導工具。簡言之，光纖是傳輸光信號的工具，而光信號則來自于“光源”，這便是我校信息學院羅毅教授項目組研發(fā)的目標——“高速分布反饋半導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。光信號比較慢時，不需要集成一個調(diào)制器，可以通過直接改變半導體激光器的驅(qū)動電流的強弱，實現(xiàn)強度隨時間變化的光信號；當光信號的速度需要很快時，激光器的驅(qū)動電流不變，輸出恒定強度的光，通過集成電吸收調(diào)制器去高速控制輸出光信號的強度，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，沒有光的信息源，光纖就是單純的材料，毫無用處。“‘光源’的工作就像一個手電筒，不斷地開關(guān)，光纖里才有了光和信號。”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？“如果單獨封裝這兩樣東西，成品大概是兩個拇指節(jié)那么大，集成后封裝就只有一個拇指節(jié)那么大。”羅毅說。同時，單獨封裝還需要光纖將兩者連接起來，而集成則免除了這個麻煩，使運行更加可靠。與普通的做法相比，羅毅項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)域的一個重要創(chuàng)新。
20年達成400億次每秒的帶寬高峰
1983年，羅毅畢業(yè)于我校無線電電子學系電子物理與激光專業(yè)，分別于1987年、1990年在日本東京大學工學部電子工學科獲工學碩士與博士學位。1992年4月歸國，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，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，實現(xiàn)帶寬40Gb/s的速率已是一個極限。
“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^程中會不斷地有驚喜、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。
項目初期，分布反饋半導體激光器及集成光源均采用折射率耦合機理，在原理上，存在單模成品率低、結(jié)構(gòu)復雜等缺陷，導致光源的成本和帶寬成為光纖通信網(wǎng)絡的主要瓶頸問題。“比如制作10個光源，也許只能成功1個，成品率就這么低。”羅毅說。而帶寬的問題則更加關(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)。
對此，羅毅項目組在激光器中引入增益耦合反饋機理，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)，對包括光柵在內(nèi)的激光器結(jié)構(gòu)進行了全面的理論與實驗優(yōu)化。1997年，羅毅項目組率先在國內(nèi)實現(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的速率就相當于一個手電筒每秒鐘完成了400億次的開與關(guān)。” 羅毅說。如此高的發(fā)射速率，光源模塊的電信號能否低損耗饋送是一個非常重要的問題。項目組提出一種使用便利、可降低成本的微波信號饋送線路，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。
從依賴進口到擁有自主知識產(chǎn)權(quán)后出口
1966年，英籍華裔學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)達國家主導。
隨著我國光纖通信網(wǎng)絡的普及和廣范應用，大到國防、高端信息產(chǎn)業(yè)，小到每個老百姓的上網(wǎng)、通信消費，都對高速光源器件有著迫切的需求。而長期以來，我國的分布反饋半導體激光器及其集成光源等高端芯片和模塊一直依賴進口，且價格非常昂貴，這嚴重制約了我國信息基礎(chǔ)設施建設的發(fā)展。羅毅項目組與合作企業(yè)一起打破了這一困局。
項目組在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、德國、韓國等國家的科研機構(gòu)或電子公司相繼開展了各種有關(guān)增益耦合集成光源的研究；項目組關(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、美國科學院和工程院兩院院士、斯坦福大學教授米勒引用；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，我們讓國外同行聽到了中國的‘好聲音’。我們不僅擁有了自主知識產(chǎn)權(quán)，還提出了更簡潔的解決方法。”羅毅欣慰地說。
目前，羅毅項目組的“高速光源”已在合作企業(yè)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，成本較國外同類產(chǎn)品降低了50%以上。近三年已為社會提供了超過110萬套高速光源，經(jīng)濟效益近8億元。國內(nèi)和數(shù)十個國家和地區(qū)的主流光網(wǎng)絡系統(tǒng)都在運用他們的“高速光源”。業(yè)內(nèi)專家對他們的產(chǎn)品給予了這樣的評價：“性能穩(wěn)定、綜合指標優(yōu)良，完全可以滿足系統(tǒng)應用的各項要求，與國外同類產(chǎn)品相比具有價格優(yōu)勢。”
在成百上千個長途或短途的電話后面，在成千上萬個網(wǎng)頁快速跳轉(zhuǎn)的后面，一個“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。”羅毅和他的研究團隊還將在光纖通信的道路上不斷努力前行，實現(xiàn)一次又一次的飛躍，為人類即時通信作出自己的貢獻。
來源：新清華 2013-06-07
