【基金標書】2010CB327600-超高頻、大功率化合物半導體器件與集成技術基礎研究

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111項目名稱： 新型光電子器件中的異質(zhì)兼容集成與功能微結(jié)構(gòu)體系基礎研究首席科學家： 任曉敏 北京郵電大學起止年限： 2010年 1月-2014 年 8月依托部門： 教育部222一、研究內(nèi)容擬解決的關鍵科學問題包括：1. 異質(zhì)兼容光電子集成中晶格-能隙適配與自組織納結(jié)構(gòu)生長的條件及機理。異質(zhì)兼容以及相關的工藝兼容問題是實現(xiàn)光電子集成所需解決的最基本的問題之一。 對于半導體光電 子集成而言，異 質(zhì)兼容就是要尋找異質(zhì)兼容光電子集成中晶格- 帶隙直接或間接適配的途徑與方法，包括（1）晶格顯著失配的不同材料系（如 Si 基、GaAs 基、InP 基及 GaSb 基等）之間的高 質(zhì)量異變外延、在異 變外延緩沖層中引入納異質(zhì)結(jié)構(gòu)以及在自組織納異質(zhì)結(jié)構(gòu)生長中引入異變緩沖層的作用和機理；（2）與特定襯底嚴格晶格匹配的滿足特定應用需求（如光通信、光信息獲取等）的晶格- 能隙適配新型半導體材料系的預測與合成、基于特殊超晶格結(jié)構(gòu)的能譜范圍拓展方法。此外，同一波導層內(nèi)不同部位之 間的異帶隙兼容問題，也常常被歸結(jié)為結(jié)構(gòu)兼容問題，故不在此描述。這些問題 涉及到物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)與特性以及材料生長的動力學規(guī)律等。目前光電子集成器件的波段大都集中在近紅外波段，但是今后因應相關 應用的需求，也 許有必要將其波段拓展到中遠紅外波段。譬如，隨著光電子器件的發(fā)展，自由空 間光通信有可能向更低 損耗的中遠紅外大氣窗口拓展；同時，中 遠紅外波段也是信息獲取及反獲取的重要波段。因此，我們 有必要考慮這些新的波段中的異質(zhì)兼容光電子集成問題。2. 光電子集成器件中重要基元功能微結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)途徑、形成機理與體系構(gòu)建。結(jié)構(gòu)兼容以及相關的工藝兼容問題也是實現(xiàn)光電子集成所需解決的最基本的問題之一。對于半導體光 電子集成而言， 結(jié)構(gòu)兼容就是要尋找可使光電子集成化繁為簡的、適于大規(guī)模多功能集成的“七巧板”式的基元功能微結(jié)構(gòu)體系。這些微結(jié)構(gòu)應該在數(shù)量上是“ 最小化 ”的、而在工藝上又是相互兼容的。回顧微電子集333成的發(fā)展歷程，正是基于擴散工藝的平面結(jié)型晶體管的發(fā)明和與之兼容的平面電阻、電容等結(jié)構(gòu)的發(fā)明使之從夢想變?yōu)楝F(xiàn)實。最 終解決半導體光電子集成的結(jié)構(gòu)兼容問題必須發(fā)展類似微環(huán)結(jié)構(gòu)、越層波導結(jié)構(gòu)、“ 同材料系異帶隙”級聯(lián)波導結(jié)構(gòu)等新型關鍵功能微結(jié)構(gòu)及其兼容制備工藝；同時，這樣的集成基元功能微結(jié)構(gòu)體系的構(gòu)建還將在很大程度上依賴于器件物理方面的新發(fā)現(xiàn)和新進展。譬如，基于自組織納異質(zhì)結(jié)構(gòu)的新型半導體光電子及電子器件有可能導致納米尺度的半導體光電子集成。這一問題是自然界對人類智慧的又一次重大考驗。3. 纖基光電子集成與微結(jié)構(gòu)光纖器件的概念、結(jié)構(gòu)、工藝創(chuàng)新。纖基光電子集成也需要同時解決異質(zhì)兼容和集成基元功能微結(jié)構(gòu)方面的基本的問題。我們需要探索微 結(jié)構(gòu)光纖與半導體材料及其它相關功能材料（包括量子線、量子點及各種納米顆 粒）的有機結(jié)合問題，包括微結(jié)構(gòu)光纖中特定功能材料的引入、填充、組裝與生長；我們還需要尋找一系列橫向并行或縱向串行的光電子學及電子學功能結(jié)構(gòu)，使其構(gòu)成一個彼此間工藝兼容的完備集合，以在同一根微結(jié)構(gòu)光纖中構(gòu)造出各種各樣的功能分工、相互連接的光電子器件來。微結(jié)構(gòu)光纖器件的概念、結(jié)構(gòu)和工 藝還需要不斷創(chuàng)新，微 結(jié) 構(gòu)光纖中光與物質(zhì)相互作用的新機理、光子行為調(diào)控的新方法以及相關的器件物理機制均有可能引發(fā)纖基光電子集成的某些突破，其 應用波段也在拓展。 這些都會給我們帶來新的機遇和挑戰(zhàn)。4. 微結(jié)構(gòu)光纖制備中的動力學機制與精確控制方法。微結(jié)構(gòu)光纖的精確制備問題已經(jīng)提上議事日程。盡管人們可以制備出各種各樣不同結(jié)構(gòu)的微結(jié)構(gòu)光纖，但使這些光纖的實際結(jié)構(gòu)與預先設計的結(jié)構(gòu)高度吻合相當困難。國際上還沒有任何一個研究組或企業(yè)完全解決了這個問題。我們444所要分析和處理的是由多根石英毛細管集成的“復合材料體” 在高溫熔融狀態(tài)下的動態(tài)形變行為，涉及到材料粘度受力等多因素介入的復雜流體動力學問題，特別涉及到石英毛細管內(nèi)部以及毛細管之間的熱輻射與熱傳導作用對空氣微孔變形的影響問題。這一問題的解決是微結(jié)構(gòu)光纖、微 結(jié)構(gòu)光纖器件乃至纖基光電子集成的進一步發(fā)展的基本保證。主要研究內(nèi)容包括：圍繞第 1 個科學問題，擬開展如下工作：—— 在半導體材料的高質(zhì)量異變外延和納異質(zhì)結(jié)構(gòu)制備方面，我們將在已申請國家發(fā)明專利的一項技術以及其它相關工藝的基礎上，在 Si 襯底上分別生長 GaAs 和 InP 外延層材料，研究 進一步提高異變外延 層質(zhì)量、降低位錯密度的方法，進 而作為對材料質(zhì)量的 驗證，研制 Si 基 InP 材料系 1.55μm 半導體激光器和 1.1~1.3μm InAs/GaAs 量子點激光器。同時，我們將面向上述異變外延的工藝需求和微結(jié)構(gòu)光纖器件內(nèi)部的納米線組裝，進一步研究 III-V 族半導體納米線的制備工藝；我們將面向未來納米光電子器件的制備，研究在不同的生長條件下量子線和量子點自組織生長行為的特點與規(guī)律。我們將進一步研究 InP/GaAs 高質(zhì)量異變外延技術，并研制具有 漸變緩沖層結(jié)構(gòu)的 GaAs 基量子點異質(zhì)結(jié)構(gòu)；研究GaSb/GaAs 高 質(zhì)量異變外延技術，并完成相關器件驗證?！?在新型半導體材料系方面，我們將面向光纖通信應用，在上一期 973項目相應工作的基礎上，進 一步從理論上預測可與 GaAs 或 Si 晶格匹配、發(fā)光波長位于光通信長波長波段（1.3μm、1.55μm）且為直接帶隙的新型四元系集成光電子材料；我們將針對 III-V 族 B（硼）化物材料系及其它有可能涉及的新型材料系開展研究工作，通過建立更 為完善的半導體材料晶格-能隙關系理論分析模型，提高理論預測的準確性；從實驗上研究BGaInAs/GaAs、BAlInAs/GaAs、BGaAsSb/GaAs 和 BGaPSb/Si、BInAsP/Si 等含 B III-V 族化合物自身及相關三元系材料的合成問題及其帶隙特性調(diào)控問題，并開展相關的器件驗證工作；同時，我們將面向自由空間光通信、瓦斯監(jiān)測及天基紅外信息獲取等方面的應用， 研制高質(zhì)量的諸如 InGaAsSb、AlInGaAsSb、InGaSbP555和 InAs-GaSb II 類超晶格等可供選用的 GaSb 基或 GaAs 基（基于異變外延技術）新型 III-V 族 Sb 化物材料系。我們還將基于這些材料系研制 2~5μm 紅外激光器、雙色（2~3μ m 及 3~5μm）紅 外探測器和 14μm 以上波段的紅外探測器。圍繞第 2 個科學問題，擬開展如下工作：—— 在光電子集成基元功能微結(jié)構(gòu)方面，擬重點研究的半導體光電子集成基元功能微結(jié)構(gòu)包括半導體環(huán)形微結(jié)構(gòu)、“同材料系異 帶隙”級聯(lián)波導結(jié)構(gòu)、越層波導耦合微結(jié)構(gòu)等。上一期 973 項目已經(jīng)成功地實現(xiàn)了半導體微環(huán)激光器的激射，但半導體環(huán)形微結(jié)構(gòu)光 電子器件自身性能的提升及其潛在集成優(yōu)勢的發(fā)揮，還有待我們對其器件物理、 結(jié)構(gòu)設計和制備工藝進行深入的研究；“ 同材料系異帶隙”級聯(lián)波導結(jié) 構(gòu)的研究則 主要集中在其實現(xiàn)工藝 上，我 們將對分次外延對接（Butt-Joint）、量子阱混 雜（ QWI）和選擇區(qū)域生長（SAG）等工藝進行深入的比較研究，以做出進一步的工藝創(chuàng) 新；越層波導耦合微結(jié)構(gòu)的基礎是我們熟悉的楔形功能微結(jié)構(gòu)，因此我們的研究重點是實現(xiàn)其高效率耦合的問題。此外，我 們還要構(gòu)思普遍適用于大規(guī)模、多功能集成的基元功能微結(jié)構(gòu)體系，并在工藝上進行大量的嘗試?！?在光子集成（PIC ）芯片方面，我們將致力于研制基于半導體微環(huán)結(jié)構(gòu)的多波長收發(fā)光子集成芯片和可尋址半導體微環(huán)全光信號隨機存儲器；研制以可調(diào)諧半導體激光器為光源的 InP 基單片光子集成（ PIC）波分復用光發(fā)射機；研制滿足更高要求的高功率、低偏振、高可靠性超輻射單 片集成 PIC 光源。在光電集成（OEIC ）芯片方面，我們將進一步研究 InP 基長波 長 10Gb/s 單片集成 OEIC 光接收機的關鍵技術。圍繞第 3 個科學問題，擬開展如下工作：—— 在微結(jié)構(gòu)光纖中的超快光子學效應與光子行為調(diào)控方面，深入研究“ 飛秒激光振蕩器、放大器、飛秒激光的傳輸和頻率變換 ”功能集成的高功率、高重復頻率、多波段微結(jié)構(gòu)光纖飛 秒激光系統(tǒng)；研制高效率、高功率的 V 波段頻率變換器和高功率紫外波段飛秒激光器；探索并論證微結(jié)構(gòu)光纖中三階非線性光學大波長跨度參量熒光的產(chǎn)生及其用作高效率、低噪聲關聯(lián)/ 偏振糾纏光子對源的可行性；探索微結(jié)構(gòu)光纖中光與物質(zhì)相互作用的新機理、光子行為調(diào)控的新方法?！?在纖基光電子集成的基本途徑與方法方面，以實現(xiàn)“ 異質(zhì)兼容”微結(jié)構(gòu)光纖為目標，探索新型半導 體－聚合物基 Bragg 光 纖的基本理論和制備工藝，論證其用作中紅外波段傳輸傳感及實現(xiàn)復合光電調(diào)控功能的可行性；研究集成式多芯高非線性微結(jié)構(gòu)光纖，使其超連續(xù)譜覆蓋從紫外到中紅外的波段；研究鉺、銩、666鐿等共摻的集成式多纖芯微結(jié)構(gòu)光纖的技術方法，以獲得不同波長激光的同時輸出；研究微結(jié)構(gòu)光纖中半導體材料及其它相關功能材料（包括量子線、量子點及各種納米顆粒等）的組裝、摻雜、填充、沉積等關 鍵工藝和相應的改性、增敏機理，研制基于此技術的新型光纖激光光源，其激射波段為目前傳統(tǒng)光纖激光技術難于實現(xiàn)的可見光或近，中紅外波段。研究 纖內(nèi)組裝功能材料的微結(jié)構(gòu)光纖中光子和電子的運動學及其量子動力學行為及調(diào)控機理；研究功能微結(jié)構(gòu)光纖（包括光子帶隙光纖、多芯微結(jié)構(gòu)光纖和微結(jié)構(gòu)多維光纖光柵等）的新特性。圍繞第 4 個科學問題，擬開展如下工作：—— 在微結(jié)構(gòu)光纖的先進設計與精確制備方法方面，我們將基于代工廠（Foundry）的微結(jié)構(gòu)功能光纖優(yōu)化設計；建立和完善具有自主知 識產(chǎn)權(quán)的微結(jié)構(gòu)光纖設計和分析軟件；研究微結(jié)構(gòu)光纖制備中的動力學機制；通過自主創(chuàng)新，發(fā)展和完善微結(jié)構(gòu)光纖設計技術、拉制工藝和產(chǎn)業(yè)化關鍵技術，形成一整套穩(wěn)定的微結(jié)構(gòu)光纖制造工藝技術；通過將微結(jié)構(gòu)光纖設計方法的研究與實際拉制工藝的研究緊密結(jié)合，實現(xiàn)適合于國內(nèi)企業(yè)現(xiàn)有設備條件的微結(jié)構(gòu)光纖結(jié)構(gòu)功能優(yōu)化與精確制備方法；探索成熟的低成本、高成品率的微結(jié)構(gòu)光纖制備工藝，為國內(nèi)微結(jié)構(gòu)光纖及器件的最終商用化奠定堅實基礎；通過將微結(jié)構(gòu)光纖工藝制造的研究與在實際推廣應用的研究緊密結(jié)合，推進微結(jié)構(gòu)光纖結(jié)構(gòu)功能的標準化，帶動相關產(chǎn)業(yè)鏈條的橫向聯(lián)系與縱深發(fā)展，從而形成新的高新技術生長點。777二、預期目標本項目的總體目標：本項目的總體目標為：在既定關鍵科學問題的解決上取得突破性的理論和實驗進展，深化“ 半導體光電子學”與“光纖光子學” 之 間的交叉融合；通過材料、結(jié)構(gòu)、工藝和器件的創(chuàng)新，形成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的多功能、多波段、大 規(guī)模半導體光電子集成核心技術，創(chuàng)建纖 基光電子集成的基本工藝體系，進一步掌握微結(jié)構(gòu)光纖的先進設計方法和精確制備技術，研制成功一批具有國際先進水平的半導體及纖基光電子集成典型芯片與器件；使我國在光電子集成器件與系統(tǒng)的國際競爭中贏得較大的戰(zhàn)略優(yōu)勢，為 我國信息基礎設施和電子信息產(chǎn)業(yè)水平的全面升級開辟道路，推動經(jīng)濟、社會發(fā)展，提升國家安全保障能力，并帶動相關領域科學技術的進步。五年預期目標：—— 在半導體材料外延和納異質(zhì)結(jié)構(gòu)制備新工藝方面，為 GaAs 或 Si 基異質(zhì)兼容光電子集成奠定基礎。突破高質(zhì)量異變外延技術，采用自主創(chuàng)新的一種基于界面納米結(jié)構(gòu)的異變外延新方法以及其它相關工藝，在 Si 襯底上分別生長出器件級的 GaAs 和 InP 外延層材料，使其位 錯密度降低到 105 cm-2 量級，實現(xiàn) Si基 InP 材料系 1.55μm 半導體激光器室溫連續(xù)激射，并在器件質(zhì)量上趕超國際最好水平；采用此種 GaAs/Si 異變外延技術，在 Si 襯底上研制成功 1.1~1.3μm 室溫連續(xù)運轉(zhuǎn)的 InAs/GaAs 量子點激光器。同 時，在 III-V 族半導體納米線的制備上取得重要進展，并將之應用于上述異變外延、 納米光 電子器件和微結(jié)構(gòu)光纖器件內(nèi)部的納米線組裝；提高 InP/GaAs 異變外延水平，并將此技術應用于具有漸變緩沖層結(jié)構(gòu)的 GaAs 基量子點異質(zhì)結(jié)構(gòu)的制備；實現(xiàn) GaSb/GaAs 高質(zhì)量異變外延生長，并完成相關器件驗證 ?！?在新型半導體材料系方面，為 GaAs 基或 Si 基異質(zhì)兼容光電子集成奠定基礎。 建立更為完善的半 導體材料晶格-能隙關系理論分析模型，深化對其生長機理的認識。面向光纖通信 應用， 針對與 GaAs 襯 底和 Si 襯底晶格匹配的、 帶隙對應于 1.3μm 或 1.55μm 的新型四元系 III-V 族化合物材料取得新的有價值的理論預測和實驗制備結(jié)果（上一期 973 項目實現(xiàn)的最佳波長數(shù)據(jù)為 1.24μm）。從實驗上給出 BGaInAs/GaAs、BAlInAs/GaAs、BGaAsSb/GaAs 和 BGaPSb/Si BInAsP/Si 等含 B III-V 族化合物自身及相關三元系材料基本性能的科學實驗數(shù)據(jù)，取得各自帶隙特性調(diào)控的最佳結(jié)果，提供出至少 2 種可高質(zhì)量外延生長的晶格-能隙適配的此類新型材料系并完成器件驗證；面向自由空間光通信、瓦斯監(jiān)測及天基紅外信息獲取等方面的應用，研制出高質(zhì)量的諸如InGaAsSb、AlInGaAsSb、InGaSbP 和 InAs-GaSb II 類超晶格等可供選用的 GaSb基或 GaAs 基（基于異變外延技術）新型 III-V 族 Sb 化物材料系，并基于這些材料系研制出 2~5μm 紅外激光器、雙色（2~ 3μm 及 3~5μm）紅外探測器和 14μm 以上波段的紅外探測器?！?在光電子集成基元功能微結(jié)構(gòu)方面做出若干發(fā)明，掌握功能各異的集888成基元功能微結(jié)構(gòu)的設計與制備方法，綜合解決單片光電子集成的材料兼容、結(jié)構(gòu)兼容和工藝兼容問題，在集成器件與芯片研制方面取得重要進展。在光子集成（PIC）芯片方面，研制出基于半 導體微環(huán)結(jié)構(gòu)的 1550nm 多波長收發(fā)光子集成芯片和可尋址半導體微環(huán)全光信號隨機存儲器；研制出以可調(diào)諧半導體激光器為光源的 1550nm 單片光子集成（PIC）4 路、系 統(tǒng)應用速率為 10Gb/s 的波分復用光發(fā)射機；研制出具有更高性能的 1310nm 或 1550nm 波段高功率（出纖功率? 1.5mW）、低偏振（偏振消光比? 1.0dB）超輻射單片集成 PIC 光源；在光電集成（OEIC）芯片方面，突破 InP 基長波長 10Gb/s 單片集成 OEIC 光接收機的關鍵技術，提供該接收機樣品。使我國在光電子集成芯片技術的若干重要方向上走在世界前列，滿足國家信息基礎設施發(fā)展及其它國家重大工程應用的相關需求?！?在微結(jié)構(gòu)光纖中的超快光子學效應方面，實現(xiàn)基于微結(jié)構(gòu)光纖的百飛秒量級、近百瓦功率、高重復頻率飛秒激光系統(tǒng)的穩(wěn) 定運轉(zhuǎn)；在此基礎上， 實現(xiàn)基于微結(jié)構(gòu)光纖的 V 波段、瓦功率量 級的飛秒激光頻 率變換，并研制出高效率、瓦量級功率的紫外波段亞飛秒量級激光器，為信息獲取及反獲取系統(tǒng)、激光精密微加工等重大需求提供技術支撐。在基于微結(jié)構(gòu)光纖的量子通信糾纏光子源方面，完成微結(jié)構(gòu)光纖中三階非線性光學大波長跨度（?800/1550nm）參量熒光產(chǎn)生的理論和實驗論證，并制備出相 應的高效率、低噪聲、大波 長跨度關聯(lián)/ 偏振糾纏光子對源，為 在光纖通信波段（ 1550nm）量子信息光源的 實用化發(fā)展作出貢獻?！?在纖基光電子集成方面，制備出若干典型的橫向并聯(lián)和縱向串聯(lián)型光電子集成器件，包括：基于集成式多芯微結(jié)構(gòu)光纖的超寬光譜（200nm ?3500nm）激光光源和激射波長可在 1030nm?2300nm 范圍內(nèi)調(diào)諧的多波長激光器；力爭在微結(jié)構(gòu)光纖中沉積半導體材料技術及相關集成器件的制備方面取得突破。掌握在微結(jié)構(gòu)光纖中引入不同半導體材料（量子點、量子線）或其它功能材料的組裝技術，從而解決纖基光電子集成的材料兼容問題。揭示組裝后微結(jié)構(gòu)光纖中的光子、電子的量子動力學行為 及其調(diào)控機理。研制出基于半導體及納米發(fā)光材料組裝微結(jié)構(gòu)光纖的新型光纖激光光源，激射波段為目前傳統(tǒng)光纖激光技術難于實現(xiàn)的可見光或近、中紅外波段；研制出基于光電材料填充的快速、寬帶可調(diào)諧新型微結(jié)構(gòu)光纖及光柵單通道、雙通道和多通道光濾波器，調(diào)諧速度≧微秒量級、邊模抑制比≧20 dB。制備出半導體-聚合物基帶隙導光 Bragg 光纖樣品，并完成中紅外波段（3?5μm、10.6μm）空心光纖傳輸傳感特性與復合光電功能的理論和實驗論證，從而開拓“異質(zhì)兼容”微結(jié)構(gòu)光纖技術新領域。999—— 在微結(jié)構(gòu)光纖的先進設計與精確制備方法方面取得重要進展，為實現(xiàn)纖基光電子集成和微結(jié)構(gòu)光纖器件的長足發(fā)展奠定基礎。形成具有自有知識產(chǎn)權(quán)的微結(jié)構(gòu)光纖制備工藝體系和規(guī)范化流程，實現(xiàn)微結(jié)構(gòu)光纖的結(jié)構(gòu)功能優(yōu)化與精確制備，促進我國微結(jié) 構(gòu)光纖規(guī)?；a(chǎn)基地的快速形成。制備出若干種具有重要應用價值的微結(jié)構(gòu)光纖，包括：FTTH 用微結(jié)構(gòu)光纖，指標達到：在1.55μm 波長處 、彎曲半徑 5mm 時，彎曲損耗≦0.1dB/ 圈，與常規(guī)單模光纖熔接損耗≦0.2dB ，動態(tài)疲勞參數(shù) ≧20；研制出較低損耗的 1550nm 光子帶隙光纖；制備出用于超寬帶光混頻器的高非線性微結(jié)構(gòu)光纖，實現(xiàn) 1.55μm 波段的光信號轉(zhuǎn)換到可見光波段，并將 155Mb/s ASK 信號轉(zhuǎn)換到可見 光波段；制備出強光學非線性、大負色散微結(jié)構(gòu)光纖，實現(xiàn) 基于該光纖的新型集成式拉曼光放大與色散補償器件，指標 達到：泵浦光功率 ≧500mw， 帶寬≧30nm；非飽和增益為 10dB；增益平坦度為± 1.5dB；色散補償量為 400ps/nm?！?本項目組將在國內(nèi)外核心刊物上發(fā)表論文 400 篇以上，其中 SCI 收錄論文 150 篇以上；獲得或申請國家發(fā)明專利 40 項以上；培養(yǎng)博士后 10 名，博士50 名， 碩士 100 名。本項目組將進一步促進所在國家 實驗室、國家重點 實驗室、教育部重點實驗室等科研基地的建設，營造更好的基礎研究氛圍；同時，充分發(fā)揮北京郵電大學“ 通信與網(wǎng) 絡核心技術” 學科創(chuàng)新引智基地與天津大學 “微米/納米科學與技術” 學科創(chuàng)新引智基地等方面的作用， 進 一步深化與國外頂尖科研機構(gòu)及科研團隊的實質(zhì)性合作；從而使項目組自身發(fā)展成為一支更有活力、更高水平的研究團隊。101010三、研究方案研究方案和技術路線：1）學術思路：本項目的主要研究內(nèi)容既包含半導體光電子集成，又包含基于光纖的光電子集成（即“纖 基光電子集成 ”）。異 質(zhì)兼容和功能微結(jié)構(gòu)兩個方面的共性科學問題貫穿于這兩類光電子集成的研究工作之中，半導體光電子學和光纖光子學兩個學科分支在本項目中交融匯流。因此本項目實際上成為一個學科交叉的平臺，這種交叉非常有利于產(chǎn)生原創(chuàng)性的成果。我們將依據(jù)纖基光電子集成和相關微結(jié)構(gòu)光纖器件研究工作的需要，開展相應的半導體納米結(jié)構(gòu)的制備；我們也將把在半導體襯底上制備半導體材料和器件的相關工藝經(jīng)過必要的改造移植到纖內(nèi)半導體結(jié)構(gòu)和器件的制備之中；我們還會借助于微結(jié)構(gòu)光纖與半導體材料的結(jié)合來豐富和深化我們對于半導體材料的認識，因 為半導體材料在微 結(jié)構(gòu)光纖所構(gòu)建的特殊實驗空間和條件之下所表現(xiàn)出來的各種新的物質(zhì)屬性有可能成為新型半導體器件的物理基礎?？傊鶕?jù)這兩類研究工作各自的特點和彼此之間內(nèi)在的聯(lián)系，將二者緊密地結(jié)合起來，是我們的開展本項目研究工作的基本思路。就半導體光電子集成方面的研究工作而言，異質(zhì)兼容和集成基元功能微結(jié)構(gòu)相輔相成，缺一不可。有關異質(zhì)兼容方面的研究工作思路已經(jīng)相當具體明確，我們將通過異變外延和新型材料系（包括特殊超晶格結(jié)構(gòu)）等多個途徑的探索來實現(xiàn)我們所期待的突破；而在集成基元功能微結(jié)構(gòu)方面，問題還相當開放。半導體器件與微電子器件相比， 結(jié)構(gòu)復雜度大大增加，不同的光電子器件之間、特 別是光電子器件和微電子器件之間在材料、結(jié)構(gòu)和工藝方面的兼容性存在很大的問題，這 正是光子集成（PIC）曾經(jīng)多年徘徊不前（近期已有顯著進展并備受關注）、而光電集成（OEIC）、特 別是包含半導體激光器等單元的集成的推進至今仍未見有大的突破的原因。完全從現(xiàn)有半導體器件的結(jié)構(gòu)出發(fā)構(gòu)思“ 七巧板”式的集成基元功能微結(jié)構(gòu)體系的思路值得商榷，因此我們將特別注重從半導體器件物理的層面來思考這一問題，也許 適合光電集成（OEIC）的集成基元功能微結(jié)構(gòu)體系的出現(xiàn)有待于光電子器件結(jié)構(gòu)的某種變革。同時，我 們 提出了研制科學實驗用鍵合型高質(zhì)量 InP/Si 雙基復合 襯底的設想， 這將使我們 有可能在基于異變外延工藝的 InP/Si 雙基復合襯底尚不成熟的情況下，超前 進 行 InP/Si 雙基復合襯底上光電子集成結(jié)構(gòu)、工藝兼容性的研究，從而在國際同行中取得先行優(yōu)勢。我 們希望這樣的學術思路有助于我們實現(xiàn)本項目中有關半導體光電子集成的預期目標。就纖基光電子集成方面的研究工作而言，異質(zhì)兼容和集成基元功能微結(jié)構(gòu)同樣是兩個最基本的問題，只是其特點有所不同。從根本上講，在微 結(jié)構(gòu)光纖中實現(xiàn)異質(zhì)兼容將大大拓展光纖器件、特別是有源光纖器件性能設計的自由度和實際應用的領域，因此我們 把這一特點作為我們開展相關工作的主要牽動力；另一方面，纖基光電子集成可以沿著橫向集成和縱向集成兩個方向推進，因此同時在這兩個方向上探索相應的集成基元功能微結(jié)構(gòu)也就成為本項目的題中應有之義。同時 ，微 結(jié) 構(gòu)光纖本身的結(jié)構(gòu)問題也需要我們?nèi)プ龈鼮樯钊氲难芯俊Ｆ┤?，微結(jié)構(gòu)光纖所表現(xiàn)出的強烈的非線性效應是微結(jié)構(gòu)光纖最重要的特點之一，而這種效應是和光與物質(zhì)的超快作用緊密地聯(lián)系在一起的，因此我們把其中的超111111快光子學效應及相應的光子行為調(diào)控技術作為深入研究的重點。這一研究將有可能導致高效便捷的新型光子糾纏源的誕生，從而有力地促進量子光通信和量子信息技術的發(fā)展。纖基光電子集成和相關微結(jié)構(gòu)光纖器件的研究工作尚有很大的創(chuàng)新空間，同時又具有很強的挑戰(zhàn)性，我 們期待著在這一研究工作中取得較為重大的進展。 最后，無論是半導體光電子集成方面的研究工作，還是纖基光電子集成方面的研究工作，都必須非常重 視相應的制備工藝問題。工藝往往是制約科學技術發(fā)展的瓶頸。在本項目的總體安排中也充分體現(xiàn)了這一思路?？茖W技術的發(fā)展既有必然性，也有偶然性，某些情況的出現(xiàn)或變化往往是人們難以事先預料的。因此，我們還將在今后的研究工作中不斷補充和更新我們的學術思路。2）技術途徑：圍繞第 1 個科學問題，擬按照如下技術途徑開展工作：—— 在半導體材料的高質(zhì)量異變外延和納異質(zhì)結(jié)構(gòu)制備方面，主體研究工作可分為兩部分，茲分述如下：A. 半導體材料的高質(zhì)量異變外延：我們將采用分子束外延（ MBE）和金屬有機物氣相外延（MOCVD）方法進行材料的外延生長。我們發(fā)現(xiàn)，在提高異變外延層的晶體質(zhì)量各種方法中，橫向外延技術和新型緩沖層技術的具有巨大潛力。與此同時，由于半導體納米線 的纖細結(jié)構(gòu)，極大地降低了外延生長所要求的晶格匹配條件，納米線結(jié)構(gòu)在解決光 電子集成中材料兼容的問題上有著獨特優(yōu)勢。因此結(jié)合納米線結(jié)構(gòu)和橫向外延技術，將為解決光電集成中的材料兼容問題提供一種新思路。我們的創(chuàng)新性技 術路線是一種基于界面納米結(jié)構(gòu)的半導體材料異變外延新方法。該方法已申請 國家發(fā)明專利（申請?zhí)枺?00810161833.0），其要點是通過在襯底上形成特定的無位錯納米結(jié)構(gòu)陣列，然后采用適當材料覆蓋，形成一個特殊的生長平面，最后利用 納米線作為窗口， 進行橫向外延生長，利用材料本身的選擇性協(xié)同生長機制在此平面上生長出高質(zhì)量的所需外延層。此方法有可能帶來高質(zhì)量異變外延技術的突破。與目前的橫向外延工藝相比，由于納米線結(jié)構(gòu)能夠克服外延材料與襯底晶格失配的問題，利用納米線作為橫向外延生長的窗121212口，將能大大提高橫向外延層的晶體質(zhì)量， 為解決光電子集成中的材料兼容問題提供一條新途徑。該方案還克服了現(xiàn)有橫向外延技術的一些其它缺點，如橫向外延需要光刻工藝制備窗口，這會引入雜質(zhì)污染并對后續(xù)外延生長造成影響。此外，就 GaAs/Si 異變外延而言，我們也將采用其它可能的技術路線，如采用（100）面3~6 度偏向方向，（100）面 3~6 度偏向 方向甚至一些高指數(shù)面如（211）面或（511）面作為外延生長面。根據(jù)經(jīng)驗， 該類有微小偏角或特殊高指數(shù)面可以有效的解決反相疇缺陷（該類缺陷是非極性材料上外延極性材料必須克服的技術問題）。在生長過程中，將采用退火和遷移率增強外延（MEE ）以及分步外延等方法，消除反相疇缺陷。我們也將在緩沖層的設計和制備上進行創(chuàng)新， 這是高質(zhì)量異變外延的關鍵之一，也是國外公司專利壟斷的核心點。我們將根據(jù)以往在Sb 化物生長中的 經(jīng)驗，在 Si 襯底上 AlSb 自組織外延技術基礎上，研發(fā)新的 Sb-As 過度式緩沖層結(jié)構(gòu)。另外，將深入研究 Ge/GeSi/Si 緩沖層優(yōu)化設計， 結(jié)合我們的 MBE 技術特點，制備高 質(zhì)量 GaAs 外延膜。一般而言，我們還會在適當?shù)那闆r下結(jié)合熱循環(huán)和快速退火法、應變超晶格緩沖層、 側(cè)向和圖形生長法、 應變補償法、表面活性法等方法進行異變外延。B. 納異 質(zhì)結(jié)構(gòu)制備：我們將深入開展納異質(zhì)結(jié)構(gòu)自組織生長的可控性研究，致力于發(fā)現(xiàn)在不同的生長條件下量子線和量子點自組織生長行為的特點與規(guī)律。譬如，我們發(fā)現(xiàn)了不同直徑的 GaAs 納米線在特定條件下可以實現(xiàn)等高生長，在這一過程中吸附原子擴散的生長機制被有效地抑制；我們還發(fā)現(xiàn) GaAs 納米線在細至 24nm 時仍可以實現(xiàn)無相變生長，即在生 長過 程中保持純閃鋅礦結(jié)構(gòu)。繼續(xù)進行這方面的研究工作有可能導致納光電子集成或高維超晶格結(jié)構(gòu)制備的重要進展。在器件制備方面，我們將把上面剛剛提到的基于界面納米結(jié)構(gòu)的半導體材料異變外延新方法應用于納米線器件的制備。目前納米線器件的制備工藝需要131313將其折斷并平放在襯底上（通常是雜亂堆放），需要用電子束光刻工藝尋找合適的納米線進行光刻加工；這種針對單根納米線的加工工藝無法實現(xiàn)器件批量制備，阻礙了納米線的實用化。我們提出的外延生長方案，將纖細的納米線結(jié)構(gòu)掩埋“固定”在層狀基質(zhì)結(jié)構(gòu)之中，從而與現(xiàn)有半導體工藝兼容，降低了納米線器件的制備難度。我們也將充分利用我們在 GaAs 基長波長量子點激光器研究方面的前期經(jīng)驗，創(chuàng)新設計適于 Si 基的 III-V 族量子點激光器新結(jié)構(gòu)。我們還將利用上述Si 基 GaAs 外延技術，探索制備 Si 基 III-V 族高效太陽能電池器件原型，實現(xiàn)III-V 族材料轉(zhuǎn)換效率高和 Si 襯底廉價兩方面的優(yōu) 點的有機結(jié)合?！?在新型半導體材料系方面，主體研究工作可分為面向光纖通信應用和面向自由空間光通信、瓦斯 監(jiān)測及天基紅外信息獲取等應用兩部分，茲分述如下：A．面向光 纖 通信應用：我 們將繼續(xù)依據(jù)第一性原理，運用 CASTEP 軟件包，進一步從理論上預測可與 GaAs 或 Si 晶格匹配、發(fā)光波長位于光通信長波長波段（1.3μm 、1.55μm）且為直接 帶隙的新型四元系集成光電子材料；我們將針對 III-V 族 B（硼）化物材料系及其它有可能涉及的新型材料系開展研究工作，通 過建立更為完善的半導體材料晶格-能隙關系理論分析模型，提高理論預測的準確性；同時從實驗上研究我們已經(jīng)做出預測的BGaInAs/GaAs、BAlInAs/GaAs、BGaAsSb/GaAs 和 BGaPSb/Si、BInAsP/Si 等含 B III-V 族化合物自身及相關三元系材料的合成問題及其帶隙特性調(diào)控問題，并開展相關的器件驗證工作?？?體看來， 閃鋅礦單晶結(jié)構(gòu)的 III-V 族硼化物生長存在以下主要問題：其一，目前已合成的含硼新材料種類尚少（目前只有BGaAs、BAlAs、BGaP 和 BGaInAs 四種），特別是含 B 四元系材料僅有一種；其二，對于合成的含硼光電子材料的特性表征和分析不夠，特別是 B 組分的精確表141414征和帶隙性質(zhì)的判斷；其三，已合成的硼化物中 B 的并入比很?。壳?MOCVD生長的 BGaAs 中 B 并入比最高僅為 7%左右）；其四，與 GaInNAs(Sb)材料相類似，硼化物的晶體質(zhì)量和光學質(zhì)量隨著 B 并入比增大而 惡化；其五，B 在 III-V 族材料中的并入機理尚不清楚、理論研究與實驗之間結(jié)合得不夠緊密。我們將針對以上這些問題，利用 LP-MOCVD 技術深入開展合成含 B III-V 族化合物的實驗研究，在繼續(xù)使用三乙基硼（TEB）作硼源的同時， 嘗試使用乙硼烷（B 2H6），并加強材料生長機理方面理論與實驗的結(jié)合，以期顯著地提高 B 的并入比，拓展波長，并提高外延層的晶體質(zhì)量。B．面向自由空間光通信、瓦斯監(jiān)測及天基紅外信息 獲取等應用：我們將深入進行含 Sb III-V 族化合物特別是 InAs-GaSbⅡ類超晶格材料的理論預測和設計，采用經(jīng)驗贗勢法計算超晶格材料的能帶結(jié)構(gòu)，通過材料結(jié)構(gòu)體系的創(chuàng)新實現(xiàn)能帶帶階特性、電子空穴波函數(shù)的交疊程度、 應變補償特性的改善，最 終實現(xiàn)材料性能的改善和波長的調(diào)控。我們將通過研究分子束外延（MBE）表面反應動力學與熱力學規(guī)律，獲得異質(zhì)兼容的生長機理和最佳途徑，精確控制材料的合金成份和載流子濃度。在生長 InGaAsSb 或 InGaPSb 窄帶隙半導體材料時，我們將嘗試 In、Ga 等 III 族金屬元素采用固態(tài)源，V 族 Sb、As 元素采用固態(tài)源裂解方法獲得的技術方案（必要時也可以考慮采用 V 族 As 和 P 元素的氣態(tài)源）和 p-型摻雜源采用 Be、n-型摻雜源采用 Te、或采用離子注入的技術方案。通過調(diào)控襯底溫度、V/III 族束流比、III 族 In、Ga 合金束流比例和 V 族 Sb、As/P 束流比例， 獲得所需的高性能外延材料。我們將采用反射高能電子衍射（RHEED）震蕩測量Sb、As 或 P 等各種 V 族元素進入三元系和四元系合金的成分，以獲得最佳生長參數(shù)；將采用原子力顯微鏡、掃描電子顯微鏡、透射電鏡研究材料的位錯等缺陷；將通過高分辨率 X 射線衍射（HRXRD）測量和理論模擬獲得 Sb、As 或 P 的組分；將采用光致發(fā)光、吸收光譜測量材料的帶隙和量子阱的子能級，并與理論設計進行比較；將采用 Hall 效應、電化學 CV 等方法測量載流子的遷移率和濃度等電學特性。這些測量將對“診斷”和提高材料的外延生長質(zhì)量起到重要的作用。圍繞第 2 個科學問題，擬按照如下技術途徑開展工作：—— 在基于半導體環(huán)形功能微結(jié)構(gòu)的器件集成方面，所要考慮的結(jié)構(gòu)設計和制備問題依集成器件或芯片的目標功能而有所差異，茲以多波長半導體微環(huán)激光器和雙穩(wěn)態(tài)半導體微環(huán)激光器為例分述如下：151515A. 對于多波長半導體微環(huán)激光器而言，其主體 結(jié)構(gòu)由多個有源微環(huán)諧振腔和一條與它們相耦合的總線型光波導組成。首先，我 們選擇 InAlGaAs 材料作為量子阱材料，因為該材料限制 載流子的能力強，適合在大電流下工作，有利于提高量子效率和輸出功率。同 時， 為了進一步提高器件的性能，我們擬采用應變量子阱結(jié)構(gòu)， 這樣可以使得價 帶簡并度降低， 態(tài)密度減小，從而達到閾值電流降低、線寬變窄、 調(diào)制寬度變大的目的。我們需要從應變量子阱能帶結(jié)構(gòu)入手， 結(jié)合對環(huán)形激光器的物理特性的分析，進行材料外延層結(jié)構(gòu)設計，通過制備條形脊波導激光器并測試其 P-I 輸出特性及激射光譜特性，驗證 材料性能，實現(xiàn)材料結(jié)構(gòu)的優(yōu)化；考慮到總線型光波導和微環(huán)結(jié)構(gòu)各自所需制作工藝與常規(guī)工藝的兼容性以及耦合間距控制的精確性， 總線型光波導最終會采用與微環(huán)結(jié)構(gòu)異層的方案（采用該方案可以將耦合間距通過材料生長或淀積的方式精確控制到埃的量級），波導與微環(huán)結(jié)構(gòu)之間以垂直耦合的方式相耦合，但考慮到目前該結(jié)構(gòu)尚難以單片制作，故研制初期宜采用同層、橫向耦合方案；然后，我 們需要綜合考慮微環(huán)與總線型光波導之間的耦合效率及微環(huán)內(nèi)部的損耗等因素，在標準圓環(huán)微結(jié)構(gòu)和跑道形微環(huán)等不同的微環(huán)形狀中選擇最佳的形狀，根據(jù)輸出波長的具體要求設計多波長環(huán)形激光器陣列，結(jié) 合我們制備單環(huán)激光器的基礎和經(jīng)驗，設計優(yōu)化多波長半導體激光器的制備工藝，并針對關鍵工藝進行攻關，最后制備出達到預期指標的器件。B. 對于雙穩(wěn)態(tài)半導體微環(huán)激光器而言，首先需要建立相應的理論模型，著重分析和研究在高速率條件下器件的動態(tài)特性以及器件材料參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)對于器件性能的影響；然后，研究半導體環(huán)形激光器雙穩(wěn)態(tài)產(chǎn)生的機理及全光RAM 的最佳器件結(jié)構(gòu)方案。 擬選擇的器件結(jié)構(gòu)包括：三角形波 導、 單圓形波導、161616雙圓形波導和橢圓波導四種結(jié)構(gòu)，在這些結(jié)構(gòu)中，找出一到兩種適合于全光RAM 的波導結(jié)構(gòu)。半導體 環(huán)形激光器制成后需進行相關特性的 測量，如器件雙穩(wěn)態(tài) L－I 特性以及 順時針 旋轉(zhuǎn)（CW）和逆時針旋轉(zhuǎn)（CCW）光在不同電流條件下的光譜分布等，以便提取相關參數(shù)，建立 CW 和 CCW 兩種模式光的線性和非線性相互作用的物理模型，進而建立全面系統(tǒng)的半導體環(huán)形激光器光學雙穩(wěn)態(tài)理論模型。繼之，通過與上述多波長半導體微環(huán)激光器類似的技術路線研制出高性能雙穩(wěn)態(tài)半導體微環(huán)激光器及全光信號隨機存儲器芯片?！?在其余形式的光子集成（PIC）芯片及其功能微結(jié)構(gòu)設計制備方面，擬首先研究大規(guī)模 PIC/OEIC 單片集成器件各功能單元的理論模型，建立適合的數(shù)值模擬和仿真設計方法，較為 全面地開展單片集成器件的光學、電學和熱特性等方面的數(shù)值模擬與仿真設計， 為實際加工制造提供理論指導和依據(jù)；然后，深入開展同一個襯底片上生長多種不同帶隙波長材料的工藝技術研究，掌握用于制作不同功能結(jié)構(gòu)單元的高質(zhì)量、高可靠的材料制備工藝和連接技術，解決大規(guī)模、多功能 PIC/OEIC 單片集成器件的材料兼容性問題；同步進行各種基元功能微結(jié)構(gòu)集成的物理極限以及結(jié)構(gòu)工藝兼容等基礎問題研究，為縱向多功能集成的擴展與橫向集成規(guī)模的提高提供切實可行的解決途徑與實現(xiàn)方法；系統(tǒng)全面地研究特殊基元功能微結(jié)構(gòu)對光偏振狀態(tài)的影響機理，找到集成光電子器件中光偏振調(diào)控的關鍵工藝與實現(xiàn)途徑， 積極探索相關基元功能微結(jié)構(gòu)在集成光電子器件中的應用；在上述研究成果基礎上，成功研制相關典型器件，解決困擾國內(nèi)集成光電子器件產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸問題?！?在單片光電集成（OEIC）光接收機芯片方面，為確保高速性能，擬選取波導 PIN 探測器與 InP HBT 單片集成方案（WG－ PIN－PD／InP HBT）為主體方171717案，精心設計 WG-PIN-PD/InGaAs/InP HBT 共享外延材料結(jié)構(gòu)，保證兩類器件均具有較好的性能，利用 Zn 擴散工藝， 實現(xiàn)發(fā)射極部 N-InP 材料轉(zhuǎn)變?yōu)?P－InP 材料。在工藝制作方面，重點針對 HBT 發(fā)射極－基極自對準工藝、各個電極的低歐姆接觸層工藝、ICP 脊形波導刻蝕工藝、Zn 擴散控制工 藝、以及介 質(zhì)鈍化工藝等關鍵工藝進行攻關，實現(xiàn)工藝步驟的統(tǒng)籌兼容， 實現(xiàn)工藝條件的優(yōu)化；在器件芯片幾何結(jié)構(gòu)和版圖方面，優(yōu)化芯片尺寸，盡量 縮減芯片面積，合理布局，減少寄生效應，并使 WG-PIN-PD 與跨阻放大器的輸入端盡可能地靠近，以減少各種寄生參數(shù)。最終實現(xiàn)預期的器件和性能。 圍繞第 3 個科學問題，擬按照如下技術途徑開展工作：—— 在微結(jié)構(gòu)光纖中的超快光子學效應與光子行為調(diào)控方面，主體研究工作可分為兩部分，茲分述如下：A. 高功率、高重復率、多波段的微結(jié)構(gòu)光纖飛秒激光系統(tǒng)：首先，采用高摻雜、低損 耗、大模場面積、雙包覆的微 結(jié)構(gòu)光纖和高功率 LD 泵浦，提高微結(jié)構(gòu)光纖飛秒激光器振蕩級和放大級的運轉(zhuǎn)功率；其次，采用具有不同色散的微結(jié)構(gòu)光纖構(gòu)成“色散管理 ”、“自相似 ”和“全正色散”腔型以及它 們混合作用的激光系統(tǒng)，并研究獲得高功率的運轉(zhuǎn)及壓縮條件、優(yōu)化參數(shù)和工作穩(wěn)定性；最后通過多級放大實現(xiàn)百飛秒量級、近百瓦功率的輸出。在以上工作基礎上，通 過多芯高非線性微結(jié)構(gòu)光纖和相干合成技術實現(xiàn)高效率、高功率的 V 波段頻率變換；采用多級頻率變換技術實現(xiàn)高功率紫外波段運轉(zhuǎn)。B. 微結(jié) 構(gòu)光纖糾纏光子源：首先，采用 項目組已掌握的微 結(jié)構(gòu)光纖理論分析方法，結(jié) 合矢量四光子散射理 論分析高非線性微結(jié)構(gòu)光纖獨特的光學特性以及各種物理因素對參量四光子散射過程的影響，進而設計出關聯(lián)/偏振糾纏光子對181818產(chǎn)生所需的微結(jié)構(gòu)光纖結(jié)構(gòu)。其次，搭建關聯(lián)/偏振糾纏光子對產(chǎn)生的實驗系統(tǒng)，根據(jù)微結(jié)構(gòu)光纖存在色散零點波動和本征雙折射的特點，優(yōu)選具有一定的波長調(diào)諧和偏振控制的功能的泵浦和濾波系統(tǒng)；探測器選用 InGaAsP/InP APD 或 Si APD 模塊，其探測窗口與待測光子采用殘余泵浦光脈沖進行時間同步。第三，針對量子通信對高效率，低噪聲關聯(lián)/偏振糾纏光子對 源的需求，理論和實驗研究微結(jié)構(gòu)光纖中三階非線性光學大波長跨度參量熒光的產(chǎn)生及其高效率、低噪聲的關聯(lián)/偏振糾纏光子對產(chǎn)生的特性。最后，綜合考慮光纖色散設計、參量相位匹配過程分析和實驗系統(tǒng)設計等因素，實驗研究實現(xiàn)大波長跨度關聯(lián)光子對源的可行方案，分析各種物理因素對大波長跨度關聯(lián)光子對產(chǎn)生特性的影響，總結(jié)并提升器件的性能?！?在纖基光電子集成的基本途徑與方法方面，主體研究工作可分為四部分，茲分述如下：A. 基于多芯集成式微結(jié)構(gòu)光纖的超寬光譜光源和多波長激光器：擬將摻Y(jié)b3+、摻 Er3+、摻 Tm3+等稀土離子的光纖集成在一起，由于它們的泵浦波長、泵浦功率相近，可利用同一寬帶 光源進行泵浦， 實現(xiàn)幾個波長激光的同時輸出，然后使用光柵選頻，形成多波 長光纖激光器。利用具有不同非線性效應的材料制成微結(jié)構(gòu)光纖的纖芯，把多根 纖芯集成在一起，利用高強度脈沖激光激發(fā)產(chǎn)生多芯超連續(xù)光譜的疊加，從而將 輸出的光譜寬度擴展為紫外到中紅外波長范圍，成為超寬光譜光源。通過摻雜一些非線性碲酸鹽材料，制備具有不同非線性的纖芯。通過改變摻雜材料的種類（例如摻碲，硼，鈦，氟以及稀土氧化物等）、摻雜濃度以及纖芯尺寸等調(diào)節(jié)進入纖芯的激光功率，實現(xiàn)輸出的超連續(xù)譜寬度的變化。具體制備方法如下：以超微尺度的 SiO2 材料為基質(zhì)，利用基質(zhì)的超微尺度解決摻雜介質(zhì)對泵浦光具有大的吸收截面；采用溶液法摻雜解決被摻雜介質(zhì)的均勻分布；191919采用熔融、氣煉兩步法解決氣泡問題。最后，對摻雜 材料進行物理參數(shù)和吸收光譜及熒光強度檢測，再按照微結(jié)構(gòu)光纖預制棒的要求，制備出合格的玻璃棒狀材料。B. 微結(jié)構(gòu)光纖與半導體材料及其它相關功能材料的組裝：關于功能材料與微結(jié)構(gòu)光纖的組裝或沉積技術，擬采用以下兩種方式：其一，利用化學汽相等直接沉積的方式實現(xiàn)功能材料與微結(jié)構(gòu)光纖的有機結(jié)合；其二，采用“ 先制備、后組裝”的方式。將要 組裝的功能材料溶解在特定溶液中或直接 選擇液相材料，然后再注入到微結(jié)構(gòu)光纖中，如果需要選擇性的注入到微結(jié)構(gòu)光纖的特定空氣孔和光學通道中，還要對微結(jié)構(gòu)端面首先進行預處理，將不需要組裝液體的空氣孔堵上。利用毛細、加壓或減壓的方式注入到微結(jié)構(gòu)光纖 中，然后再根據(jù)需要， 進行干燥處理，在溶劑揮發(fā)過程中，通過表面效應和靜電 作用使功能材料均勻附著在微結(jié)構(gòu)光纖的內(nèi)壁上。在功能材料的選擇及相關光電子功能器件的制備方面，我們提出了兩種方案：第一個方案是將半導體量子點、量子線材料組裝至微結(jié)構(gòu)光纖中。通 過精心設計微結(jié)構(gòu)光 纖結(jié)構(gòu)和選擇量子點發(fā)光材料可以實現(xiàn)更多波段（尤其是目前普通光纖激光器和放大器不可能實現(xiàn)的波段，如可見光波段及中紅外波段等）的激光及放大輸出。第二個方案是將不同的功能材料，如電光、非 線性、熱光、磁光和聲光等特性的功能材料組裝到特殊設計的微結(jié)構(gòu)光纖中，通過施加外加物理量改變功能材料的有效折射率，實現(xiàn)微結(jié)構(gòu)光纖傳導機制和特性的調(diào)諧和控制，進而實現(xiàn)基于電 、熱、光或磁控制的可 調(diào)諧 的新型光纖光電子功能器件。通過 深入研究微結(jié)構(gòu)光 纖與功能材料組裝前后，微結(jié)構(gòu)光纖的光學特性的變化行為；微結(jié)構(gòu)光纖的傳導特性與功能材料尺度、能級躍遷、電子帶隙、自 發(fā)和受激輻射等特性的相互作用與相互影響等問題；微結(jié)構(gòu)光纖傳導特性的調(diào)控機制、調(diào)控方式、調(diào)控裝置實現(xiàn)等等，最后揭示功能材料組 裝微結(jié)構(gòu)中光子和電子的量202020子動力學行為及其調(diào)控機理，并最終研制出基于功能材料組裝微結(jié)構(gòu)光纖的新型的光電子功能器件。C. 功能微結(jié)構(gòu)光纖中的模式耦合、模式控制機理及新型光電子功能器件：我們重點研究光子帶隙光纖、多芯微結(jié)構(gòu)光纖和微結(jié)構(gòu)多維光纖光柵三種功能微結(jié)構(gòu)光纖。其一， 對于光子帶隙光纖的研究，主要 針對 四種具有特殊應用價值的帶隙光纖：空芯光子帶隙光纖、全固光子帶隙光纖和填充實心光子帶隙光纖、混合傳導機制的光子晶體光纖四種結(jié)構(gòu)，通過深入研究不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對模式傳導及模式耦合特性的影響，揭示其傳導機理，探索其中的新問題、新 現(xiàn)象和新結(jié)構(gòu)，以及可能產(chǎn)生的新應用。其二，提出并研究具有新穎 耦合特性的多芯微結(jié)構(gòu)光纖，并將多芯微結(jié)構(gòu)光纖耦合特性與功能材料填充及組裝技術、光纖光柵寫入技術以及光纖激光器等技術相結(jié)合，探索集成多種功能特性的光電子集成器件實現(xiàn)的可能性。其三，對于微結(jié)構(gòu)多維光纖光柵的研究，主要是在現(xiàn)有紫外側(cè)寫光纖光柵寫入技術和二氧化碳激光器通過應力釋放機理寫制光纖光柵的技術基礎上，開發(fā)在不同類型微結(jié)構(gòu)上寫制多維光纖光柵的技術和手段，深入探索不同光柵寫制條件對微結(jié)構(gòu)光纖傳導特性和模式諧振特性的影響，提高寫制技術。設計并寫制出具有特殊諧振效應的新型多維微結(jié)構(gòu)光纖光柵，并探索其可能的應用；以在不同微結(jié)構(gòu)光纖的不同位置上寫制光纖光柵作為研究復雜微結(jié)構(gòu)光纖的模式特性、模式耦合特性、進而實現(xiàn)模式控制的主要手段，探索 實現(xiàn)微結(jié)構(gòu)光纖中特定模式耦合和模式控制的機理和技術等諸多科學問題；并根據(jù)其中的新現(xiàn)象和新機理研制基于模式耦合和模式控制的新型光電子功能器件。D. 半導 體－聚合物基 Bragg 光纖：首先，采用 項目組已掌握的微結(jié)構(gòu)光纖理論分析方法，研究空心 Bragg 光纖中各分立模式的模 場分布、截止特性及損耗等212121傳輸特性和纖芯中光場與氣體物質(zhì)相互作用的物理規(guī)律，進而優(yōu)化用于高靈敏度氣體檢測的中紅外空心 Bragg 光纖的結(jié)構(gòu)設計。其次，建立和完善半導體－聚合物基 Bragg 光纖的制備 工藝平臺，具體制 備流程 為：先在聚合物 PEI 薄膜上大面積均勻蒸鍍 As2Se3 膜層，將制成的 As2Se3- PEI 雙層薄膜在玻璃芯棒上卷成多層圓筒后燒結(jié)固化，再用 HF 酸腐蝕去除玻璃芯棒即成空心 預制棒，利用自行建立的半導體玻璃－聚合物光纖預制棒的拉絲設備對預制棒進行拉絲。在此基礎上，研制中紅外半導體－聚合物空心 Bragg 光纖樣 品，并進一步探索半導體－聚合物－金屬材料“ 異質(zhì)兼容 ”的新型 MSF 光纖結(jié)構(gòu)和制 備工藝。最后，用干涉 顯微鏡和掃描電鏡觀測光纖截面形貌，鑒定截面層疊周期結(jié)構(gòu)的單元尺寸、均勻性、同心度以及缺陷（如塌陷、剝離等）情況。用傅立葉變換紅外光譜儀和損耗譜儀測量空心 Bragg 光纖的傳輸 光譜、傳輸損耗、彎曲損耗及其傳輸帶寬，以鑒別其全向反射限制導光機制，并論證其中紅外激光傳輸和傳感的應用。圍繞第 4 個科學問題，擬按照如下技術途徑開展工作：—— 在微結(jié)構(gòu)光纖的先進設計與精確制備方法方面，我們擬先從理論上對微結(jié)構(gòu)光纖的基本特性進行分析，設計出對光纖波導結(jié)構(gòu)參數(shù)不敏感的魯棒性波導結(jié)構(gòu)，從而能夠切合生 產(chǎn)的實際工藝條件。建立微結(jié)構(gòu)光纖的動力學形成模型，實現(xiàn) 微結(jié)構(gòu)光纖的多樣 化制備體系和精確制備工藝，著重進行如下幾方面的研究：其一，從 Navier–Stokes 流體力學方程出發(fā)，研究“單根” 石英毛細管高溫熔融體的形變機制，構(gòu)建空氣微孔高溫熔融的形變動力學模型，探索微結(jié)構(gòu)光纖中空氣微孔形狀可靠實現(xiàn)的物理方法；其二，在此基礎上，由簡單到復雜，研究 “多根”石英毛細 管“ 集成體復合材料 ”的高溫熔體行為，研究其相互作用與牽制的流變特性，構(gòu)建集成熔融體的 動力學形變模型；其三，研究石英毛細管－空氣復合222222集成體在高溫下的熱力學特性，研究毛細管內(nèi)部、毛細管之間的輻射與傳導作用對空氣微孔變形的影響，構(gòu)建復合集成體的熱力學模型。接著，研究拉 絲運動狀態(tài)下，微結(jié)構(gòu)集成體的力學狀態(tài)，包括：拉 絲牽引形成的縱向拉力與剪切力、表面張力、空氣壓強、拉絲爐體中氣流作用力等各種外力對集成體運動機制的影響；探索影響微結(jié)構(gòu)光纖從一種結(jié)構(gòu)狀態(tài)向另一種結(jié)構(gòu)狀態(tài)的主導因素參量，著重研究出高溫復合材料熔融體的粘度、毛細管內(nèi)外的壓力、晶格點陣結(jié)構(gòu)、運 動時間、拉絲張力等對微結(jié)構(gòu)光纖拉制的影響；構(gòu)建對應的控制設備與控制系統(tǒng)，從而形成微結(jié)構(gòu)光纖精確制備的控制方法與工藝方法。待微結(jié)構(gòu)光纖拉制出來之后，即進行測試與性能評價，并對比與理論仿真之間的差距，然后 糾正理論設計。進行二次理論設計，再次進行光纖制造，光 纖合格后，穩(wěn)定工藝和完善設計軟件，進行批量生產(chǎn)，提供光纖給協(xié)作單位， 進行光電子原型器件的研究。最后，通過將微結(jié)構(gòu)光纖工藝制造的研究與在實際推廣應用的研究緊密結(jié)合，推進微結(jié)構(gòu)光纖結(jié)構(gòu)功能的標準化。3) 創(chuàng)新點與特色：概括起來，本項目的主要創(chuàng)新點如下：（1）一種基于界面納米結(jié)構(gòu)的半導體材料異變外延新方法。高質(zhì)量大失配異變外延既是實現(xiàn)多功能、多波段、大規(guī)模半導體光電子集成必須解決的重大課題，又在降低光電子器件成本和提升器件實用價值方面具有普遍意義。本方法的思路是在上一期 973 項目實施中產(chǎn)生的，已申請國家發(fā)明專利（申請?zhí)枺?00810161833.0），其要點是通過在襯底上形成特定的無位錯納米結(jié)構(gòu)陣列，然后采用適當材料覆蓋，形成一個特殊的生 長平面，最后利用 納米線作為窗口， 進行橫向外延生長 ，利用材料本身的 選擇性 協(xié)同生長機制在此平面上生長出高質(zhì)量的所需外延層。此方法將納米線結(jié)構(gòu)和橫向外延技術有機地結(jié)合了起來，并克服了現(xiàn)有橫向外延技術的一些缺陷，有可能帶來高質(zhì)量異變外延技術的突破。此工作必然涉及到納異質(zhì)結(jié)構(gòu)自組織生長的可控性這一世界性研究熱點，存在著巨大的創(chuàng)新空間 （反映我們這方面研究工作最新進展的一篇論文已于2009 年 6 月在 Nano 2009 國際會議上發(fā)表）。 這方面的研究工作還有可能導致納光電子集成或高維超晶格結(jié)構(gòu)制備的重大進展。（2）GaAs 基和 Si 基含 B III-V 族化合物材料系的性能預測與材料合成。232323如同 GaAlAs/GaAs 和 InGaAsP/InP 材料系對半導體光電子器件發(fā)展所產(chǎn)生的巨大作用一樣，工作波長處 于光通信長波長波段的 GaAs 基或 Si 基 III-V 族化合物有可能對光電子集成的發(fā)展作出重要貢獻。本項目組從承擔上一期 973 項目開始致力于這方面的研究工作，理論預測了若干種含 B 的 III-V 族四元系化合物，并取得了有意義的初步 實驗結(jié)果。本 項目組首席科學家曾因這一工作受到阿爾費羅夫院士的邀請，在 Nano 2008 國際會議上作了大會特邀報告。進一步的研究工作有可能取得較大的突破。我們的研究范圍有可能不局限于含 B 材料系，遵循同樣的創(chuàng)新思路和研究方法，我們有可能觸及其它也許更有發(fā)展前景的新材料或事實表明非常有必要研究的新材料（包括某些超晶格材料）。（3）半導體光電子集成基元功能微結(jié)構(gòu)及其工藝實現(xiàn)。本項目擬重點研究的半導體光電子集成基元功能微結(jié)構(gòu)包括半導體環(huán)形微結(jié)構(gòu)、“ 同材料系異帶隙”級聯(lián)波導結(jié)構(gòu)、越層波導耦合微結(jié)構(gòu)等。上一期 973 項目已經(jīng)成功地實現(xiàn)了半導體微環(huán)激光器的激射，但半導體環(huán)形微結(jié)構(gòu)光電子器件自身性能的提升及其潛在集成優(yōu)勢的發(fā)揮，還有待我們對其器件物理、結(jié)構(gòu)設計和制備工藝進行深入的研究；“同材料系異帶隙”級聯(lián)波導結(jié)構(gòu)的研究則主要集中在其實現(xiàn)工藝上，目前采用的工藝主要有分次外延對接（Butt-Joint）、量子阱混雜（QWI ）和選擇區(qū)域生長 （SAG）等，這些工藝各有 優(yōu)劣，上一期 973 項目主要在分次外延對接工藝上取得了進展（基于該工藝研制成功了可調(diào)諧單片集成半導體激光器），但進一步的工藝創(chuàng) 新仍有必要；越層波導耦合微結(jié)構(gòu)的基礎是楔形功能微結(jié)構(gòu)， 上一期 973 項目 在楔形功能微結(jié)構(gòu)的制備及應用上取得了原創(chuàng)性成果，本期擬進一步研究越層 波導耦合微結(jié)構(gòu)的設計與制備并有所創(chuàng)新。本項目組首席科學家曾因多年來在功能微結(jié)構(gòu)及相關器件方面的探索性研究受阿爾費羅242424夫院士