【基金標(biāo)書】2010CB327600-超高頻、大功率化合物半導(dǎo)體器件與集成技術(shù)基礎(chǔ)研究

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111項(xiàng)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(chǔ)研究首席科學(xué)家： 任曉敏 北京郵電大學(xué)起止年限： 2010年 1月-2014 年 8月依托部門： 教育部222一、研究?jī)?nèi)容擬解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)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(zhǎng)的條件及機(jī)理。異質(zhì)兼容以及相關(guān)的工藝兼容問(wèn)題是實(shí)現(xiàn)光電子集成所需解決的最基本的問(wèn)題之一。 對(duì)于半導(dǎo)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(zhǎng)中引入異變緩沖層的作用和機(jī)理；（2）與特定襯底嚴(yán)格晶格匹配的滿足特定應(yīng)用需求（如光通信、光信息獲取等）的晶格- 能隙適配新型半導(dǎo)體材料系的預(yù)測(cè)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(dǎo)層內(nèi)不同部位之 間的異帶隙兼容問(wèn)題，也常常被歸結(jié)為結(jié)構(gòu)兼容問(wèn)題，故不在此描述。這些問(wèn)題 涉及到物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)與特性以及材料生長(zhǎng)的動(dòng)力學(xué)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(yīng)相關(guān) 應(yīng)用的需求，也 許有必要將其波段拓展到中遠(yuǎn)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(yuǎn)紅外大氣窗口拓展；同時(shí)，中 遠(yuǎn)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(wèn)題。2. 光電子集成器件中重要基元功能微結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)途徑、形成機(jī)理與體系構(gòu)建。結(jié)構(gòu)兼容以及相關(guān)的工藝兼容問(wèn)題也是實(shí)現(xiàn)光電子集成所需解決的最基本的問(wèn)題之一。對(duì)于半導(dǎo)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(jiǎn)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(yīng)該在數(shù)量上是“ 最小化 ”的、而在工藝上又是相互兼容的?；仡櫸㈦娮蛹?33成的發(fā)展歷程，正是基于擴(kuò)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(mèng)想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。最 終解決半導(dǎo)體光電子集成的結(jié)構(gòu)兼容問(wèn)題必須發(fā)展類似微環(huán)結(jié)構(gòu)、越層波導(dǎo)結(jié)構(gòu)、“ 同材料系異帶隙”級(jí)聯(lián)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)等新型關(guān)鍵功能微結(jié)構(gòu)及其兼容制備工藝；同時(shí)，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(jìn)展。譬如，基于自組織納異質(zhì)結(jié)構(gòu)的新型半導(dǎo)體光電子及電子器件有可能導(dǎo)致納米尺度的半導(dǎo)體光電子集成。這一問(wèn)題是自然界對(duì)人類智慧的又一次重大考驗(yàn)。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(shí)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(wèn)題。我們需要探索微 結(jié)構(gòu)光纖與半導(dǎo)體材料及其它相關(guān)功能材料（包括量子線、量子點(diǎn)及各種納米顆 粒）的有機(jī)結(jié)合問(wèn)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(zhǎng)；我們還需要尋找一系列橫向并行或縱向串行的光電子學(xué)及電子學(xué)功能結(jié)構(gòu)，使其構(gòu)成一個(gè)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(lái)。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(jī)理、光子行為調(diào)控的新方法以及相關(guān)的器件物理機(jī)制均有可能引發(fā)纖基光電子集成的某些突破，其 應(yīng)用波段也在拓展。 這些都會(huì)給我們帶來(lái)新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。4. 微結(jié)構(gòu)光纖制備中的動(dòng)力學(xué)機(jī)制與精確控制方法。微結(jié)構(gòu)光纖的精確制備問(wèn)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(shí)際結(jié)構(gòu)與預(yù)先設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)高度吻合相當(dāng)困難。國(guó)際上還沒(méi)有任何一個(gè)研究組或企業(yè)完全解決了這個(gè)問(wèn)題。我們444所要分析和處理的是由多根石英毛細(xì)管集成的“復(fù)合材料體” 在高溫熔融狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)形變行為，涉及到材料粘度受力等多因素介入的復(fù)雜流體動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，特別涉及到石英毛細(xì)管內(nèi)部以及毛細(xì)管之間的熱輻射與熱傳導(dǎo)作用對(duì)空氣微孔變形的影響問(wèn)題。這一問(wèn)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(jìn)一步發(fā)展的基本保證。主要研究?jī)?nèi)容包括：圍繞第 1 個(gè)科學(xué)問(wèn)題，擬開展如下工作：—— 在半導(dǎo)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(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利的一項(xiàng)技術(shù)以及其它相關(guān)工藝的基礎(chǔ)上，在 Si 襯底上分別生長(zhǎng) GaAs 和 InP 外延層材料，研究 進(jìn)一步提高異變外延 層質(zhì)量、降低位錯(cuò)密度的方法，進(jìn) 而作為對(duì)材料質(zhì)量的 驗(yàn)證，研制 Si 基 InP 材料系 1.55μm 半導(dǎo)體激光器和 1.1~1.3μm InAs/GaAs 量子點(diǎn)激光器。同時(shí)，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(jìn)一步研究 III-V 族半導(dǎo)體納米線的制備工藝；我們將面向未來(lái)納米光電子器件的制備，研究在不同的生長(zhǎng)條件下量子線和量子點(diǎn)自組織生長(zhǎng)行為的特點(diǎn)與規(guī)律。我們將進(jìn)一步研究 InP/GaAs 高質(zhì)量異變外延技術(shù)，并研制具有 漸變緩沖層結(jié)構(gòu)的 GaAs 基量子點(diǎn)異質(zhì)結(jié)構(gòu)；研究GaSb/GaAs 高 質(zhì)量異變外延技術(shù)，并完成相關(guān)器件驗(yàn)證?！?在新型半導(dǎo)體材料系方面，我們將面向光纖通信應(yīng)用，在上一期 973項(xiàng)目相應(yīng)工作的基礎(chǔ)上，進(jìn) 一步從理論上預(yù)測(cè)可與 GaAs 或 Si 晶格匹配、發(fā)光波長(zhǎng)位于光通信長(zhǎng)波長(zhǎng)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(duì) 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(guò)建立更 為完善的半導(dǎo)體材料晶格-能隙關(guān)系理論分析模型，提高理論預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性；從實(shí)驗(yàn)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(guān)三元系材料的合成問(wèn)題及其帶隙特性調(diào)控問(wèn)題，并開展相關(guān)的器件驗(yàn)證工作；同時(shí)，我們將面向自由空間光通信、瓦斯監(jiān)測(cè)及天基紅外信息獲取等方面的應(yīng)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(shù)）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(cè)器和 14μm 以上波段的紅外探測(cè)器。圍繞第 2 個(gè)科學(xué)問(wèn)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(diǎn)研究的半導(dǎo)體光電子集成基元功能微結(jié)構(gòu)包括半導(dǎo)體環(huán)形微結(jié)構(gòu)、“同材料系異 帶隙”級(jí)聯(lián)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)、越層波導(dǎo)耦合微結(jié)構(gòu)等。上一期 973 項(xiàng)目已經(jīng)成功地實(shí)現(xiàn)了半導(dǎo)體微環(huán)激光器的激射，但半導(dǎo)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(shì)的發(fā)揮，還有待我們對(duì)其器件物理、 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制備工藝進(jìn)行深入的研究；“ 同材料系異帶隙”級(jí)聯(lián)波導(dǎo)結(jié) 構(gòu)的研究則 主要集中在其實(shí)現(xiàn)工藝 上，我 們將對(duì)分次外延對(duì)接（Butt-Joint）、量子阱混 雜（ QWI）和選擇區(qū)域生長(zhǎng)（SAG）等工藝進(jìn)行深入的比較研究，以做出進(jìn)一步的工藝創(chuàng) 新；越層波導(dǎo)耦合微結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)是我們熟悉的楔形功能微結(jié)構(gòu)，因此我們的研究重點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)其高效率耦合的問(wèn)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(jìn)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(dǎo)體微環(huán)結(jié)構(gòu)的多波長(zhǎng)收發(fā)光子集成芯片和可尋址半導(dǎo)體微環(huán)全光信號(hào)隨機(jī)存儲(chǔ)器；研制以可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器為光源的 InP 基單片光子集成（ PIC）波分復(fù)用光發(fā)射機(jī)；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(jìn)一步研究 InP 基長(zhǎng)波 長(zhǎng) 10Gb/s 單片集成 OEIC 光接收機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)。圍繞第 3 個(gè)科學(xué)問(wèn)題，擬開展如下工作：—— 在微結(jié)構(gòu)光纖中的超快光子學(xué)效應(yīng)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(fù)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(xué)大波長(zhǎng)跨度參量熒光的產(chǎn)生及其用作高效率、低噪聲關(guān)聯(lián)/ 偏振糾纏光子對(duì)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(jī)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(shí)現(xiàn)“ 異質(zhì)兼容”微結(jié)構(gòu)光纖為目標(biāo)，探索新型半導(dǎo) 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(shí)現(xiàn)復(fù)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(shù)方法，以獲得不同波長(zhǎng)激光的同時(shí)輸出；研究微結(jié)構(gòu)光纖中半導(dǎo)體材料及其它相關(guān)功能材料（包括量子線、量子點(diǎn)及各種納米顆粒等）的組裝、摻雜、填充、沉積等關(guān) 鍵工藝和相應(yīng)的改性、增敏機(jī)理，研制基于此技術(shù)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(shù)難于實(shí)現(xiàn)的可見(jiàn)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(yùn)動(dòng)學(xué)及其量子動(dòng)力學(xué)行為及調(diào)控機(jī)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(gè)科學(xué)問(wèn)題，擬開展如下工作：—— 在微結(jié)構(gòu)光纖的先進(jìn)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)；建立和完善具有自主知 識(shí)產(chǎn)權(quán)的微結(jié)構(gòu)光纖設(shè)計(jì)和分析軟件；研究微結(jié)構(gòu)光纖制備中的動(dòng)力學(xué)機(jī)制；通過(guò)自主創(chuàng)新，發(fā)展和完善微結(jié)構(gòu)光纖設(shè)計(jì)技術(shù)、拉制工藝和產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)，形成一整套穩(wěn)定的微結(jié)構(gòu)光纖制造工藝技術(shù)；通過(guò)將微結(jié)構(gòu)光纖設(shè)計(jì)方法的研究與實(shí)際拉制工藝的研究緊密結(jié)合，實(shí)現(xiàn)適合于國(guó)內(nèi)企業(yè)現(xiàn)有設(shè)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(guó)內(nèi)微結(jié)構(gòu)光纖及器件的最終商用化奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)；通過(guò)將微結(jié)構(gòu)光纖工藝制造的研究與在實(shí)際推廣應(yīng)用的研究緊密結(jié)合，推進(jìn)微結(jié)構(gòu)光纖結(jié)構(gòu)功能的標(biāo)準(zhǔn)化，帶動(dòng)相關(guān)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(shù)生長(zhǎng)點(diǎn)。777二、預(yù)期目標(biāo)本項(xiàng)目的總體目標(biāo)：本項(xiàng)目的總體目標(biāo)為：在既定關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題的解決上取得突破性的理論和實(shí)驗(yàn)進(jìn)展，深化“ 半導(dǎo)體光電子學(xué)”與“光纖光子學(xué)” 之 間的交叉融合；通過(guò)材料、結(jié)構(gòu)、工藝和器件的創(chuàng)新，形成具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的多功能、多波段、大 規(guī)模半導(dǎo)體光電子集成核心技術(shù)，創(chuàng)建纖 基光電子集成的基本工藝體系，進(jìn)一步掌握微結(jié)構(gòu)光纖的先進(jìn)設(shè)計(jì)方法和精確制備技術(shù)，研制成功一批具有國(guó)際先進(jìn)水平的半導(dǎo)體及纖基光電子集成典型芯片與器件；使我國(guó)在光電子集成器件與系統(tǒng)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中贏得較大的戰(zhàn)略優(yōu)勢(shì)，為 我國(guó)信息基礎(chǔ)設(shè)施和電子信息產(chǎn)業(yè)水平的全面升級(jí)開辟道路，推動(dòng)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展，提升國(guó)家安全保障能力，并帶動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步。五年預(yù)期目標(biāo)：—— 在半導(dǎo)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(chǔ)。突破高質(zhì)量異變外延技術(shù)，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(guān)工藝，在 Si 襯底上分別生長(zhǎng)出器件級(jí)的 GaAs 和 InP 外延層材料，使其位 錯(cuò)密度降低到 105 cm-2 量級(jí)，實(shí)現(xiàn) Si基 InP 材料系 1.55μm 半導(dǎo)體激光器室溫連續(xù)激射，并在器件質(zhì)量上趕超國(guó)際最好水平；采用此種 GaAs/Si 異變外延技術(shù)，在 Si 襯底上研制成功 1.1~1.3μm 室溫連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的 InAs/GaAs 量子點(diǎn)激光器。同 時(shí)，在 III-V 族半導(dǎo)體納米線的制備上取得重要進(jìn)展，并將之應(yīng)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(shù)應(yīng)用于具有漸變緩沖層結(jié)構(gòu)的 GaAs 基量子點(diǎn)異質(zhì)結(jié)構(gòu)的制備；實(shí)現(xiàn) GaSb/GaAs 高質(zhì)量異變外延生長(zhǎng)，并完成相關(guān)器件驗(yàn)證 。—— 在新型半導(dǎo)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(chǔ)。 建立更為完善的半 導(dǎo)體材料晶格-能隙關(guān)系理論分析模型，深化對(duì)其生長(zhǎng)機(jī)理的認(rèn)識(shí)。面向光纖通信 應(yīng)用， 針對(duì)與 GaAs 襯 底和 Si 襯底晶格匹配的、 帶隙對(duì)應(yīng)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(jià)值的理論預(yù)測(cè)和實(shí)驗(yàn)制備結(jié)果（上一期 973 項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)的最佳波長(zhǎng)數(shù)據(jù)為 1.24μm）。從實(shí)驗(yàn)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(guān)三元系材料基本性能的科學(xué)實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)的晶格-能隙適配的此類新型材料系并完成器件驗(yàn)證；面向自由空間光通信、瓦斯監(jiān)測(cè)及天基紅外信息獲取等方面的應(yīng)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(shù)）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(cè)器和 14μm 以上波段的紅外探測(cè)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(shè)計(jì)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(wèn)題，在集成器件與芯片研制方面取得重要進(jìn)展。在光子集成（PIC）芯片方面，研制出基于半 導(dǎo)體微環(huán)結(jié)構(gòu)的 1550nm 多波長(zhǎng)收發(fā)光子集成芯片和可尋址半導(dǎo)體微環(huán)全光信號(hào)隨機(jī)存儲(chǔ)器；研制出以可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器為光源的 1550nm 單片光子集成（PIC）4 路、系 統(tǒng)應(yīng)用速率為 10Gb/s 的波分復(fù)用光發(fā)射機(jī)；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(zhǎng)波長(zhǎng) 10Gb/s 單片集成 OEIC 光接收機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)，提供該接收機(jī)樣品。使我國(guó)在光電子集成芯片技術(shù)的若干重要方向上走在世界前列，滿足國(guó)家信息基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展及其它國(guó)家重大工程應(yīng)用的相關(guān)需求?！?在微結(jié)構(gòu)光纖中的超快光子學(xué)效應(yīng)方面，實(shí)現(xiàn)基于微結(jié)構(gòu)光纖的百飛秒量級(jí)、近百瓦功率、高重復(fù)頻率飛秒激光系統(tǒng)的穩(wěn) 定運(yùn)轉(zhuǎn)；在此基礎(chǔ)上， 實(shí)現(xiàn)基于微結(jié)構(gòu)光纖的 V 波段、瓦功率量 級(jí)的飛秒激光頻 率變換，并研制出高效率、瓦量級(jí)功率的紫外波段亞飛秒量級(jí)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(shù)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(xué)大波長(zhǎng)跨度（?800/1550nm）參量熒光產(chǎn)生的理論和實(shí)驗(yàn)論證，并制備出相 應(yīng)的高效率、低噪聲、大波 長(zhǎng)跨度關(guān)聯(lián)/ 偏振糾纏光子對(duì)源，為 在光纖通信波段（ 1550nm）量子信息光源的 實(shí)用化發(fā)展作出貢獻(xiàn)?！?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(zhǎng)可在 1030nm?2300nm 范圍內(nèi)調(diào)諧的多波長(zhǎng)激光器；力爭(zhēng)在微結(jié)構(gòu)光纖中沉積半導(dǎo)體材料技術(shù)及相關(guān)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(dǎo)體材料（量子點(diǎn)、量子線）或其它功能材料的組裝技術(shù)，從而解決纖基光電子集成的材料兼容問(wèn)題。揭示組裝后微結(jié)構(gòu)光纖中的光子、電子的量子動(dòng)力學(xué)行為 及其調(diào)控機(jī)理。研制出基于半導(dǎo)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(shù)難于實(shí)現(xiàn)的可見(jiàn)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(jí)、邊模抑制比≧20 dB。制備出半導(dǎo)體-聚合物基帶隙導(dǎo)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(fù)合光電功能的理論和實(shí)驗(yàn)論證，從而開拓“異質(zhì)兼容”微結(jié)構(gòu)光纖技術(shù)新領(lǐng)域。999—— 在微結(jié)構(gòu)光纖的先進(jìn)設(shè)計(jì)與精確制備方法方面取得重要進(jìn)展，為實(shí)現(xiàn)纖基光電子集成和微結(jié)構(gòu)光纖器件的長(zhǎng)足發(fā)展奠定基礎(chǔ)。形成具有自有知識(shí)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(shí)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(jìn)我國(guó)微結(jié) 構(gòu)光纖規(guī)模化生產(chǎn)基地的快速形成。制備出若干種具有重要應(yīng)用價(jià)值的微結(jié)構(gòu)光纖，包括：FTTH 用微結(jié)構(gòu)光纖，指標(biāo)達(dá)到：在1.55μm 波長(zhǎng)處 、彎曲半徑 5mm 時(shí)，彎曲損耗≦0.1dB/ 圈，與常規(guī)單模光纖熔接損耗≦0.2dB ，動(dòng)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(shí)現(xiàn) 1.55μm 波段的光信號(hào)轉(zhuǎn)換到可見(jiàn)光波段，并將 155Mb/s ASK 信號(hào)轉(zhuǎn)換到可見(jiàn) 光波段；制備出強(qiáng)光學(xué)非線性、大負(fù)色散微結(jié)構(gòu)光纖，實(shí)現(xiàn) 基于該光纖的新型集成式拉曼光放大與色散補(bǔ)償器件，指標(biāo) 達(dá)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(bǔ)償量為 400ps/nm。—— 本項(xiàng)目組將在國(guó)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(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利 40 項(xiàng)以上；培養(yǎng)博士后 10 名，博士50 名， 碩士 100 名。本項(xiàng)目組將進(jìn)一步促進(jìn)所在國(guó)家 實(shí)驗(yàn)室、國(guó)家重點(diǎn) 實(shí)驗(yàn)室、教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等科研基地的建設(shè)，營(yíng)造更好的基礎(chǔ)研究氛圍；同時(shí)，充分發(fā)揮北京郵電大學(xué)“ 通信與網(wǎng) 絡(luò)核心技術(shù)” 學(xué)科創(chuàng)新引智基地與天津大學(xué) “微米/納米科學(xué)與技術(shù)” 學(xué)科創(chuàng)新引智基地等方面的作用， 進(jìn) 一步深化與國(guó)外頂尖科研機(jī)構(gòu)及科研團(tuán)隊(duì)的實(shí)質(zhì)性合作；從而使項(xiàng)目組自身發(fā)展成為一支更有活力、更高水平的研究團(tuán)隊(duì)。101010三、研究方案研究方案和技術(shù)路線：1）學(xué)術(shù)思路：本項(xiàng)目的主要研究?jī)?nèi)容既包含半導(dǎo)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(gè)方面的共性科學(xué)問(wèn)題貫穿于這兩類光電子集成的研究工作之中，半導(dǎo)體光電子學(xué)和光纖光子學(xué)兩個(gè)學(xué)科分支在本項(xiàng)目中交融匯流。因此本項(xiàng)目實(shí)際上成為一個(gè)學(xué)科交叉的平臺(tái)，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(guān)微結(jié)構(gòu)光纖器件研究工作的需要，開展相應(yīng)的半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)的制備；我們也將把在半導(dǎo)體襯底上制備半導(dǎo)體材料和器件的相關(guān)工藝經(jīng)過(guò)必要的改造移植到纖內(nèi)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)和器件的制備之中；我們還會(huì)借助于微結(jié)構(gòu)光纖與半導(dǎo)體材料的結(jié)合來(lái)豐富和深化我們對(duì)于半導(dǎo)體材料的認(rèn)識(shí)，因 為半導(dǎo)體材料在微 結(jié)構(gòu)光纖所構(gòu)建的特殊實(shí)驗(yàn)空間和條件之下所表現(xiàn)出來(lái)的各種新的物質(zhì)屬性有可能成為新型半導(dǎo)體器件的物理基礎(chǔ)。總之，根據(jù)這兩類研究工作各自的特點(diǎn)和彼此之間內(nèi)在的聯(lián)系，將二者緊密地結(jié)合起來(lái)，是我們的開展本項(xiàng)目研究工作的基本思路。就半導(dǎo)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(guān)異質(zhì)兼容方面的研究工作思路已經(jīng)相當(dāng)具體明確，我們將通過(guò)異變外延和新型材料系（包括特殊超晶格結(jié)構(gòu)）等多個(gè)途徑的探索來(lái)實(shí)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(wèn)題還相當(dāng)開放。半導(dǎo)體器件與微電子器件相比， 結(jié)構(gòu)復(fù)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(wèn)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(jìn)展并備受關(guān)注）、而光電集成（OEIC）、特 別是包含半導(dǎo)體激光器等單元的集成的推進(jìn)至今仍未見(jiàn)有大的突破的原因。完全從現(xiàn)有半導(dǎo)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(dǎo)體器件物理的層面來(lái)思考這一問(wèn)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(shí)，我 們 提出了研制科學(xué)實(shí)驗(yàn)用鍵合型高質(zhì)量 InP/Si 雙基復(fù)合 襯底的設(shè)想， 這將使我們 有可能在基于異變外延工藝的 InP/Si 雙基復(fù)合襯底尚不成熟的情況下，超前 進(jìn) 行 InP/Si 雙基復(fù)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(guó)際同行中取得先行優(yōu)勢(shì)。我 們希望這樣的學(xué)術(shù)思路有助于我們實(shí)現(xiàn)本項(xiàng)目中有關(guān)半導(dǎo)體光電子集成的預(yù)期目標(biāo)。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(gè)最基本的問(wèn)題，只是其特點(diǎn)有所不同。從根本上講，在微 結(jié)構(gòu)光纖中實(shí)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(shè)計(jì)的自由度和實(shí)際應(yīng)用的領(lǐng)域，因此我們 把這一特點(diǎn)作為我們開展相關(guān)工作的主要牽動(dòng)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(gè)方向推進(jìn)，因此同時(shí)在這兩個(gè)方向上探索相應(yīng)的集成基元功能微結(jié)構(gòu)也就成為本項(xiàng)目的題中應(yīng)有之義。同時(shí) ，微 結(jié) 構(gòu)光纖本身的結(jié)構(gòu)問(wèn)題也需要我們?nèi)プ龈鼮樯钊氲难芯?。譬如，微結(jié)構(gòu)光纖所表現(xiàn)出的強(qiáng)烈的非線性效應(yīng)是微結(jié)構(gòu)光纖最重要的特點(diǎn)之一，而這種效應(yīng)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(xué)效應(yīng)及相應(yīng)的光子行為調(diào)控技術(shù)作為深入研究的重點(diǎn)。這一研究將有可能導(dǎo)致高效便捷的新型光子糾纏源的誕生，從而有力地促進(jìn)量子光通信和量子信息技術(shù)的發(fā)展。纖基光電子集成和相關(guān)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(shí)又具有很強(qiáng)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(jìn)展。 最后，無(wú)論是半導(dǎo)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(yīng)的制備工藝問(wèn)題。工藝往往是制約科學(xué)技術(shù)發(fā)展的瓶頸。在本項(xiàng)目的總體安排中也充分體現(xiàn)了這一思路?？茖W(xué)技術(shù)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(yù)料的。因此，我們還將在今后的研究工作中不斷補(bǔ)充和更新我們的學(xué)術(shù)思路。2）技術(shù)途徑：圍繞第 1 個(gè)科學(xué)問(wèn)題，擬按照如下技術(shù)途徑開展工作：—— 在半導(dǎo)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(dǎo)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(jī)物氣相外延（MOCVD）方法進(jìn)行材料的外延生長(zhǎng)。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(shù)和新型緩沖層技術(shù)的具有巨大潛力。與此同時(shí)，由于半導(dǎo)體納米線 的纖細(xì)結(jié)構(gòu)，極大地降低了外延生長(zhǎng)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(wèn)題上有著獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。因此結(jié)合納米線結(jié)構(gòu)和橫向外延技術(shù)，將為解決光電集成中的材料兼容問(wèn)題提供一種新思路。我們的創(chuàng)新性技 術(shù)路線是一種基于界面納米結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體材料異變外延新方法。該方法已申請(qǐng) 國(guó)家發(fā)明專利（申請(qǐng)?zhí)枺?00810161833.0），其要點(diǎn)是通過(guò)在襯底上形成特定的無(wú)位錯(cuò)納米結(jié)構(gòu)陣列，然后采用適當(dāng)材料覆蓋，形成一個(gè)特殊的生長(zhǎng)平面，最后利用 納米線作為窗口， 進(jìn)行橫向外延生長(zhǎng)，利用材料本身的選擇性協(xié)同生長(zhǎng)機(jī)制在此平面上生長(zhǎng)出高質(zhì)量的所需外延層。此方法有可能帶來(lái)高質(zhì)量異變外延技術(shù)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(wèn)題，利用納米線作為橫向外延生長(zhǎng)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(wèn)題提供一條新途徑。該方案還克服了現(xiàn)有橫向外延技術(shù)的一些其它缺點(diǎn)，如橫向外延需要光刻工藝制備窗口，這會(huì)引入雜質(zhì)污染并對(duì)后續(xù)外延生長(zhǎng)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(shù)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(zhǎng)面。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)， 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(shù)問(wèn)題）。在生長(zhǎng)過(guò)程中，將采用退火和遷移率增強(qiáng)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(shè)計(jì)和制備上進(jìn)行創(chuàng)新， 這是高質(zhì)量異變外延的關(guān)鍵之一，也是國(guó)外公司專利壟斷的核心點(diǎn)。我們將根據(jù)以往在Sb 化物生長(zhǎng)中的 經(jīng)驗(yàn)，在 Si 襯底上 AlSb 自組織外延技術(shù)基礎(chǔ)上，研發(fā)新的 Sb-As 過(guò)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(shè)計(jì)， 結(jié)合我們的 MBE 技術(shù)特點(diǎn)，制備高 質(zhì)量 GaAs 外延膜。一般而言，我們還會(huì)在適當(dāng)?shù)那闆r下結(jié)合熱循環(huán)和快速退火法、應(yīng)變超晶格緩沖層、 側(cè)向和圖形生長(zhǎng)法、 應(yīng)變補(bǔ)償法、表面活性法等方法進(jìn)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(zhǎng)的可控性研究，致力于發(fā)現(xiàn)在不同的生長(zhǎng)條件下量子線和量子點(diǎn)自組織生長(zhǎng)行為的特點(diǎn)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(shí)現(xiàn)等高生長(zhǎng)，在這一過(guò)程中吸附原子擴(kuò)散的生長(zhǎng)機(jī)制被有效地抑制；我們還發(fā)現(xiàn) GaAs 納米線在細(xì)至 24nm 時(shí)仍可以實(shí)現(xiàn)無(wú)相變生長(zhǎng)，即在生 長(zhǎng)過(guò) 程中保持純閃鋅礦結(jié)構(gòu)。繼續(xù)進(jìn)行這方面的研究工作有可能導(dǎo)致納光電子集成或高維超晶格結(jié)構(gòu)制備的重要進(jìn)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(dǎo)體材料異變外延新方法應(yīng)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(jìn)行光刻加工；這種針對(duì)單根納米線的加工工藝無(wú)法實(shí)現(xiàn)器件批量制備，阻礙了納米線的實(shí)用化。我們提出的外延生長(zhǎng)方案，將纖細(xì)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(dǎo)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?cè)?GaAs 基長(zhǎng)波長(zhǎng)量子點(diǎn)激光器研究方面的前期經(jīng)驗(yàn)，創(chuàng)新設(shè)計(jì)適于 Si 基的 III-V 族量子點(diǎn)激光器新結(jié)構(gòu)。我們還將利用上述Si 基 GaAs 外延技術(shù)，探索制備 Si 基 III-V 族高效太陽(yáng)能電池器件原型，實(shí)現(xiàn)III-V 族材料轉(zhuǎn)換效率高和 Si 襯底廉價(jià)兩方面的優(yōu) 點(diǎn)的有機(jī)結(jié)合?！?在新型半導(dǎo)體材料系方面，主體研究工作可分為面向光纖通信應(yīng)用和面向自由空間光通信、瓦斯 監(jiān)測(cè)及天基紅外信息獲取等應(yīng)用兩部分，茲分述如下：A．面向光 纖 通信應(yīng)用：我 們將繼續(xù)依據(jù)第一性原理，運(yùn)用 CASTEP 軟件包，進(jìn)一步從理論上預(yù)測(cè)可與 GaAs 或 Si 晶格匹配、發(fā)光波長(zhǎng)位于光通信長(zhǎng)波長(zhǎng)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(duì) 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(guò)建立更為完善的半導(dǎo)體材料晶格-能隙關(guān)系理論分析模型，提高理論預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性；同時(shí)從實(shí)驗(yàn)上研究我們已經(jīng)做出預(yù)測(cè)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(guān)三元系材料的合成問(wèn)題及其帶隙特性調(diào)控問(wèn)題，并開展相關(guān)的器件驗(yàn)證工作?？?體看來(lái)， 閃鋅礦單晶結(jié)構(gòu)的 III-V 族硼化物生長(zhǎng)存在以下主要問(wèn)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(duì)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(zhǎng)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(xué)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(jī)理尚不清楚、理論研究與實(shí)驗(yàn)之間結(jié)合得不夠緊密。我們將針對(duì)以上這些問(wèn)題，利用 LP-MOCVD 技術(shù)深入開展合成含 B III-V 族化合物的實(shí)驗(yàn)研究，在繼續(xù)使用三乙基硼（TEB）作硼源的同時(shí)， 嘗試使用乙硼烷（B 2H6），并加強(qiáng)材料生長(zhǎng)機(jī)理方面理論與實(shí)驗(yàn)的結(jié)合，以期顯著地提高 B 的并入比，拓展波長(zhǎng)，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(cè)及天基紅外信息 獲取等應(yīng)用：我們將深入進(jìn)行含 Sb III-V 族化合物特別是 InAs-GaSbⅡ類超晶格材料的理論預(yù)測(cè)和設(shè)計(jì)，采用經(jīng)驗(yàn)贗勢(shì)法計(jì)算超晶格材料的能帶結(jié)構(gòu)，通過(guò)材料結(jié)構(gòu)體系的創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)能帶帶階特性、電子空穴波函數(shù)的交疊程度、 應(yīng)變補(bǔ)償特性的改善，最 終實(shí)現(xiàn)材料性能的改善和波長(zhǎng)的調(diào)控。我們將通過(guò)研究分子束外延（MBE）表面反應(yīng)動(dòng)力學(xué)與熱力學(xué)規(guī)律，獲得異質(zhì)兼容的生長(zhǎng)機(jī)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(zhǎng) InGaAsSb 或 InGaPSb 窄帶隙半導(dǎo)體材料時(shí)，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(shù)方案（必要時(shí)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(shù)方案。通過(guò)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(cè)量Sb、As 或 P 等各種 V 族元素進(jìn)入三元系和四元系合金的成分，以獲得最佳生長(zhǎng)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(cuò)等缺陷；將通過(guò)高分辨率 X 射線衍射（HRXRD）測(cè)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(cè)量材料的帶隙和量子阱的子能級(jí)，并與理論設(shè)計(jì)進(jìn)行比較；將采用 Hall 效應(yīng)、電化學(xué) CV 等方法測(cè)量載流子的遷移率和濃度等電學(xué)特性。這些測(cè)量將對(duì)“診斷”和提高材料的外延生長(zhǎng)質(zhì)量起到重要的作用。圍繞第 2 個(gè)科學(xué)問(wèn)題，擬按照如下技術(shù)途徑開展工作：—— 在基于半導(dǎo)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(shè)計(jì)和制備問(wèn)題依集成器件或芯片的目標(biāo)功能而有所差異，茲以多波長(zhǎng)半導(dǎo)體微環(huán)激光器和雙穩(wěn)態(tài)半導(dǎo)體微環(huán)激光器為例分述如下：151515A. 對(duì)于多波長(zhǎng)半導(dǎo)體微環(huán)激光器而言，其主體 結(jié)構(gòu)由多個(gè)有源微環(huán)諧振腔和一條與它們相耦合的總線型光波導(dǎo)組成。首先，我 們選擇 InAlGaAs 材料作為量子阱材料，因?yàn)樵摬牧舷拗?載流子的能力強(qiáng)，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(shí)， 為了進(jìn)一步提高器件的性能，我們擬采用應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)， 這樣可以使得價(jià) 帶簡(jiǎn)并度降低， 態(tài)密度減小，從而達(dá)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(yīng)變量子阱能帶結(jié)構(gòu)入手， 結(jié)合對(duì)環(huán)形激光器的物理特性的分析，進(jìn)行材料外延層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過(guò)制備條形脊波導(dǎo)激光器并測(cè)試其 P-I 輸出特性及激射光譜特性，驗(yàn)證 材料性能，實(shí)現(xiàn)材料結(jié)構(gòu)的優(yōu)化；考慮到總線型光波導(dǎo)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(dǎo)最終會(huì)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(guò)材料生長(zhǎng)或淀積的方式精確控制到埃的量級(jí)），波導(dǎo)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(dǎo)之間的耦合效率及微環(huán)內(nèi)部的損耗等因素，在標(biāo)準(zhǔn)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(zhǎng)的具體要求設(shè)計(jì)多波長(zhǎng)環(huán)形激光器陣列，結(jié) 合我們制備單環(huán)激光器的基礎(chǔ)和經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)優(yōu)化多波長(zhǎng)半導(dǎo)體激光器的制備工藝，并針對(duì)關(guān)鍵工藝進(jìn)行攻關(guān)，最后制備出達(dá)到預(yù)期指標(biāo)的器件。B. 對(duì)于雙穩(wěn)態(tài)半導(dǎo)體微環(huán)激光器而言，首先需要建立相應(yīng)的理論模型，著重分析和研究在高速率條件下器件的動(dòng)態(tài)特性以及器件材料參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)于器件性能的影響；然后，研究半導(dǎo)體環(huán)形激光器雙穩(wěn)態(tài)產(chǎn)生的機(jī)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(dǎo)、 單圓形波導(dǎo)、161616雙圓形波導(dǎo)和橢圓波導(dǎo)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(dǎo)結(jié)構(gòu)。半導(dǎo)體 環(huán)形激光器制成后需進(jìn)行相關(guān)特性的 測(cè)量，如器件雙穩(wěn)態(tài) L－I 特性以及 順時(shí)針 旋轉(zhuǎn)（CW）和逆時(shí)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(guān)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(jìn)而建立全面系統(tǒng)的半導(dǎo)體環(huán)形激光器光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)理論模型。繼之，通過(guò)與上述多波長(zhǎng)半導(dǎo)體微環(huán)激光器類似的技術(shù)路線研制出高性能雙穩(wěn)態(tài)半導(dǎo)體微環(huán)激光器及全光信號(hào)隨機(jī)存儲(chǔ)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)方法，較為 全面地開展單片集成器件的光學(xué)、電學(xué)和熱特性等方面的數(shù)值模擬與仿真設(shè)計(jì)， 為實(shí)際加工制造提供理論指導(dǎo)和依據(jù)；然后，深入開展同一個(gè)襯底片上生長(zhǎng)多種不同帶隙波長(zhǎng)材料的工藝技術(shù)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(shù)，解決大規(guī)模、多功能 PIC/OEIC 單片集成器件的材料兼容性問(wèn)題；同步進(jìn)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(chǔ)問(wèn)題研究，為縱向多功能集成的擴(kuò)展與橫向集成規(guī)模的提高提供切實(shí)可行的解決途徑與實(shí)現(xiàn)方法；系統(tǒng)全面地研究特殊基元功能微結(jié)構(gòu)對(duì)光偏振狀態(tài)的影響機(jī)理，找到集成光電子器件中光偏振調(diào)控的關(guān)鍵工藝與實(shí)現(xiàn)途徑， 積極探索相關(guān)基元功能微結(jié)構(gòu)在集成光電子器件中的應(yīng)用；在上述研究成果基礎(chǔ)上，成功研制相關(guān)典型器件，解決困擾國(guó)內(nèi)集成光電子器件產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸問(wèn)題?！?在單片光電集成（OEIC）光接收機(jī)芯片方面，為確保高速性能，擬選取波導(dǎo) PIN 探測(cè)器與 InP HBT 單片集成方案（WG－ PIN－PD／InP HBT）為主體方171717案，精心設(shè)計(jì) 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(kuò)散工藝， 實(shí)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(diǎn)針對(duì) HBT 發(fā)射極－基極自對(duì)準(zhǔn)工藝、各個(gè)電極的低歐姆接觸層工藝、ICP 脊形波導(dǎo)刻蝕工藝、Zn 擴(kuò)散控制工 藝、以及介 質(zhì)鈍化工藝等關(guān)鍵工藝進(jìn)行攻關(guān)，實(shí)現(xiàn)工藝步驟的統(tǒng)籌兼容， 實(shí)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(yīng)，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(shí)現(xiàn)預(yù)期的器件和性能。 圍繞第 3 個(gè)科學(xué)問(wèn)題，擬按照如下技術(shù)途徑開展工作：—— 在微結(jié)構(gòu)光纖中的超快光子學(xué)效應(yīng)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(fù)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(chǎng)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(jí)和放大級(jí)的運(yùn)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(yùn)轉(zhuǎn)及壓縮條件、優(yōu)化參數(shù)和工作穩(wěn)定性；最后通過(guò)多級(jí)放大實(shí)現(xiàn)百飛秒量級(jí)、近百瓦功率的輸出。在以上工作基礎(chǔ)上，通 過(guò)多芯高非線性微結(jié)構(gòu)光纖和相干合成技術(shù)實(shí)現(xiàn)高效率、高功率的 V 波段頻率變換；采用多級(jí)頻率變換技術(shù)實(shí)現(xiàn)高功率紫外波段運(yùn)轉(zhuǎn)。B. 微結(jié) 構(gòu)光纖糾纏光子源：首先，采用 項(xiàng)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(dú)特的光學(xué)特性以及各種物理因素對(duì)參量四光子散射過(guò)程的影響，進(jìn)而設(shè)計(jì)出關(guān)聯(lián)/偏振糾纏光子對(duì)181818產(chǎn)生所需的微結(jié)構(gòu)光纖結(jié)構(gòu)。其次，搭建關(guān)聯(lián)/偏振糾纏光子對(duì)產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，根據(jù)微結(jié)構(gòu)光纖存在色散零點(diǎn)波動(dòng)和本征雙折射的特點(diǎn)，優(yōu)選具有一定的波長(zhǎng)調(diào)諧和偏振控制的功能的泵浦和濾波系統(tǒng)；探測(cè)器選用 InGaAsP/InP APD 或 Si APD 模塊，其探測(cè)窗口與待測(cè)光子采用殘余泵浦光脈沖進(jìn)行時(shí)間同步。第三，針對(duì)量子通信對(duì)高效率，低噪聲關(guān)聯(lián)/偏振糾纏光子對(duì) 源的需求，理論和實(shí)驗(yàn)研究微結(jié)構(gòu)光纖中三階非線性光學(xué)大波長(zhǎng)跨度參量熒光的產(chǎn)生及其高效率、低噪聲的關(guān)聯(lián)/偏振糾纏光子對(duì)產(chǎn)生的特性。最后，綜合考慮光纖色散設(shè)計(jì)、參量相位匹配過(guò)程分析和實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)等因素，實(shí)驗(yàn)研究實(shí)現(xiàn)大波長(zhǎng)跨度關(guān)聯(lián)光子對(duì)源的可行方案，分析各種物理因素對(duì)大波長(zhǎng)跨度關(guān)聯(lián)光子對(duì)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(zhǎng)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(zhǎng)、泵浦功率相近，可利用同一寬帶 光源進(jìn)行泵浦， 實(shí)現(xiàn)幾個(gè)波長(zhǎng)激光的同時(shí)輸出，然后使用光柵選頻，形成多波 長(zhǎng)光纖激光器。利用具有不同非線性效應(yīng)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(qiáng)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(kuò)展為紫外到中紅外波長(zhǎng)范圍，成為超寬光譜光源。通過(guò)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(guò)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(jìn)入纖芯的激光功率，實(shí)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(duì)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(wèn)題。最后，對(duì)摻雜 材料進(jìn)行物理參數(shù)和吸收光譜及熒光強(qiáng)度檢測(cè)，再按照微結(jié)構(gòu)光纖預(yù)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(dǎo)體材料及其它相關(guān)功能材料的組裝：關(guān)于功能材料與微結(jié)構(gòu)光纖的組裝或沉積技術(shù)，擬采用以下兩種方式：其一，利用化學(xué)汽相等直接沉積的方式實(shí)現(xiàn)功能材料與微結(jié)構(gòu)光纖的有機(jī)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(xué)通道中，還要對(duì)微結(jié)構(gòu)端面首先進(jìn)行預(yù)處理，將不需要組裝液體的空氣孔堵上。利用毛細(xì)、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(jìn)行干燥處理，在溶劑揮發(fā)過(guò)程中，通過(guò)表面效應(yīng)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(guān)光電子功能器件的制備方面，我們提出了兩種方案：第一個(gè)方案是將半導(dǎo)體量子點(diǎn)、量子線材料組裝至微結(jié)構(gòu)光纖中。通 過(guò)精心設(shè)計(jì)微結(jié)構(gòu)光 纖結(jié)構(gòu)和選擇量子點(diǎn)發(fā)光材料可以實(shí)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(shí)現(xiàn)的波段，如可見(jiàn)光波段及中紅外波段等）的激光及放大輸出。第二個(gè)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(shè)計(jì)的微結(jié)構(gòu)光纖中，通過(guò)施加外加物理量改變功能材料的有效折射率，實(shí)現(xiàn)微結(jié)構(gòu)光纖傳導(dǎo)機(jī)制和特性的調(diào)諧和控制，進(jìn)而實(shí)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(guò) 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(xué)特性的變化行為；微結(jié)構(gòu)光纖的傳導(dǎo)特性與功能材料尺度、能級(jí)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(wèn)題；微結(jié)構(gòu)光纖傳導(dǎo)特性的調(diào)控機(jī)制、調(diào)控方式、調(diào)控裝置實(shí)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(dòng)力學(xué)行為及其調(diào)控機(jī)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(jī)理及新型光電子功能器件：我們重點(diǎn)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(duì)于光子帶隙光纖的研究，主要 針對(duì) 四種具有特殊應(yīng)用價(jià)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(shí)心光子帶隙光纖、混合傳導(dǎo)機(jī)制的光子晶體光纖四種結(jié)構(gòu)，通過(guò)深入研究不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)模式傳導(dǎo)及模式耦合特性的影響，揭示其傳導(dǎo)機(jī)理，探索其中的新問(wèn)題、新 現(xiàn)象和新結(jié)構(gòu)，以及可能產(chǎn)生的新應(yīng)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(shù)、光纖光柵寫入技術(shù)以及光纖激光器等技術(shù)相結(jié)合，探索集成多種功能特性的光電子集成器件實(shí)現(xiàn)的可能性。其三，對(duì)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(shù)和二氧化碳激光器通過(guò)應(yīng)力釋放機(jī)理寫制光纖光柵的技術(shù)基礎(chǔ)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(shù)和手段，深入探索不同光柵寫制條件對(duì)微結(jié)構(gòu)光纖傳導(dǎo)特性和模式諧振特性的影響，提高寫制技術(shù)。設(shè)計(jì)并寫制出具有特殊諧振效應(yīng)的新型多維微結(jié)構(gòu)光纖光柵，并探索其可能的應(yīng)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(fù)雜微結(jié)構(gòu)光纖的模式特性、模式耦合特性、進(jìn)而實(shí)現(xiàn)模式控制的主要手段，探索 實(shí)現(xiàn)微結(jié)構(gòu)光纖中特定模式耦合和模式控制的機(jī)理和技術(shù)等諸多科學(xué)問(wèn)題；并根據(jù)其中的新現(xiàn)象和新機(jī)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(dǎo) 體－聚合物基 Bragg 光纖：首先，采用 項(xiàng)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(chǎng)分布、截止特性及損耗等212121傳輸特性和纖芯中光場(chǎng)與氣體物質(zhì)相互作用的物理規(guī)律，進(jìn)而優(yōu)化用于高靈敏度氣體檢測(cè)的中紅外空心 Bragg 光纖的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。其次，建立和完善半導(dǎo)體－聚合物基 Bragg 光纖的制備 工藝平臺(tái)，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(yù)制棒，利用自行建立的半導(dǎo)體玻璃－聚合物光纖預(yù)制棒的拉絲設(shè)備對(duì)預(yù)制棒進(jìn)行拉絲。在此基礎(chǔ)上，研制中紅外半導(dǎo)體－聚合物空心 Bragg 光纖樣 品，并進(jìn)一步探索半導(dǎo)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(cè)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(cè)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(dǎo)光機(jī)制，并論證其中紅外激光傳輸和傳感的應(yīng)用。圍繞第 4 個(gè)科學(xué)問(wèn)題，擬按照如下技術(shù)途徑開展工作：—— 在微結(jié)構(gòu)光纖的先進(jìn)設(shè)計(jì)與精確制備方法方面，我們擬先從理論上對(duì)微結(jié)構(gòu)光纖的基本特性進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)出對(duì)光纖波導(dǎo)結(jié)構(gòu)參數(shù)不敏感的魯棒性波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，從而能夠切合生 產(chǎn)的實(shí)際工藝條件。建立微結(jié)構(gòu)光纖的動(dòng)力學(xué)形成模型，實(shí)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(jìn)行如下幾方面的研究：其一，從 Navier–Stokes 流體力學(xué)方程出發(fā)，研究“單根” 石英毛細(xì)管高溫熔融體的形變機(jī)制，構(gòu)建空氣微孔高溫熔融的形變動(dòng)力學(xué)模型，探索微結(jié)構(gòu)光纖中空氣微孔形狀可靠實(shí)現(xiàn)的物理方法；其二，在此基礎(chǔ)上，由簡(jiǎn)單到復(fù)雜，研究 “多根”石英毛細(xì) 管“ 集成體復(fù)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(dòng)力學(xué)形變模型；其三，研究石英毛細(xì)管－空氣復(fù)合222222集成體在高溫下的熱力學(xué)特性，研究毛細(xì)管內(nèi)部、毛細(xì)管之間的輻射與傳導(dǎo)作用對(duì)空氣微孔變形的影響，構(gòu)建復(fù)合集成體的熱力學(xué)模型。接著，研究拉 絲運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，微結(jié)構(gòu)集成體的力學(xué)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(qiáng)、拉絲爐體中氣流作用力等各種外力對(duì)集成體運(yùn)動(dòng)機(jī)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(dǎo)因素參量，著重研究出高溫復(fù)合材料熔融體的粘度、毛細(xì)管內(nèi)外的壓力、晶格點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)、運(yùn) 動(dòng)時(shí)間、拉絲張力等對(duì)微結(jié)構(gòu)光纖拉制的影響；構(gòu)建對(duì)應(yīng)的控制設(shè)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(lái)之后，即進(jìn)行測(cè)試與性能評(píng)價(jià)，并對(duì)比與理論仿真之間的差距，然后 糾正理論設(shè)計(jì)。進(jìn)行二次理論設(shè)計(jì)，再次進(jìn)行光纖制造，光 纖合格后，穩(wěn)定工藝和完善設(shè)計(jì)軟件，進(jìn)行批量生產(chǎn)，提供光纖給協(xié)作單位， 進(jìn)行光電子原型器件的研究。最后，通過(guò)將微結(jié)構(gòu)光纖工藝制造的研究與在實(shí)際推廣應(yīng)用的研究緊密結(jié)合，推進(jìn)微結(jié)構(gòu)光纖結(jié)構(gòu)功能的標(biāo)準(zhǔn)化。3) 創(chuàng)新點(diǎn)與特色：概括起來(lái)，本項(xiàng)目的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)如下：（1）一種基于界面納米結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體材料異變外延新方法。高質(zhì)量大失配異變外延既是實(shí)現(xiàn)多功能、多波段、大規(guī)模半導(dǎo)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(shí)用價(jià)值方面具有普遍意義。本方法的思路是在上一期 973 項(xiàng)目實(shí)施中產(chǎn)生的，已申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利（申請(qǐng)?zhí)枺?00810161833.0），其要點(diǎn)是通過(guò)在襯底上形成特定的無(wú)位錯(cuò)納米結(jié)構(gòu)陣列，然后采用適當(dāng)材料覆蓋，形成一個(gè)特殊的生 長(zhǎng)平面，最后利用 納米線作為窗口， 進(jìn)行橫向外延生長(zhǎng) ，利用材料本身的 選擇性 協(xié)同生長(zhǎng)機(jī)制在此平面上生長(zhǎng)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(shù)有機(jī)地結(jié)合了起來(lái)，并克服了現(xiàn)有橫向外延技術(shù)的一些缺陷，有可能帶來(lái)高質(zhì)量異變外延技術(shù)的突破。此工作必然涉及到納異質(zhì)結(jié)構(gòu)自組織生長(zhǎng)的可控性這一世界性研究熱點(diǎn)，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(jìn)展的一篇論文已于2009 年 6 月在 Nano 2009 國(guó)際會(huì)議上發(fā)表）。 這方面的研究工作還有可能導(dǎo)致納光電子集成或高維超晶格結(jié)構(gòu)制備的重大進(jìn)展。（2）GaAs 基和 Si 基含 B III-V 族化合物材料系的性能預(yù)測(cè)與材料合成。232323如同 GaAlAs/GaAs 和 InGaAsP/InP 材料系對(duì)半導(dǎo)體光電子器件發(fā)展所產(chǎn)生的巨大作用一樣，工作波長(zhǎng)處 于光通信長(zhǎng)波長(zhǎng)波段的 GaAs 基或 Si 基 III-V 族化合物有可能對(duì)光電子集成的發(fā)展作出重要貢獻(xiàn)。本項(xiàng)目組從承擔(dān)上一期 973 項(xiàng)目開始致力于這方面的研究工作，理論預(yù)測(cè)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(shí)驗(yàn)結(jié)果。本 項(xiàng)目組首席科學(xué)家曾因這一工作受到阿爾費(fèi)羅夫院士的邀請(qǐng)，在 Nano 2008 國(guó)際會(huì)議上作了大會(huì)特邀報(bào)告。進(jìn)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(shí)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(dǎo)體光電子集成基元功能微結(jié)構(gòu)及其工藝實(shí)現(xiàn)。本項(xiàng)目擬重點(diǎn)研究的半導(dǎo)體光電子集成基元功能微結(jié)構(gòu)包括半導(dǎo)體環(huán)形微結(jié)構(gòu)、“ 同材料系異帶隙”級(jí)聯(lián)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)、越層波導(dǎo)耦合微結(jié)構(gòu)等。上一期 973 項(xiàng)目已經(jīng)成功地實(shí)現(xiàn)了半導(dǎo)體微環(huán)激光器的激射，但半導(dǎo)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(shì)的發(fā)揮，還有待我們對(duì)其器件物理、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制備工藝進(jìn)行深入的研究；“同材料系異帶隙”級(jí)聯(lián)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的研究則主要集中在其實(shí)現(xiàn)工藝上，目前采用的工藝主要有分次外延對(duì)接（Butt-Joint）、量子阱混雜（QWI ）和選擇區(qū)域生長(zhǎng) （SAG）等，這些工藝各有 優(yōu)劣，上一期 973 項(xiàng)目主要在分次外延對(duì)接工藝上取得了進(jìn)展（基于該工藝研制成功了可調(diào)諧單片集成半導(dǎo)體激光器），但進(jìn)一步的工藝創(chuàng) 新仍有必要；越層波導(dǎo)耦合微結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)是楔形功能微結(jié)構(gòu)， 上一期 973 項(xiàng)目 在楔形功能微結(jié)構(gòu)的制備及應(yīng)用上取得了原創(chuàng)性成果，本期擬進(jìn)一步研究越層 波導(dǎo)耦合微結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與制備并有所創(chuàng)新。本項(xiàng)目組首席科學(xué)家曾因多年來(lái)在功能微結(jié)構(gòu)及相關(guān)器件方面的探索性研究受阿爾費(fèi)羅242424夫院士