【基金標(biāo)書】2010CB327600-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

11 1 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 8 月 依托部門： 教育部 22 2 一、研究內(nèi)容 擬解決的關(guān)鍵科學(xué)問題包括： 1. 異質(zhì)兼容光電子集成中晶格 自組織納結(jié)構(gòu)生長的條件及機(jī)理。 異質(zhì)兼容以及相關(guān)的工藝兼容問題是實(shí)現(xiàn)光電子集成所需解決的最基本的問題之一。對于半導(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 括（ 1）晶格顯著失配的不同材料 系（如 、 、 及 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(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 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(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，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)的工藝兼容問題也是實(shí)現(xiàn)光電子集成所需解決的最基本的問題之一。對于半導(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傻陌l(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，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。這一問題是自然界對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(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(xué)及電子學(xué)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(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。這些都會給我們帶來新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。 33 3 4. 微結(jié)構(gòu)光纖制備中的動力學(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)計的結(jié)構(gòu)高度吻合相當(dāng)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)雜流體動力學(xué)問題，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(jìn)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(xué)問題，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，我們將在已申請國家發(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 底上分別生長 延層材料，研究進(jìn)一步提高異變外延層質(zhì)量、降低位錯密度的方法，進(jìn)而作為對材料質(zhì)量的驗(yàn)證，研制 料系 導(dǎo)體激光器和 子點(diǎn)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(jìn)一步 研究 半導(dǎo)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(diǎn)自組織生長行為的特點(diǎn)與規(guī)律。我們將進(jìn)一步研究 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 量子點(diǎn)異質(zhì)結(jié) 構(gòu)； 研究質(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)測可與 格匹配、發(fā)光波長位于光通信長波長波段（ 為直接帶隙的新型四元系集成光電子材料；我們將針對 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(dǎo)體材料晶格 高理論預(yù)測的準(zhǔn)確性；從實(shí)驗(yàn)上研究 i、 i 等含 B 化合物自身及相關(guān)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(guān)的器件驗(yàn)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(yīng)用， 研制高質(zhì)量的 諸如 I 類超晶格等 可供選用的 或 （基于異變外延技術(shù)）新型 物材料系 。我們還將基于這些材料系研制 25m 紅外激光器、 雙色（ 23m 及 35m）紅外探測器和 14m 以上波段的紅外探測器。 圍繞第 2 個科學(xué)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(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)勢的發(fā)揮，還有待我們對其器件物理、結(jié)構(gòu)設(shè)計和制備工藝進(jìn)行深入的研究； “ 同材料系異帶隙 ” 級聯(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，我們將對分次外延對接44 4 （ 量子阱混雜（ 選擇區(qū)域生長（ 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（ 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)的多波長收發(fā)光子集成芯片和可尋址半導(dǎo)體微環(huán)全光信號隨機(jī)存儲器；研制以可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器為光 源 的 單片光子集成（ 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 源。在光電集成（ 芯片 方面，我們將進(jìn)一步研究 長波長 10Gb/s 單片集成 圍繞第 3 個科學(xué)問題，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 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 、 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 不同波長激光的 同時 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)動學(xué)及其量子動力學(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 個科學(xué)問題，擬開展如下工作： 在微結(jié)構(gòu)光纖的先進(jìn)設(shè)計與精確制備方法方面，我們將基于代工廠（ 微結(jié)構(gòu)功能光纖優(yōu)化設(shè)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(shè)計和分析軟件；研究微結(jié)構(gòu)光纖制備中的動力學(xué)機(jī)制；通過自主創(chuàng)新，發(fā)展和完善微結(jié)構(gòu)光纖設(shè)計技術(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)；通過將微結(jié)構(gòu)光纖設(shè)計方法的研究與實(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，為國內(nèi)微結(jié)構(gòu) 光纖及器件的最終商用化奠定堅實(shí)基礎(chǔ) ；通過將微結(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)生長點(diǎn) 。 55 5 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(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)計方法和精確制備技術(shù)，研制成功一批具有國際先進(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(chǔ)設(shè)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(jì)、社會發(fā)展，提升國家安全保障能力，并帶動相關(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 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 底上分別生長出器件級的 延層材料，使其位錯密度降低到 105 級，實(shí)現(xiàn) 料系 導(dǎo)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 i 異變外延技術(shù) ，在 底上 研制成功 溫連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的 子點(diǎn)激光器 。同時，在 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 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 量子點(diǎn)異質(zhì)結(jié)構(gòu)的制備； 實(shí)現(xiàn) 質(zhì)量異變外延生長，并完成相關(guān)器件驗(yàn)證。 在 新 型半導(dǎo)體材料系方面，為 或 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 化對其生長機(jī)理的認(rèn)識。面向光纖通信應(yīng)用，針對與 底和 底晶格匹配的、帶隙對應(yīng)于 新型四元系 化合物材料取得新的有價值的理論預(yù)測和實(shí)驗(yàn)制備結(jié)果（上一期 973 項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)的最佳波長數(shù)據(jù)為 從實(shí)驗(yàn)上給出 i i 等含 B 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)量外延生長的晶格 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(yīng)用， 研制出高質(zhì)量的 諸如 I 類超晶格等 可供選用的 或 基于異變外延技術(shù) ）新型 物材料系 ，并基于這些材料系研制出 25m 紅外激光器、 雙色（ 23m 及 35m）紅外探測器和 14m 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， 掌握功能各異的集成基元功能微結(jié)構(gòu)的設(shè)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(jìn)展。在 光子集成（ 芯片 方面，研制出基于半導(dǎo)體微環(huán)結(jié)構(gòu)的 1550波長收發(fā)光子集成66 6 芯片和可尋址半導(dǎo)體微環(huán)全光信號隨機(jī)存儲器；研制出以可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器為光 源 的 1550片光子集成（ 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 1310 1550段 高功率（出纖功率 低偏振（偏振消光比 輻射單片集成 源；在光電集成（ 芯片 方面，突破 長波長 10Gb/s 單片集成 接收機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)，提供該接收機(jī)樣品。使我國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，滿足國家信息基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展及其它國家重大工程應(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、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(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)大波長跨度（ 800/1550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、大波長跨度關(guān)聯(lián) /偏振糾纏光子對源，為在光纖通信波段（ 1550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 （ 200500光光源和激射波長可在 1030300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(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(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 備出半導(dǎo)體 纖樣品，并完成中紅外波 段（ 35m、 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。 在微結(jié)構(gòu)光纖的先進(jìn)設(shè)計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)光纖器件的長足發(fā)展奠定基礎(chǔ)。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(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(yīng)用價值的微結(jié)構(gòu)光纖，包括： 微結(jié)構(gòu)光纖，指標(biāo)達(dá)到：在 曲半徑 5，彎曲損耗 ，與常規(guī)單模光纖熔接損耗 態(tài)疲勞參數(shù) 20；研制出較低損耗的 1550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) 段的光信號轉(zhuǎn)換到可見光波段，并將 155Mb/s 號轉(zhuǎn)換到可見光波段；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 500寬 30飽和增益為 10益平坦度為 散補(bǔ)償量為 400ps/ 本項(xiàng) 目組將在國內(nèi)外核心刊物上發(fā)表論文 400 篇以上，其中 錄論文 150 篇以上；獲得或申請國家發(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)所在國家實(shí)驗(yàn)室、國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、77 7 教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等科研基地的建設(shè)，營造更好的基礎(chǔ)研究氛圍；同時，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)。 88 8 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)目的主要研究內(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)兩個方面的共性科學(xué)問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)際上成為一個學(xué)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(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；我們還會借助于微結(jié)構(gòu)光纖與半導(dǎo)體材料的結(jié)合來豐富和深化我們對于半導(dǎo)體材料的認(rèn)識，因?yàn)榘雽?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)?？傊?，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，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(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題，這正是光子集成（ 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（ 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思考這一問題，也許適合光電集成（ 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(xué)實(shí)驗(yàn)用鍵合型高質(zhì)量 i 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 i 雙基復(fù)合襯底尚不成熟的情況下，超前進(jìn)行 i 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，從而在國際同行中取得先行優(yōu)勢。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)同樣是兩個最基本的問題，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(jìn)，因此同時在這兩個方向上探索相應(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，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(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99 9 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。 科學(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 個科學(xué)問題，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 （ 和金屬有機(jī)物氣相外延 （ 方法 進(jìn)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(shù)和新型緩沖層技術(shù)的具有巨大潛力。與此同時，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(dú)特優(yōu)勢。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。該方法已申請國家發(fā)明 專利（申請?zhí)枺?其要點(diǎn)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(dāng)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(jìn)行橫向外延生長，利用材料本身的選擇性協(xié)同生長機(jī)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(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題，利用納米線作為橫向外延生長的窗口，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(shù)的一些其它缺點(diǎn)，如橫向外延需要光刻工藝制備窗口，這會引入雜質(zhì)污染并對后續(xù)外延生長造成影響。此外，就 i 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 36 度偏向 方向，（ 100）面 36 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(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)問題）。在生長過程中，將采用退火和遷移率增強(qiáng)外延（ 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，也是國外公司專利壟斷的核心點(diǎn)。我們將根據(jù)以往在 物生長中的經(jīng)驗(yàn)，在 底上 組織外延技術(shù)基礎(chǔ)上，研發(fā)新的 度式緩沖層結(jié)構(gòu)。另外，將深入研究 i 緩沖層優(yōu)化設(shè)計，結(jié)合我們的 術(shù)特點(diǎn)，制備高質(zhì)量 延膜。一般而言，我們還會在適當(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(diǎn)自組織生長行為的特點(diǎn)與規(guī)律。1010 10 譬如，我們發(fā)現(xiàn)了不同直徑的 米線在特定條件下可以實(shí)現(xiàn)等高生長，在這一過程中吸附原子擴(kuò)散的生長機(jī)制被有效地抑制；我們還發(fā)現(xiàn) 米線在細(xì)至 24仍可以實(shí)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(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；這種針對單根納米線的加工工藝無法實(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在 長波長量子點(diǎn)激光器研究方面的前期經(jīng)驗(yàn)，創(chuàng)新設(shè)計適于 的 量子點(diǎn)激光器新結(jié)構(gòu)。我們還將利用上述 延技術(shù)，探索制備 高效太陽能電池器件原型，實(shí)現(xiàn) i 襯底廉價兩方面的優(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 件包，進(jìn)一步從理論上預(yù)測可與 格匹配、發(fā)光波長位于光通信長波長波段（ 為直接帶隙的新型四元系集成光電子材料；我們將針對 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(dǎo)體材料晶格 高理論預(yù)測的準(zhǔn)確性；同時從實(shí)驗(yàn)上研究我們已經(jīng)做出預(yù)測的 i、 i 等含 B 化合物自身及相關(guān)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(guān)的器件驗(yàn)證工作。總體看來，閃鋅礦單晶結(jié)構(gòu)的 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 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?長的 B 并入比最高僅為7%左右）；其四，與 b)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 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。我們將針對以上這些問題，利用 化合物的實(shí)驗(yàn)研究，在繼續(xù)使用三乙基硼（ 硼源的同時，嘗試使用 乙硼烷（ ，并加強(qiáng)材料生長機(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，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(yīng)用：我們將 深入進(jìn)行含 化合物特別是 類超晶格材料的理論預(yù)測和設(shè)計，采用經(jīng)驗(yàn)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(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的調(diào)控。我們將通過研究分子束外延（ 面反應(yīng)動力學(xué)與熱力學(xué)規(guī)律，獲得異質(zhì)兼 容的生長機(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 帶隙半導(dǎo)體材料時，我們將嘗試 金屬元素采用固態(tài) 源 ， V 族 素采用固態(tài)源裂解 方1111 11 法獲得 的技術(shù)方案 （必要時也可以考慮采用 V 族 P 元素的氣 態(tài)源 ） 和 e、 e、或采用離子注入的技術(shù)方案。通過調(diào)控襯底溫度、 V/束流比、 金束流比例和 V 族 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（ 蕩測量 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（ 量和理論模擬獲得 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(shè)計進(jìn)行比較；將采用 應(yīng)、電化學(xué) 方法測量載流子的遷移率和濃度等電學(xué)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(xué)問題，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)計和制備問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： A. 對于多波長半導(dǎo)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(dǎo)組成。首先，我們選擇 料作為量子阱材料，因?yàn)樵摬牧舷拗戚d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，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)，這樣可以使得價帶簡并度降低，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，通過制備條形脊波導(dǎo)激光器并測試其 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(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)輸出波長的具體要求設(shè)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(chǔ)和經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計優(yōu)化多波長半導(dǎo)體激光器的制備工藝，并針對關(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(dǎo)體環(huán)形激 光器雙穩(wěn)態(tài)產(chǎn)生的機(jī)理及全光 選擇的器件結(jié)構(gòu)包括：三角形波導(dǎo)、單圓形波導(dǎo)、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 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)特性的測量，如器件雙穩(wěn)態(tài) LI 特性以及順時針旋轉(zhuǎn)（ 逆時針旋轉(zhuǎn)（ 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 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1212 12 型。繼之，通過與上述多波長半導(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)激光器及全光信號隨機(jī)存儲器芯片。 在其余形 式的光子集成（ 片及其功能微結(jié)構(gòu)設(shè)計制備方面，擬首先研究大規(guī)模 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，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 同一個襯底片上生長多種不同帶隙波長材料的工藝技術(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 片集 成器件的材料兼容性問題；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（ 接收機(jī)芯片方面，為確保高速性能，擬選取波導(dǎo) 測器 與 片集成方案（ 主體方案，精心設(shè)計 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 散 工藝，實(shí)現(xiàn)發(fā)射極部 料轉(zhuǎn)變?yōu)?P料。在工藝制作方面，重點(diǎn)針對 射極基極自對準(zhǔn)工藝、各個電極的低歐姆接觸層工藝、 形波導(dǎo)刻蝕工藝、 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 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 個科學(xué)問題，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、大模場面積、雙包覆的微結(jié)構(gòu)光纖和高功率 浦，提高微結(jié)構(gòu)光纖飛秒激光器振蕩級和放大級的運(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；最后通過多級放大實(shí)現(xiàn)百飛秒量級、近百瓦功率的輸出。在以上工作基礎(chǔ)上，通過多芯高非線性微結(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參量四光子散射過程的影響，進(jìn)而設(shè)計出關(guān)聯(lián) /偏振糾纏光子對產(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)波動和本征雙折射的特點(diǎn)，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 i 探測窗口與待測光子采用殘余泵浦光脈沖進(jìn)行時間同步。第三，針對量1313 13 子通信對高效率，低噪聲關(guān)聯(lián) /偏振糾纏光子對源的需求，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)/偏振糾纏光子對產(chǎn)生的特性。最后，綜合考慮光纖色散設(shè)計、參量相位匹配過程分析和實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計等因素，實(shí)驗(yàn)研究實(shí)現(xiàn)大波長跨度關(guān)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(guān)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：擬將摻摻 摻 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(jìn)行泵浦，實(shí)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(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(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 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；采用 熔融、氣煉兩步法解決氣泡問題。最后，對摻雜材料進(jìn)行物理參數(shù)和吸收光譜及熒光強(qiáng)度檢測，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)過程中，通過表面效應(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。通過精心設(shè)計微結(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(shè)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(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(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 子的量子動力學(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。 1414 14 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，對于光子帶隙光纖的研究，主要針對四種具有特殊應(yīng)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(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)，通過深入研究不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對模式傳導(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 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 纖 中各分立模式 的模場分布、截止特性 及 損耗等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(jìn)而優(yōu) 化用于高靈敏度氣體檢測的中紅外空心 纖的結(jié)構(gòu)設(shè)計。其次，建立和完善半導(dǎo)體聚合物基 纖 的制備工藝平臺 ，具體制備流程為：先在 聚合物 膜 上 大面積均勻蒸 鍍 層，將制成的 層薄膜在玻璃芯棒上卷成多層圓筒 后燒結(jié)固化 ， 再 用 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 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 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 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 個科學(xué)問題，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)計與精確制備方法方面，我們擬先從理論上