南郵王永進團隊研制出同質(zhì)集成光發(fā)射光接收器件的氮化鎵光電子芯片 | 《電子與信息學報》佳文速遞

原文：可見光通信感知一體化芯片及關(guān)鍵技術(shù)>>

氮化鎵光電子集成

光電子集成本質(zhì)上是采用兼容的制造工藝，將驅(qū)動、光發(fā)射、光波導(dǎo)、調(diào)制、光探測、放大等器件做在一塊芯片上，實現(xiàn)邏輯電路與光子回路的融合集成，芯片內(nèi)采用光子進行信息傳輸，與集成電子芯片相比，實現(xiàn)芯片內(nèi)信息傳輸速率、容量的飛躍，并降低功耗和熱效應(yīng)。

硅基集成電路和光子回路高度發(fā)達，但是由于硅是間接帶隙半導(dǎo)體材料，不易發(fā)光，同質(zhì)集成光源是硅基光電子集成芯片的巨大挑戰(zhàn)。而且，國外在硅基電子器件和光子器件方面建立了嚴密的產(chǎn)業(yè)技術(shù)壁壘，很難突破。要想出奇制勝，實現(xiàn)對等博弈，我們選擇氮化鎵半導(dǎo)體。

圖1 MGOS光學圖像

可見光通信感知一體化芯片

在目前信息時代，通信和感知是獨立存在的，例如4G通信系統(tǒng)只負責通信，雷達系統(tǒng)只負責測速、感應(yīng)、成像等功能。這樣分離式的設(shè)計既造成了頻譜資源和硬件資源的浪費，又因為各自獨立帶來了信息時延較高的問題。

而通信感知一體化是節(jié)約頻譜資源的可靠方法，除此之外，可見光通信則是有效對現(xiàn)有頻譜資源的補充和開拓，可見光通信作為新一代無線通信技術(shù)，是我國“十三五”重點發(fā)展的信息技術(shù)之一。

可見光的波長范圍在380～780 nm，具有高帶寬、高速率、保密性好、頻譜資源豐富等優(yōu)點，未來能夠在燈光上網(wǎng)、室內(nèi)導(dǎo)航和定位、水下通信、智能安防、智能交通和智慧城市中得到推廣與應(yīng)用。

基于以上兩個原因，結(jié)合量子阱二極管發(fā)光譜和探測譜出現(xiàn)部分重疊的物理現(xiàn)象，我們提出將發(fā)射和接收光信號的任務(wù)交給單片集成光電子芯片，自主研制了通信感知集一體的GaN量子阱二極管。并以此為基礎(chǔ)建立不對稱光信號通信鏈路系統(tǒng)，從而省去接收端對于PD器件的依賴，將接收和探測合二為一，比傳統(tǒng)發(fā)射器-探測器模式更加簡潔并且探測效率更高。

可見光通信感知一體化芯片在生活的方方面面都有其用處，基于可見光通信感知一體芯片的電梯按鍵能夠?qū)崿F(xiàn)非接觸式觸摸，在防控疫情下發(fā)揮其作用。不僅如此，這種光電子芯片還能實現(xiàn)路燈甚至手機的自充電，以后不會有忘帶充電寶的困擾。在胃鏡上使用通信感知一體化光電子芯片，減少了醫(yī)學儀器的體積，大大減小了病患的痛苦。此外，可見光通信感知一體化芯片還在室內(nèi)定位、智能廣播和智能定位有其應(yīng)用場景。

作者團隊

王永進教授師從鄒世昌院士，于2005年3月在中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所獲得微電子與固體電子學專業(yè)博士學位，后在德國洪堡基金會、日本學術(shù)振興會和英國皇家工程學會的資助下，分別在德國弗賴堡大學、日本東北大學、德國于利希研究中心、英國布里斯托大學和日本名古屋大學，在諾貝爾物理學獎得主PeterGrünberg、HiroshiAmano教授等指導(dǎo)下從事科研工作。2011年，他回國任職南京郵電大學通信與信息工程學院，開展無線光通信及集成光電子芯片研究。他是國家“111計劃”創(chuàng)新引智基地和全國高校黃大年式教師團隊負責人、國家優(yōu)秀青年基金獲得者，榮獲全國歸僑僑眷先進個人，是江蘇省委常委聯(lián)系科技專家。

王永進教授在國家自然基金委優(yōu)秀青年項目、國家973前期預(yù)研項目和江蘇省重大研發(fā)計劃的支持下，發(fā)現(xiàn)量子阱二極管發(fā)光探測共存現(xiàn)象，闡明其物理機制，研制出同質(zhì)集成發(fā)光、傳輸、調(diào)制和接收器件的光通信芯片，采用光子進行芯片內(nèi)的信息傳輸，實現(xiàn)全雙工光通信；提出亞波長理想LED模型，實現(xiàn)厚度225nm、發(fā)光波長411nm的世界最薄垂直結(jié)構(gòu)LED，研制出深紫外、藍光無線通信系統(tǒng)。他以第一或通訊作者身份在Light-SciAppl.等學術(shù)期刊發(fā)表100余篇高質(zhì)量論文，被NationalScience Review、SemiconductorToday等做10余次專題報道，獲授權(quán)美國發(fā)明專利2件、中國發(fā)明專利30件，榮獲2019年中國電子學會科學技術(shù)（自然科學）二等獎。

實驗室

依托南京郵電大學微納器件與信息系統(tǒng)學科創(chuàng)新引智基地和PeterGrünberg研究中心，以“寬帶無線通信與傳感網(wǎng)技術(shù)教育部重點實驗室”和“江蘇省無線通信重點實驗室”為主要支撐。

其中微納加工設(shè)備包括：MA6雙面對準光刻機、KurtJ. Lesker電子束蒸發(fā)系統(tǒng)、KurtJ. Lesker磁控濺射系統(tǒng)、Samco反應(yīng)離子刻蝕機、牛津等離子氮化鎵刻蝕機、牛津等離子深硅刻蝕機、AccuThermoAW610V真空快速退火爐。

在材料表征方面，中心擁有場發(fā)射掃描電子顯微鏡、超景深三維顯微系統(tǒng)、JobinYvon激光共聚焦拉曼光譜儀、原子力顯微鏡、臺階儀、時間分辨共聚焦熒光顯微系統(tǒng)等。在器件測試方面，中心擁有高標準器件電學測試系統(tǒng)，其中包括：安捷倫B1500A半導(dǎo)體參數(shù)測試儀、大功率安捷倫E4438C信號發(fā)生器、DS09254A示波器及高/低溫電學測試探針臺、高速射頻探針、網(wǎng)絡(luò)頻譜分析儀、示波器、數(shù)字源表和高速APD光電探測器模塊等在內(nèi)的一系列半導(dǎo)體和通信性能測試所需設(shè)備。

在光電器件表征方面，可測量電流電壓特性、變溫電致發(fā)光譜、信號發(fā)生器、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀等，自行搭建了平面光子測試平臺、角分辨光譜測試平臺和可見光通信平臺等多功能測試平臺，能夠滿足文章內(nèi)芯片的測試需求。在仿真計算方面，中心擁有Rsoft、Comsol、Zemax以及HFSS等先進商業(yè)軟件，可以滿足本文章的器件設(shè)計要求。

美編 | 祝萌含、劉艷玲

校對 | 融媒體工作室

審核 | 陳倩