南郵王永進(jìn)團(tuán)隊(duì)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(xué)報(bào)》佳文速遞

原文：可見(jiàn)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(dòng)、光發(fā)射、光波導(dǎo)、調(diào)制、光探測(cè)、放大等器件做在一塊芯片上，實(shí)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(jìn)行信息傳輸，與集成電子芯片相比，實(shí)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(dá)，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(guó)外在硅基電子器件和光子器件方面建立了嚴(yán)密的產(chǎn)業(yè)技術(shù)壁壘，很難突破。要想出奇制勝，實(shí)現(xiàn)對(duì)等博弈，我們選擇氮化鎵半導(dǎo)體。

圖1 MGOS光學(xué)圖像

可見(jiàn)光通信感知一體化芯片

在目前信息時(shí)代，通信和感知是獨(dú)立存在的，例如4G通信系統(tǒng)只負(fù)責(zé)通信，雷達(dá)系統(tǒng)只負(fù)責(zé)測(cè)速、感應(yīng)、成像等功能。這樣分離式的設(shè)計(jì)既造成了頻譜資源和硬件資源的浪費(fèi)，又因?yàn)楦髯元?dú)立帶來(lái)了信息時(shí)延較高的問(wèn)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(jiàn)光通信則是有效對(duì)現(xiàn)有頻譜資源的補(bǔ)充和開(kāi)拓，可見(jiàn)光通信作為新一代無(wú)線通信技術(shù)，是我國(guó)“十三五”重點(diǎn)發(fā)展的信息技術(shù)之一。

可見(jiàn)光的波長(zhǎng)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(diǎn)，未來(lái)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(gè)原因，結(jié)合量子阱二極管發(fā)光譜和探測(cè)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(hào)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(duì)稱光信號(hào)通信鏈路系統(tǒng)，從而省去接收端對(duì)于PD器件的依賴，將接收和探測(cè)合二為一，比傳統(tǒng)發(fā)射器-探測(cè)器模式更加簡(jiǎn)潔并且探測(cè)效率更高。

可見(jiàn)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(jiàn)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(shí)現(xiàn)路燈甚至手機(jī)的自充電，以后不會(huì)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(xué)儀器的體積，大大減小了病患的痛苦。此外，可見(jiàn)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(chǎng)景。

作者團(tuán)隊(duì)

王永進(jìn)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(xué)專業(yè)博士學(xué)位，后在德國(guó)洪堡基金會(huì)、日本學(xué)術(shù)振興會(huì)和英國(guó)皇家工程學(xué)會(huì)的資助下，分別在德國(guó)弗賴堡大學(xué)、日本東北大學(xué)、德國(guó)于利希研究中心、英國(guó)布里斯托大學(xué)和日本名古屋大學(xué)，在諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主PeterGrünberg、HiroshiAmano教授等指導(dǎo)下從事科研工作。2011年，他回國(guó)任職南京郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，開(kāi)展無(wú)線光通信及集成光電子芯片研究。他是國(guó)家“111計(jì)劃”創(chuàng)新引智基地和全國(guó)高校黃大年式教師團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人、國(guó)家優(yōu)秀青年基金獲得者，榮獲全國(guó)歸僑僑眷先進(jìn)個(gè)人，是江蘇省委常委聯(lián)系科技專家。

王永進(jìn)教授在國(guó)家自然基金委優(yōu)秀青年項(xiàng)目、國(guó)家973前期預(yù)研項(xiàng)目和江蘇省重大研發(fā)計(jì)劃的支持下，發(fā)現(xiàn)量子阱二極管發(fā)光探測(cè)共存現(xiàn)象，闡明其物理機(jī)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(jìn)行芯片內(nèi)的信息傳輸，實(shí)現(xiàn)全雙工光通信；提出亞波長(zhǎng)理想LED模型，實(shí)現(xiàn)厚度225nm、發(fā)光波長(zhǎng)411nm的世界最薄垂直結(jié)構(gòu)LED，研制出深紫外、藍(lán)光無(wú)線通信系統(tǒng)。他以第一或通訊作者身份在Light-SciAppl.等學(xué)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(bào)道，獲授權(quán)美國(guó)發(fā)明專利2件、中國(guó)發(fā)明專利30件，榮獲2019年中國(guó)電子學(xué)會(huì)科學(xué)技術(shù)（自然科學(xué)）二等獎(jiǎng)。

實(shí)驗(yàn)室

依托南京郵電大學(xué)微納器件與信息系統(tǒng)學(xué)科創(chuàng)新引智基地和PeterGrünberg研究中心，以“寬帶無(wú)線通信與傳感網(wǎng)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”和“江蘇省無(wú)線通信重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”為主要支撐。

其中微納加工設(shè)備包括：MA6雙面對(duì)準(zhǔn)光刻機(jī)、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(jī)、牛津等離子氮化鎵刻蝕機(jī)、牛津等離子深硅刻蝕機(jī)、AccuThermoAW610V真空快速退火爐。

在材料表征方面，中心擁有場(chǎng)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(tái)階儀、時(shí)間分辨共聚焦熒光顯微系統(tǒng)等。在器件測(cè)試方面，中心擁有高標(biāo)準(zhǔn)器件電學(xué)測(cè)試系統(tǒng)，其中包括：安捷倫B1500A半導(dǎo)體參數(shù)測(cè)試儀、大功率安捷倫E4438C信號(hào)發(fā)生器、DS09254A示波器及高/低溫電學(xué)測(cè)試探針臺(tái)、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(cè)器模塊等在內(nèi)的一系列半導(dǎo)體和通信性能測(cè)試所需設(shè)備。

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

美編 | 祝萌含、劉艷玲

校對(duì) | 融媒體工作室

審核 | 陳倩