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 全“讲、比”组办发〔2014〕11号
   为深入贯彻党的十八大、十八届三中全会精神和习近平总书记系列重要讲话精神,服务实施创新驱动发展战略,进一步推动“讲理想、比贡献,奋力实现中国梦”活动(以下简称“讲、比”活动)深入开展,营造群众性技术创新活动的良好氛围,全国“讲、比”活动领导小组(国家发展改革委、科技部、国务院国资委和中国科协)决定对2013-2014年度在企业开展“讲、比”活动中有突出贡献、有示范作用、辐射性强的先进集体、创新团队、创新标兵和优秀组织者进行评选表彰。根据《全国“讲、比”活动表彰... >> 详细

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 征稿通知
关于2013-2014年度全国“讲理想、比贡献,奋力实现中国梦”活动先进集体、创新团队、创新标兵和优秀组织者入选名单公示的通知

 全“讲、比”组办发〔2014〕11号

   为深入贯彻党的十八大、十八届三中全会精神和习近平总书记系列重要讲话精神,服务实施创新驱动发展战略,进一步推动“讲理想、比贡献,奋力实现中国梦”活... >> 详细

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创新成果

2016/7/15
愿做一道微光,照亮未知世界

文/刘荣 曹丽娟

            

                    装备发展部刘胜部长(右二)视察半导体所,祝宁华汇报高速光电子器件研究进展情况

10日,2016年国际光电技术与应用系列创新研讨会在北京国家会议中心开幕,中国光学工程学会举行了盛大的颁奖典礼,17项优秀科研成果分别获得第二届“2016年中国光学工程学会科技创新奖”,以及首届“2016年中国光学工程学会金国藩青年科技创新奖”。

中国科学院半导体研究所“宽带微波信号产生与传输的光子技术”项目摘得2016年中国光学工程学会科技创新奖一等奖的桂冠。消息一出,人们在关注和热议这项创新成果的同时,对于其背后的科研团队,也是好奇心泛滥。

据了解,完成这项科研成果的牵头单位,是中科院半导体研究所微波光电子团队,由祝宁华研究员组建于1998年,是集成光电子学国家联合重点实验室和中国科学院固态光信息技术实验室的重要组成部分,目前有核心成员16人,在读博士和硕士研究生30余人,主要致力于光电子技术相关领域的研究。

可以说,这是一支硕果累累的研究团队——至今为止,他们研制的高速激光器、高速探测器、窄线宽激光器等系列产品在中国电科集团、航天集团等50余家大型知名企业成功应用,好评连连;他们在高速模拟直调激光器的研究上已经达到了国际领先水平;他们出版了3部专著,发表了200余篇高质量学术论文,仅获得的国家授权发明专利就有近百项。

           

                          装备发展部刘胜部长(前左一)视察半导体所,祝宁华(右二)汇报高速光电子器件研究进展

也可以说,这是一支低调的科研队伍——在有点事儿就要“上热搜”、“上头条”的今天,他们瞄准国家重大任务需求,专注探索前沿基础科学和高新技术。就连这次获奖,除了象征性地发了通稿之外,媒体上就再没见关于他们的过多描述。

这种“犹抱琵琶半遮面”的神秘感,更是增加了人们的好奇和猜测,他们为什么如此低调?他们究竟在研究什么?

瞄准行业缺口

事实上,微波光电子团队的研究对象微波光电子技术、高速光电子技术并不像人们想象的那样神秘,严格来说都属于光电子技术的交叉方向,目前在很多领域都有广泛应用。而这种交叉融合的方式,也是近年来光电子技术的发展趋势。

光电子技术,确切地应该称为信息光电子技术,是光子技术和电子技术结合而成的高新技术,涉及光显示、光储存、激光等领域,是未来信息产业的核心技术,也是我国的先导产业,在国防工业、能源、汽车、信息技术等产业的发展中发挥着战略性的作用。

              

     国家保密局田静局长(前左一)视察半导体所,祝宁华(前左二)汇报光网络攻防体系的研究进展情况

                1998年,受中科院“百人计划”感召,祝宁华举家从德国回到中国,并在中科院半导体所组建微波光电子研究团队。此后近20年,这支队伍在祝宁华的带领下,逐渐成为我国光电子技术领域的代表性研究团队之一,并在高速半导体激光器等光电子器件及应用研究领域不断取得创新突破,有效提高了我国光电子器件及应用技术的发展水平。

最为称道的成绩之一,是他们提出了高速光电子器件动态特性精确测试方法。祝宁华表示,芯片高频特性的精确测试,一直是困扰业界的老大难问题之一。“因为光电子芯片的尺寸非常小,长度仅有200~300微米,波导宽度仅有2~6微米,这使得芯片与测试夹具尺度之间相差了数百倍,并且芯片与测试仪器本身还存在严重的阻抗失配(激光器3~8欧,探测器和调制器数百欧),所以在原来的技术水平下,要想实现精确测试难度非常大。”

微波光电子团队在祝宁华带领下,针对这一难题开展研究攻关,有效解决了微波矢量网络分析仪校准中的相位不确定性、校准方程相关性、频率限制等关键问题。这一突破让扣除测试仪器和夹具的影响变为可能,为获得较为准确的高频特性参数奠定了基础。

据悉,光电子器件高频响应测试主要分为两类采用微波网络分析仪测量器件在某一驱动信号幅度和不同频率下的响应特性,以及采用误码分析仪测量器件在不同驱动信号幅度和某一速率时的响应特性。

据祝宁华介绍,一直以来,业界都没有能适用于不同频率和不同驱动幅度下响应特性的测试方法和分析模型。意识到这一需求缺口,微波光电子团队在前期所获突破的基础上继续展开研究,首次提出了激光器动态P-I特性曲线/曲面的概念,并给出了相应的测试方法。一系列测试证明,采用该方法商用仪器能够获得器件特性的直观描述,从理论上解决了工作参数优选的问题,为获得最佳高频响应特性提供了技术保证。

大胆决策创新

正所谓“蛇无头而不行,鸟无翅而不飞”,每个队伍都有其灵魂人物,并且作为队伍的核心,其实力也极其重要。对于微波光电子团队来说,这个人无疑是祝宁华,他专注科研、淡泊名利的精神一直感染着团队里的每一个人。

在从事高速光电子学理论、器件及系统研究的30多年里,祝宁华修正了光电子器件的模场理论,建立了器件优化设计分析模型,提出了一系列测试和封装设计方法,组织了光电子领域发展战略规划的研究和实施,为我国光电子学的发展作出了重要贡献。

多年来,微波光电子团队之所以能够频频在光电子研究领域取得创新和突破,一定程度上与祝宁华这个带头人多次敢为人先的大胆决策息息相关,封装技术的创新就是一个很好的例子。

封装技术,是一种将集成电路用绝缘的塑料或陶瓷材料打包的技术,也可以是指半导体集成电路芯片用的外壳,发挥着安放、固定、密封、保护芯片和增强导热性能的作用,同时也是沟通芯片内部与外部的桥梁芯片上的接点用导线连接到封装外壳的引脚上,这些引脚又通过印刷电路板上的导线与其他器件建立连接。因此,对于很多集成电路产品而言,封装技术是非常关键的一环。

TO封装是激光器比较常用的一种成本较低的封装技术,一直以来业界普遍认为,这项技术只适合封装低速率半导体激光器。祝宁华却不这么认为,他向863专家组提出了研制高速TO激光器的大胆建议。

随后,他带领团队展开攻关,提出了一种光电子芯片本征动态特性参数提取方法,可以扣除芯片电极和封装所引入寄生参数的影响。同时,他们还提出了封装设计潜在带宽分析的概念,据此发展了封装寄生参数影响的综合评估技术,为芯片及模块的优化设计提供了有效手段。

这些创新的设计思路后来被微波光电子团队成功应用于激光器、探测器和调制器的封装设计中,研制出10Gb/s和40Gb/s数字通信激光器模块,并与华为、中兴、光迅、海信等公司合作,开发了一系列高速光收发模块,近五年累计创造了近20亿元的新增销售。

与此同时,祝宁华长期从事高速激光器的理论和实验研究,在意识到这一光电子器件的发展前景时,他在我国率先提出了研究高速激光器的建议,并从1998年开始,先后主持研制了2.5GHz、10GHz、18GHz高速激光器相关项目,使我国在该领域的技术水平从起步到跟踪发展再到国际领先,为我国多个重大型号任务中核心元器件的自主可控做出了贡献,相关成果获2013年度国家技术发明二等奖。他将这些研究整理成《光电子器件微波封装和测试》、《光纤光学前沿》等专著并出版,为我国光电子器件产业的发展提供了指导和借鉴。

超前布局规划

多年来,微波光电子团队都能够在激烈竞争中抢占先机,对所处行业未来的发展趋势进行预判,并提早部署研究计划。这已经成为他们的制胜法宝。最具代表性的,就是他们对光电子发展趋势的预判。

众所周知,全球已经步入信息经济时代,信息产业成为了许多国家的支柱产业。而光电子技术的发展在很大程度上决定着信息产业的发展水平。祝宁华介绍说,高速光电子器件在光通信系统的各个层次都有重要应用,如高速光传输、大容量光交换、宽带光接入和微波光子技术等,是实现高速光信息生产、传输、放大、探测、处理等功能的器件,是宽带通信网络的核心,而激光器则是光通信系统的“心脏”。

祝宁华很早之前就曾指出,随着光网络和光通信技术向大容量、低功耗和智能化方向发展,为实现更高速、更宽带光通信传输系统,光电子集成将会成为高速光电子器件的发展趋势之一,同时也是突破速率和能耗两大制约光通信技术未来发展瓶颈的有效途径,而高速激光器的研制也会成为行业焦点。

意识到这一发展方向的重要性,2009年左右,祝宁华组织实施了“信息光电子学”系列研讨会,以及863计划和基金委“十二五”、“十三五”光电子领域发展战略规划研究,促成了多个863主题项目和国家基金委重大项目的立项,积极推动了高速光电子集成芯片的发展。

不仅如此,祝宁华还带领微波光电子团队针对高速光电子集成器件在国内率先开展深入探索研究,取得了突破性进展。他们提出了光电子集成芯片阵列三维封装技术,解决了光电子集成芯片封装过程中面临的微波阻抗严重失配、模场失配和串扰等难题。美国光学学会刊物OPN以《中国光子集成》为题对微波光电子团队的相关研究进展做了大篇幅封面报道,进一步提升了我国在这一前沿领域的国际影响。

成绩证明实力

在过去的近20年,祝宁华带领的这支队伍在高速光电子器件领域的研究中,为我国实现了一个又一个创新突破,但他们却很少对外提及。对他们来说,科研需要沉浸其中,而他们有限的时间只够用来投入研究,再无暇顾及其他。所以这些年,这支队伍证明自己实力的方式“简单”、“粗暴”不断创新、不断突破,不断刷新成果记录:

他们在光通信和光网络的核心器件高速光波导调制器的研制方面,采用保角变换法和点匹配法,很好地解决了以有限元为代表的常用数值计算法难以精确描述光调制器电极边缘效应的难题,确保了光波和微波传输特性测试分析的精确度,为器件设计和制备提供了有效保证。

他们首次将变分理论用于光波导传输特性分析,有效解决了采用数值分析法进行优化设计时面临的异常困难,建立了光波导基膜和高阶模场分布的解析表达式,并在此基础上获得了导模数目和模式传播常数等参数,在不同结构的光波导分析中成功应用,相关成果荣获中国科学院自然科学三等奖。业内评价称:“该方法表达式简单、参数确定方便、精确度高,为完善光波导理论体系作出了重要贡献。”

他们创新性地提出基于频率分束法的光外差技术,将光谱结构分析从光域转到电域,解决了传统Michelson干涉仪光谱分析法存在的光束发散、透镜振动等限制问题,将光谱分辨率由105提高到了1017。借助这一方法,他们研究了光波列(构成光谱的基本单元)的线宽和长度,以及时间和频率分布规律,建立了半导体激光器超精细光谱结构模型。同时,基于该理论,他们还提出了非对称耦合腔的单片集成激光器机构,能够将线宽压榨到35KHz以下,比常规DFB激光器小了2个量级。航天五院测试后确认其满足航天定标要求,意味着我国在该类核心器件的研发上实现了自主可控。

他们还大胆提出频率相干性概念,完善了波长不同的两束光相干性描述,明确双光束拍频产生微波信号的频谱线宽取决于光束相干性,与光束本身光谱线宽无关,以及两个单片集成激光器的输出光也具有频率相干性,并首次实现了基于微波光子技术的单片集成窄线宽微波源芯片,具有体积小、调谐范围大、不需要微谐振器等特点。

这种可调谐激光器在5微秒内实现了DC~40GHz的快速扫频,与传统电子学微波源技术相比,大大拓宽了频带快读,扫频速率提高了3个量级。这一突出成果一经发表,便立刻获得了UrekAlert和总参某部的高度关注,认为该方法为实现高效电子对抗装置及系统提供了可能。

…………

在科研上,这支队伍的表现其实很高调提出大胆建议的是他们,提前判断发展趋势的是他们,打破国外禁运限制的也是他们,这些华丽的成果是他们非凡实力的最佳佐证。低调,只是为了屏蔽一切干扰和杂念,心无旁骛地沉浸在科研的世界中。

对于光电子技术的未来,祝宁华表示,光电子技术发展至今,已经对国家的发展产生了重要影响,大到军工、航天、国防等领域,小到家用电器的信号传递、灯光照明等。全球光电子技术产业的市场规模已超1万亿美元,我国的光电子技术产品市场也始终保持着两位数的高速增长,市场可观、潜力巨大。

这也意味着,微波光电子团队未来可做的事情还有很多,他们已经有了目标继续就速率和效率两大瓶颈问题展开技术攻关,研究高端光电子器件、模块及系统集成技术,研制面向国防应用的高可靠高速光电子产品,以支撑信息装备升级和改造,力争成为我国高速光电子器件、模块和系统应用的核心科研基地。

未来,低调仍将会是微波光电子团队的科研风格。他们甘愿做一缕微光,去发现和照亮光电子技术领域那些还未被“开垦”的土地。此刻,面对充满无限可能的未知世界,他们已经扬帆起航!   

 

 

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