促进光电子产业发展

推动光电子科技创新促进光电子产业发展21世纪中国光电产业论坛科学技术部基础研究司马燕合博士科技创新已成为社会和经济发展的强大推动力。正如江泽民同志所说：“科技的发展，知识的创新，越来越决定着一个国家、一个民族的发展进程。”“一个没有创新能力的民族难以屹立于世界先进民族之林。”信息技术使得整个人类社会发生了深刻变化。网络正逐步成为人类全新的生产和生活方式的基础设施。对容量和速度越来越高的需求和科技的迅猛发展，推动着我们从微电子时代进入光电子时代和光子时代。现在光电子材料与器件的发展日新月异，应用越来越广泛，在信息的获取、传输、存储、显示等方面尤为突出，其科研和产业化发展非常迅速，对人类进步起到了关键促进作用。近年来，光电子技术不断取得突破。光电子材料及器件技术正处在一个新概念、新结构、新方法、新技术层出不穷的极为活跃的发展期。动力主要来自不断突破信息网络和高速信息处理瓶颈问题的需求牵引。发展信息光电子技术要靠新思想、新概念、新原理；要不断地推出新结构、新材料、新器件；同时注重工艺技术的突破和创新。工艺技术落后是严重制约我国信息光电子技术发展的瓶颈。要以关键器件来带动工艺技术水平上台阶。加快关键器件目标产品开发，并加速推进其产业化，提示产业竞争力。（一）新型光电子材料及相关基础材料、关键设备和特种光电子器件(二)通信光电子材料、器件与集成技术（三）面向信息获取、处理、利用的光电子材料与器件（一）新型光电子材料及相关基础材料、关键设备和特种光电子器件•低维度化和高精度控制•由体材料发展到薄层、超薄层微结构材料，并正向纳米结构材料方向发展•材料系统：由均匀到非均匀由线性到非线性由平衡态到非平衡态•材料生长制备：控制精度向单原子单分子尺度发展发展趋势（一）新型光电子材料及相关基础材料、关键设备和特种光电子器件目前我国用于光电子研究和产业的基础材料和关键设备大部分依赖进口，大部分核心技术没有掌握。但经过多年努力，已经具备了一定的研发基础，部分工作成果甚至进入了国际前列。重要的是造就了一支充满活力的研究队伍，催生了一批相关的高科技企业。发展现状（一）新型光电子材料及相关基础材料、关键设备和特种光电子器件我国在新型光电子材料及相关基础材料、关键设备领域的知识产权状况并不令人乐观。衬底材料、气源、生长设备等大都需要进口，优势资源利用效率不高。急需加大创新力度，争取更多的自主知识产权，才有健康的产业发展。主要差距（一）新型光电子材料及相关基础材料、关键设备和特种光电子器件1、光电子基础材料与关键设备2、新型半导体材料及器件技术3、人工晶体和全固态激光器技术4、光电子材料的微观结构设计、性能预测与评价技术研究重点和关键技术•新型MO源•MO源高效生产工艺和检测技术•高纯氨（5.5N）和高纯硅烷的纯化和生产技术•生产型MOCVD设备研制•可用于Ⅲ族氮化物生长的大尺寸低位错密度ZnO，SiC、GaN等自支撑衬底和柔性衬底制备（含抛光）技术研究重点和关键技术1、光电子基础材料与关键设备研究重点和关键技术2、新型半导体材料及器件技术研制从红外到可见光波段的激光器、探测器、光学生物传感等方面应用的新材料、新器件。(1)Ⅲ族氮化物材料与器件技术(2)半导体微结构材料与激光器技术(3)化合物半导体材料技术(4)有机光电子材料技术(5)硅基光电子材料与器件技术研究重点和关键技术3、人工晶体和全固态激光器技术(1)人工晶体和全固态激光器技术（2）短波长新型非线性光学晶体材料和全固态激光器（3）大功率808nm光纤耦合模块产业化技术和应用技术（4）瓦级红、蓝全固态激光器产业化技术和应用技术研究重点和关键技术4、光电子材料的微观结构设计、性能预测与评价技术•微观结构与材料性能的关系•材料与器件的评价表征原理和技术•材料设计与性能预测(二)通信光电子材料、器件与集成技术1、光纤通信网络系统2、集成技术3、光通信关键光电子器件4、通信光纤规模生产工艺技术和新型通信光纤及特种光纤发展趋势1、光纤通信网络系统高速、大容量光纤通信系统–高速光同步数字复用系统(SDH/SONET)–密集波分复用(DWDM)系统–全光网络系统(AON)发展现状和趋势密集波分复用(DWDM)系统优越性：–超大容量–对数据格式“透明”–系统升级容易–可与全光网络兼容2、集成技术发展现状和趋势（1）光电集成芯片(OEIC)（2）光子集成芯片(PIC)（3）微光电机械芯片（MOEMS）（1）光电集成芯片(OEIC)OEIC包括单片集成和混合集成两种形式。单片集成是将半导体激光器/探测器等光电子器件及其驱动电路集成在一个晶片上，形成具有电驱动、光发射和光功率监测等功能的集成芯片，在光通信领域中的典型应用为单片集成光发射机和单片集成光接收机。混合集成OEIC是在不同的衬底上分别制作高性能的光电子器件和微电子电路，然后将二者紧密拼装在一起。混合集成OEIC的工艺实现相对来说较为容易，是单片集成OEIC的重要补充。长远来看，单片集成OEIC是实现高速大容量光通信的根本出路，这是因为它省去了大量的后道组装工序和组装成本，最大限度地消除了封装、引线和连线等寄生参量影响，可以实现极高的速率。（2）光子集成芯片(PIC)技术光子集成芯片技术包括•有源光子集成•无源光子集成•有源光子器件与无源波导器件集成（3）微光电机械芯片（MOEMS）技术微光电机械芯片通常是指包含一个以上微机械元件的光系统或光电子系统，其应用可遍及光通信，光显示、数据存贮、自适应光学和光学传感等多个方面。基于MOEMS技术的阵列光开关技术成为全光网络光交叉连接最有前途和希望的关键光电子器件，世界各大电信设备或器件公司都投入巨资来推动其快速发展并商用。总体来说，目前国外MOEMS光开关阵列尚未完全商用化。3、光通信关键光电子器件•各种通信光电器件是高速、大容量光纤通信系统的基础和核心。•器件综合性能（先进性、实用性、可靠性、经济性）决定其竞争力。•光电子器件发展速度远远高于光纤通信系统本身。•各类光电子器件在系统价格中所占有的比例已超过50%。发展现状和趋势3、光通信关键光电子器件通信光电子器件已进入高速发展时期，从量变正进入到质变的过程。新技术、新材料、新工艺不断被采用，如MOCVD/MBE/CBE的半导体材料生长技术、FHD/PECVD平面波导的制作技术、单片集成和光电集成技术、光学多腔干涉窄带滤光片技术、光电子器件的晶片倒装(Flip-Chip)技术、微光机电系统(MOEMS)技术等等。新型器件不断涌现，质和量的需求急剧增加。发展现状和趋势(1)多波长光源(2)光放大器(3)密集波分复用/解复用器件(4)色散补偿和偏振模色散补偿器件(5)全光网络器件(6)光接入网中的关键器件发展现状和趋势(1)多波长光源分为波长可调谐光源和单片集成多波长光源。波长可调谐光源是DWDM网络系统、全光网络系统的重要器件。目前研究较多的是基于AWG和EDFA的波长可调谐环行激光器、多电极DFB波长可调谐激光器和DFB波长可调谐激光器等。发展现状和趋势(2)光放大器主要包括光纤放大器和半导体激光放大器光纤放大器是新一代光纤通信系统必不可少的关键器件。实用化并大量应用于实际网络系统当中的是掺铒光纤放大器(EDFA)。目前的研究热点是超宽带EDFA(总带宽超过80nm)、分布式Raman光纤放大器以及相关高功率的泵浦激光器和系列光无源器件。半导体激光放大器由于体积小、增益带宽宽、性能价格比高、独特的非线性特性等特点，越来越受到人们的重视，有望成为在城域网和全光网中与光纤放大器相抗衡的关键器件。发展现状和趋势(3)密集波分复用/解复用器件密集波分复用/解复用器件主要完成多波长光信号的复用/解复用的功能，通常主要采用多层介质薄膜滤波器、光纤光栅滤波器和阵列波导光栅(AWG)等三种技术来制作。–多层介质薄膜滤波器–光纤Bragg光栅–基于SiO2/Si和Polymer技术的AWG复用器件发展现状和趋势(4)色散补偿和偏振模色散补偿器件•高速光传输系统是色散受限系统。要延长高速系统的传输距离，必须对传输光信号进行色散补偿和偏振模色散补偿。•补偿器件技术种类很多，其中无源器件补偿技术研发较为活跃，比如色散补偿光纤、虚拟成像相位阵列(VIPA)、晶体双折射器件等等。发展现状和趋势(5)全光网络器件•全光上/下话路分插复用(OADM)技术•光纤网的大信息吞吐量和高入网速率只有通过实时的光－光交叉连接(OXC)才是可行的。其中最关键的器件是高速光开关阵列。•高速光开关阵列的问题仍然没有解决，仍是研究开发的热点。•此外，全光网络中的关键光电子器件技术还包括可调光衰减器、可调光滤波器、可调谐激光器、光波长变换器、全光再生器等等。发展现状和趋势(6)光接入网中的关键器件光网络普及需求使低成本、小型化接入网器件成为研究热点，如光收发一体模块、单纤双向器件、大分波比光耦合器件、功率分配器等。•光收发一体模块•半导体超薄层量子阱材料生长技术•无致冷量子阱半导体激光器和2.5Gb/s量子阱DFB激光器等系列产品•掺铒光纤放大器(EDFA)•介质膜滤光片型DWDM器件发展现状和趋势4、通信光纤规模生产工艺技术和新型通信光纤及特种光纤光纤通信发展不断对光纤提出了新要求。新型通信及特种光纤的发展极大地推动着光纤通信技术的跨越式发展。光纤预制棒制造技术是光纤制造技术的核心。中国没有自主知识产权的光纤制造技术将是我国光纤产业健康发展的巨大障碍，使我们在国际竞争中处于劣势。发展现状和趋势光电集成(OEIC)、光子集成(PIC)材料和芯片关键工艺技术的研究与开发•材料外延技术•精确的器件建模和电路设计技术•单片集成电路关键加工技术•器件隔离和单片集成的散热和串扰问题•器件工艺兼容性和器件可靠性问题•OEIC器件高速互连和封装技术研究重点和关键技术1、集成光电子芯片技术光子集成芯片关键基础工艺技术研究与开发•集成光子器件和工艺的CAD和TCAD模拟设计及软件开发•无源平面波导材料生长和器件工艺技术•有源光子集成器件的非平面材料生长和器件工艺技术•光子集成器件的多光纤耦合和实用化封装技术等研究重点和关键技术1、集成光电子芯片技术1)光收发器件解决光收发系统用各类器件、芯片、组件和模块自主设计制造技术和规模化生产技术•各种速率激光器和探测器制造工艺技术•超高速集成电路的设计制造技术•集成电路、光电器件和光纤的混合集成技术研究重点和关键技术2、光通讯关键光电子器件2)光放大和色散补偿器件•光纤放大器980nm/14xxnm泵浦激光器实用化关键技术•用于10Gb/s以上高速光纤通信系统的色散补偿和偏振模色散关键技术•新型宽带色散补偿和偏振模色散器件研究重点和关键技术2、光通信关键光电子器件3)密集波分复用/解复用器件•160通道DWDM系统用的MUX/DEMUX器件关键技术•32通道MUX/DEMUX器件规模化生产技术•新型MUX/DEMUX器件及实用化产品技术•100GHz信道间隔的介质膜滤波器生产技术•光学梳状滤波器（Interleaver）目标产品的结构设计•微光学晶体加工、耦合封装与调测技术•窄带光纤光栅滤波器（50GHz）写入、封装技术研究重点和关键技术2、光通信关键光电子器件4)全光网络节点器件•全光网络用光开关、可调光衰减器、可调谐激光器、可调光滤波器、光波长变换器、全光再生器•光分组交换和高速光互连关键技术和器件研究重点和关键技术2、光通信关键光电子器件5)光接入网用低成本器件•光接入网用新型光电子器件及模块技术•降低光电子器件成本、实现规模化生产–光接入网用155Mb/s至2.5Gb/s光接收/发射芯片–小尺寸SFF封装模块规模化生产技术研究重点和关键技术2、光通信关键光电子器件1)通信光纤规模化生产技术•管内法与外沉积技术结合的光纤预制棒制造新技术（混合工艺）•外沉积光纤预制棒制造新技术研究•溶胶-凝胶（Sol-Gel）合成石英玻璃工艺技术研究研究重点和关键技术3、通信光纤生产工艺技术和新型通信光纤及特种光纤2)新型通信光纤和特种光纤•满足ITU-T最新标准的新型通信光纤研制•新一代多模光纤