光电子技术的“破茧”之路

■本报记者胡珉琦

近日，中国科学院半导体研究所（以下简称半导体所）“半导体光电子器件及集成技术”入选了中科院“率先行动”计划第一阶段重大成果及标志性进展。

作为国家信息产业的基础技术之一，光电子技术在宽带互联网、高性能计算、智能机器人、先进制造和智慧城市等多个领域起到关键性支撑作用。它也因此成为了衡量一个国家综合实力和国际竞争力的重要标志。

认准了半导体光电子器件及集成技术是构建未来信息社会的核心和基础，半导体所在“十二五”和“十三五”期间，分别将其作为重点培育方向和重大突破方向，坚持面向国家重大需求，突破半导体光电子器件及集成技术的瓶颈，研制出自主可控核心光电子器件，以实现其在光通信、光互连、光传感等领域的典型应用。

在限制中突破

新一代信息技术、机器人、航空航天装备、新能源汽车、新材料、生物医药及高性能医疗器械等，这些中国制造重点领域都离不开一项支撑技术——激光技术。

而半导体激光器是全固态激光、光纤激光、气体激光等的泵浦源，是核心器件，不可或缺、不可替代。但我国在激光芯片方面的发展现状却是低端芯片依赖进口，高端芯片受制于人。

1996年11月开始实施的《瓦森纳协定》明确了对中国禁运的半导体激光芯片的清单，且随着技术的演进，每年清单中的器件类型、器件指标都在不停更新，旨在将中国的半导体激光器应用技术限制在低端水平。

2003年博士后研究工作结束后返回半导体所的郑婉华，只想到了一条出路——突破高性能激光芯片技术，而且必须探索一条自主发展的道路，实现换道超车。

当年她向科技部提出建议，中国应该创新发展光子晶体半导体激光器新原理与新技术，解决半导体激光面临的功率密度低、光束质量差的世界性难题。这一提议不仅获得了“863”项目的支持，后期也得到了国家自然科学基金等新项目的帮助。郑婉华团队在2006年率先在中国实现光子晶体激光的突破，中国也成为了当时实现光子晶体激光激射的少数几个国家之一。

许多半导体人都有着和郑婉华一样的境遇和经历。“限制”反而成了光电子技术突破的磨刀石。

同样艰难迎战的还有光通信芯片团队。国家宽带网络建设的核心芯片，以前主要掌握在美国、日本、韩国、丹麦及英国等国的几家企业手中，中国以进口芯片封装为主。面对国家光网络建设需求，半导体所经过10多年的技术攻关，不仅解决了光分路器及AWG芯片设计及关键工艺问题，还实现了光分路器及AWG的成果转化。如今，光分路器芯片全球市场占有率达50%以上，AWG芯片实现海外市场突破，有力保障了我国宽带网络建设芯片的自主可控，促进了我国硅基光子学器件的产业链完整性建设。

度过漫长的沉默期

光电子技术，特别是芯片技术，一头是研发，一头是制造。要从这一头走到那一头，并且稳稳地落地，常常是孤独又漫长的。

2010年，半导体所光通信芯片团队开启了成果转化之路。10年中，他们需要解决损耗均匀性、芯片良率、工艺稳定性、一致性及可靠性等一系列问题。“这些问题在半导体所基础研究中并非重点关注的问题，而在产业化中却是必须解决的。”半导体所研究员安俊明告诉《中国科学报》，为此，一款芯片需要30多次的设计优化制版、上百次的实验流片验证，才能使芯片性能达到国际同类芯片水平，与国外芯片同台竞争。

他说，团队还非常注重每个细节的芯片开发方式。“比如AWG芯片，结构中分五大部分，还有上千条波导的结合，而涉及的性能参数，每个通道就有十多个，看似千头万绪。一个参数的好坏受多方面的影响，如何准确判断问题所在？团队人员会把芯片的每一部分分别进行研究，不放过任何可能的影响因素，才使问题一步步得到解决。”

为了加快研究进度，团队想尽了各种办法。安俊明说：“我们经常会有一些方案，大家会预测结果，比如我们曾经预测第一次流片的光分路器损耗，有的说会达到10dB以下，有的说刚流片，不会那么乐观，这种打赌的方式也提升了转化速度。”

郑婉华也坦言，实验室的技术成果向市场转化的过程困难重重。

在她看来，半导体激光芯片是一个高资金投入、高密集人才、高度设备依赖的技术，如果上述问题得以克服，仍然面临实验室样品向批量化转移中的诸多工程技术难题。“因为我们先于国外开展这种高端激光芯片的批量制造，因此解决这些难题没有捷径可走，必须投入时间、人力、物力，且需要全体人员不浮躁、沉下心，一个难题一个难题攻克。”

“半导体光电子技术领域的研究工作，目前都是硬骨头工作，存在发表文章难、出成果难的问题。在人才培养方面，由于很难获得各种人才称号，我们只能以身作则，以国家需求为己任，留住人才。”郑婉华说。

壮大转化队伍

半导体所除了以基础前沿为引领来立身，同样重要的是在全面服务国家重大需求和国民经济发展中发挥不可替代的基础支撑作用。急国家和市场之所需一直是该研究所坚持的科研文化。

郑婉华表示，得益于国家、中科院“率先行动”计划和研究所在技术转移方面的优厚政策，最大化地提升了年轻人的收入水平，从而逐渐吸引了一些有理想、有抱负的博士生留下来，投入到这项事业中。

对科研人员而言，要投身转移转化，最难转变的是思维。如果思维转变不过来，再好的政策也无法推动。这就要求部分研究人员带头去从事成果转化工作，从而形成示范效应，让更多人加入这一行列。

目前，以半导体所为技术方的河南仕佳已成为国际上规模最大的光无源芯片生产企业。今年8月，河南仕佳正式在科创板上市，这也为半导体所人走在成果转化的道路上加足了信心。

值得一提的是，在这一过程中，半导体所已经形成了一支从理论分析、设计优化、工艺开发到产业化应用，完整的、训练有素的、敢于啃硬骨头的团队。也因此，半导体所承担了中科院科技成果转移转化重点专项（弘光专项）“硅基二氧化硅阵列波导光栅芯片产业化”，实现了我国数据中心及骨干网核心波分复用芯片的国产化，更加提升了科技成果转化能力。

提到团队培养的经验，安俊明表示，“我们的特色是把研究生的培养放在产业转化一线，使他们掌握的知识更接地气，他们的许多经验、教训来源于生产实践，这在研究所是无法得到的。”如此培养的年轻人，在今后从事科研的过程中，也会更注重我国光电子产业链中的难点问题、设计及开发的实用性和产业转化的可行性，更注重解决国家急需的产业化难题。

来源：《中国科学报》

时基集成电路的工作原理及典型应用电路

时基集成电路也叫时基芯片，是一种可以产生时间基准和能完成各种定时控制功能的模拟集成电路。目前常用的时基芯片是555单时基芯片和556双时基芯片。下面以555单时基芯片为例进行介绍。

(1)构成

555单时基芯片(型号主要有EN555、HA17555、CA555、LM555)有DIP-8双列直插8脚和双列贴面8脚SOP-8(SMP)两种封装形式。它的内部由电阻分压器、比较器、RS触发器、放电开关、输出电路5个部分构成，如图2-49所示。它的引脚功能如表2-23所示。555单时基芯片是由于它内部的3个5kΩ分压电阻而得名的。

(2)工作原理

首先，电源电压 V CC 通过R1、R2、R3取样后，产生(1/3) V CC 和(2/3) V CC 两个取样电压。其中，(1/3) V CC 作为基准电压加到比较器 A2 的反相输入端，(2/3) V CC 作为基准电压加到比较器A1的同相输入端。

当555单时基芯片的②脚电位低于(1/3) V CC 时，比较器A2输出低电平控制电压，该电压加到RS触发器的S端，使RS触发器翻转为1态。它的Q端输出高电平信号，杠Q端输出低电平信号。Q端输出的高电平电压通过输出电路放大后从③脚输出，而杠Q端输出的低电平使放电管VT截止。

图2-49 555单时基芯片实物和内部构成方框图

表2-23 555单时基芯片的引脚功能

表2-23

当555单时基芯片的⑥脚输入的电压超过(2/3) V CC 后，比较器A1输出低电平电压，该电压加到RS触发器的R端使它翻转为0态，Q端输出的低电平电压通过输出电路放大后使输出变为低电平，同时从Q端输出高电平电压使VT导通。

另外，触发器能否工作受④脚电位的控制。若④脚为低电平，触发器不工作;只有④脚为高电平后，触发器才能工作。

(3)典型应用电路

555 单时基芯片和少量的阻容元件就可以构成单稳态触发器、无稳态触发器(多谐振荡器)、双稳态触发器和施密特触发器。下面介绍555单时基芯片构成的单稳态触发器、无稳态触发器、施密特触发器的基本原理。

1)单稳态触发器。图2-50所示是555单时基芯片构成的一种典型单稳态触发器。该电路的核心是555单时基芯片、电阻R和电容C， U i 是输入信号， U o 是输出信号， V CC 是供电电压。

当输入信号 U i 为低电平，使555的②脚电位低于(1/3) V CC 时，555的③脚输出高电平电压，而且它内部的放电管截止，此时， V CC 通过 R对 C充电。当 C两端的充电电压超过(2/3) V CC 后，555内的 RS触发器翻转，③脚输出低电平电压，同时它内部的放电管导通，通过⑦脚使C快速放电。C充电到(2/3) V CC 的时间就是波形的高电平宽度，即 t W =1.1 RC 。

由于555只有②脚输入低电平信号后，③脚才能输出一个高电平脉冲，所以该电路属于单稳态触发器。

图2-50 555单时基芯片构成的单稳态触发器

2)无稳态触发器。图2-51所示是555单时基芯片构成的一种典型无稳态触发器。该电路的核心是555单时基芯片、电阻R1/R2和电容C。 U C 是输入信号， U o 是输出信号， V CC 是供电电压。

图2-51 555单时基芯片构成的无稳态触发器

通电瞬间，电源电压 V CC 通过R1、R2对C充电，充电电压使 U C 不足(1/3) V CC 时，555的③脚不仅输出高电平电压，而且它内部的放电管截止。随着C充电的不断进行，当C两端的充电电压超过(2/3) V CC 后，555内的RS触发器翻转，使③脚输出低电平，同时它内部的放电管导通，通过R2使C快速放电。当C两端电压低于(1/3) V CC 后，555的③脚再次输出高电平，重复以上过程，从而形成了多谐振荡脉冲。

3)施密特触发器。图2-52所示是555单时基芯片构成的一种典型灯光自动控制电路。该电路的核心是由555单时基芯片、光敏电阻RG等元器件构成的施密特触发器。

无光照时，光敏电阻RG的阻值较大，电源 V CC 通过R分压后提供电压为(1/2) V CC ，而555的⑤脚电位在C的作用下低于(1/2) V CC ，所以555的③脚电位为低电平，不能为继电器K的线圈供电，K的触点闭合，接通EL的供电回路，EL发光。有光照时，RG的阻值迅速变小，使555 的②、⑥脚电位低于(1/3) V CC 后，555的③脚输出高电平电压，该电压使K的线圈产生磁场，致使K内的触点释放，EL熄灭，实现灯光的自动控制。