8 半导体光电子器件及集成技术丨“率先行动”第一阶段成果进展

自2014年“率先行动”计划实施以来，中国科学院以习近平新时代中国特色社会主义思想为指导，认真贯彻落实习近平总书记提出的“三个面向”“四个率先”要求，把实施“率先行动”计划作为重大政治任务和重大科技任务，在科技创新发展、国家创新人才高地建设、高水平科技智库建设、一流科研机构建设等方面取得了重大进展和突出成效，全面完成了“率先行动”计划第一阶段目标任务，在我国创新型国家和科技强国建设中起到了引领带动作用，为2030年全面实现“四个率先”目标打下了坚实基础。

在系统梳理“率先行动”计划第一阶段众多科技成果基础上，中科院按照“三个面向”凝练归纳出59项重大科技成果及标志性进展。

“中科院之声”开设“‘率先行动’第一阶段成果进展”专栏，为大家介绍相关成果进展。今天为大家介绍面向国家重大需求的“半导体光电子器件及集成技术”。

光电子器件及集成技术为后摩尔时代集成电路技术、新一代计算机、光通信、数据中心等领域创新发展提供重要技术支撑。成功研制了一系列自主可控的光电子器件：超辐射发光模块实现规模化自主可控供应，为国内唯一能提供全系 列超辐射发光二极管模块研制和生产单位，为诸多国家重大工程提供了稳定支持；窄线宽激光光源正样完成卫星在轨性能测试，成功应用于北斗三号系列卫星、实践十三号卫星等激光终端工程任务；高光束质量光子晶体激光合束技术取得重大突破；光网络用光分路器芯片及阵列波导光栅芯片关键技术已经实现产业化，创办的河南仕佳成为国际上规模最大光无源芯片生产商，2020年通过科创板审核。

窄线宽宇航级激光器及三维封装技术

高亮度光子晶体微结构激光器芯片

完成单位：中国科学院半导体材料与光电子器件卓越创新中心（半导体研究所）

「芯极速」干货｜半导体光电子器件有哪些？

文章转载自“芯极速”

根据全球半导体贸易协会的说法，半导体行业细分为：集成电路、光电子、分立器件以及传感器。其中光电子器件占整个半导体产业的比例在7%-10%之间。光电子元器件是通信行业的核心，具有光信号发射、接受、信号处理功能。

从目前的产业发展周期来看，光电元器件行业依然处于行业早期，未来市场潜力巨大。光电子元器件可分为光电芯片、光器件和光模块。

光自身固有的优点注定了它在人类历史上充当不可忽略的角色，随着人类技术的发展，其应用越来越广泛，优点也越来越突出。光电子器件有哪些呢？

光有源器件

1、光检测器

常见的光检测器包括：PN光电二极管、PIN光电二极管和雪崩光电二极管（APD）。目前的光检测器基本能满足了光纤传输的要求，在实际的光接收机中，光纤传来的信号及其微弱，有时只有1mW左右。为了得到较大的信号电流，人们希望灵敏度尽可能的高。

光电检测器工作时，电信号完全不延迟是不可能的，但是必须限制在一个范围之内，否则光电检测器将不能工作。随着光纤通信系统的传输速率不断提高，超高速的传输对光电检测器的响应速度的要求越来越高，对其制造技术提出了更高的要求。

由于光电检测器是在极其微弱的信号条件下工作的，而且它又处于光接收机的前端，如果在光电变换过程中引入的噪声过大，则会使信噪比降低，影响重现原来的信号。因此，光电检测器的噪声要求很小。

另外，要求检测器的主要性能尽可能不受或者少受外界温度变化和环境变化的影响。

2、光放大器

光放大器的出现使得我们可以省去传统的长途光纤传输系统中不可缺少的光－电－光的转换过程，使得电路变得比较简单，可靠性也变高。

早在1960年激光器发明不久，人们就开始了对光放大器的研究，但是真正开始实用化的研究是在1980年以后。随着半导体激光器特性的改善，首先出现了法布里－泊罗型半导体激光放大器，接着开始了对行波式半导体激光放大器的研究。另一方面，随着光纤技术的发展，出现了光纤拉曼放大器。80年代后期，掺稀土元素的光纤放大器脱颖而出，并很快达到实用水平，应用于越洋的长途光通信系统中。

目前能用于光纤通信的光放大器主要是半导体激光放大器和掺稀土金属光纤放大器，特别是掺饵光纤放大器（EDFA）倍受青睐。1985年英国南安普顿大学首次研制成掺饵光纤，1989年以后掺饵光纤放大器的研究工作不断取得重大突破。由于光纤放大器的问世，在1990年到1992年不到两年的时间里，光纤系统的容量竟增加了一个数量级。而在1982年到1990年的8年时间里，光纤系统的容量才只增加了一个数量级。光放大器的作用和光纤传输容量的突飞猛进，为光纤通信展现了无限广阔的发展前景。

当前光纤通信系统工作在两个低损耗窗口：1.55mm波段和1.31mm波段。选择不同的掺杂元素，可使放大器工作在不同窗口。

非线性的研制始于80年代，并在90年代初取得重大突破。光纤拉曼放大器是利用光纤的非线性光学效应——受激拉曼散射效应产生的增益机理而对光信号进行放大的。其优点是传输线路与放大线路同为光纤，因此，放大器与线路的耦合损耗小，噪声较低，增益稳定性较好。但由于这种光放大器需要很大的泵浦功率（数百毫瓦）和很长的光纤（数公里）。另外，光纤拉曼放大器的特性对光纤的偏振状态十分敏感。因此，光纤拉曼放大器目前还不能用于光纤通信。

光无源器件

光无源器件是光纤通信系统的重要组成部分，在光纤通信向大容量、高速率发展的今天，光无源器件显得尤为重要。今年来，新材料、新工艺和新产品在不断涌现，光无源器件正面临一个迅速发展的时期。

1、光纤活动连接器

光纤（缆）活动连接器是实现光纤之间活动连接的光无源器件，它还具有将光纤与其他无源器件、光纤与有源器件、光纤与系统和仪表进行活动连接的功能。在进一步提高光纤活动连接器性能的基础上，使其向小型化、集成化方向发展。

光纤活动连接器的集成化，不但增加了连接器的功能，而且更重要的是体高其它器件的密集度和可靠性，给使用者带来极大方便。

2、固定连接器

固定连接器又称固定接头或接线子，它能够把两个光纤端面结合在一起，以实现光纤与光纤之间的性连接。固定接头的制作方法按其工作原理有熔接法、V形槽法、毛细管法、套管法等。

光纤熔接机正朝着两个方向发展：一是向全自动、多功能方向发展；二是向小型化、简易化方向发展。目前普遍使用的全自动光纤熔接机设备笨重，价格昂贵。今后这一机型会朝着提高精度、降低成本、尤其是增加连接芯数的方向发展。

同时，随着光纤应用领域的扩大及用户不同的需要，对光纤熔接技术的要求也逐渐趋于多样化。因此，研制小型和超小型熔接机就成为第二个发展方向。同时致力于多芯光纤熔接机和保偏光纤熔接机的研究生产。

3、光衰减器

光衰减器是光通信中发展早的无源器件之一，目前已形成了固定式、步进可调式、连续可调式及智能型光衰减器四种系列。

目前，光衰减器的市场越来越大。由于固定光衰减器具有价格低廉、性能稳定、使用简便等优点，所以市场需求比可变光衰减器大一些。而可变光衰减器由于其灵活性，市场需求仍稳步增长。

国外的光衰减器性能已达到高性能要求，目前国外的一些光学器件公司正在不断开发各种新型光衰减器，以求获得性能更高、体积更小、价格更适宜的实用化产品。

4、无源光耦合器

光耦合器的研制、开发及应用已经历了近四十年，目前基本形成了以熔融拉锥型器件为主、波导器件逐渐发展的局面。随着光纤通信、光纤传感技术、光纤CATV、局域网、光纤用户网以及用户接入网等的迅速发展，对光耦合器的需求会进一步增大。

当前，能进行大批量生产单模光纤耦合器的方法是熔融拉锥法。但是在这种方法中，由于光纤之间的耦合系数与波长有关，所以光传输波长发生变化时，耦合系数也会发生变化，即耦合比发生变化，一般它随波长的变化率为0.2%nm。所以宽带化是耦合器的一个重要方向。

与此同时，为了适应各种光纤网络用户数量剧增的需要，一方面需要大功率的光源，另一方面在不断增加耦合器路数的同时，进一步降低附加损耗、减少器件体积，并提高使用的可靠性。

综上所述，未来的光耦合器将是宽带的、集成化的、低损耗和易接入的器件，还应根据要实现多路数、小型化等。

5、光隔离器

隔离器是一种光单向传输的非互易器件，它对正向传输光具有较低的插入损耗，而对反向传输光有很大的衰减作用。

目前，光隔离器已经产生了一系列的器件，如阵列光隔离器、小型化光隔离器，还有一些隔离器与WDM、Tap、GFF等滤波器混合的器件，这些器件都已研制成功，并批量生产。到目前为止，自由空间型、偏振相关型隔离器应用较多，主要用于有源器件的封装。

从实用的角度来看，光隔离器发展的主要方向是高性能偏振无关在线型光隔离器、高性能偏振灵敏微型光隔离器以及多功能光隔离器。

6、光开关

随着密集波分复用系统和全光通信网的使用，各结点上的信号交换直接在光域中完成，这就需要光开关。由于这些结点上进行交换的光纤和波长数量很多，所以这种光开关应当是大端口数的矩阵开关。因此，光开关的矩阵化和小型化是光开关发展的一个重要趋势。

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