一、兴业机械首席研究员:背景介绍。

 

　　2014 年10 月3 日,奥巴马宣布将启动“光量子集成制造技术(IntegratedPhotonics Manufacturing)创新中心”竞标,——这也是奥巴马15 个制造业创新中心计划的第6 个实验室,国防部将提供1 亿美元资金支持,同时私人部门投资1 亿美元,此次竞标是“美国制造业创新中心计划”2014 年启动的第2个项目,奥巴马早前宣布将在年内启动4 个新项目。

 

　　该创新中心将关注在美国发展“端到端的(end-to-end)光量子集成技术产业链”,包括代工,集成设计工具,自动封装,组装和测试,以及人员培训。

 

　　光量子集成技术,将像传统的激光器、电子通信技术一样在通信领域具有广泛而多样的应用前景。它将带来互联网传输能力的革命,一方面带来更高的带宽容量,另一方面成本更低。

 

　　同时,光量子集成技术将推动医学技术革命,依托该技术可以生产比药片更小,可以在血管中穿梭的微型相机,从而可以无创(不需要取血)检测糖尿病患者的血糖水平。此外,光量子集成技术还有望将个人基因测序的成本从目前的5000 美元降低到1000 美元。

 

　　在国防领域,光量子集成技术将会在显著提升战场成像质量、雷达(全光子雷达)性能等方面有广阔应用前景。

 

　　2011 年10 月,国际知名纳米科学专家王肇中博士后加盟华工科技成为华工首席科学家,负责量子点激光器的研发和推广。量子点激光器是最新一代量子工程研究的成果,在国际上处于技术前瞻性研究,公司已经开始工程实践性研究,主要集中精力解决了项目最前端的外延材料生长环节,包括MOCVD 外延设备的引进,外延技术团队的建设和外延技术的开发,公司主要着重材料和设备的研发。

 

　　二、华工科技子公司华工正源总工程师:公司及行业介绍。

 

　　1. 公司基本情况。

 

　　华工正源光子技术有限公司成立于2001 年3 月,注册资本4.41 亿元,是华工科技产业股份有限公司的核心子公司。现有员工2000 余人,包括多名业界资深及海外归国的高级技术专家,厂房面积21000 平方米,其中超净化面积10600 平方米,包括2200 平方米千级以及250 平方米百级超净化车间。正源光子致力于为客户提供高性价比产品的主流光器件制造商,具备从管芯-TO-器件-模块垂直整合能力,拥有管芯-TO-器件-模块大规模生产线,特别是在核心的激光器芯片产业化生产方面,公司拥有一条自主半导体量子点激光器芯片生产线,相关的MOCVD、光刻机、PECVD 等相关测试检测设备具备每月120 万片的生产能力,在MO 生产技术方面拥有多项发明专利。虽然目前公司芯片加工平台停留在3-5 微米级水平,距离实现量子点激光器大规模生产仍有差距,但我们有多年从事量子点激光器生产的工程技术人员,以及他们所积累的在微纳加工方面的工艺技术、激光器测试经验,为我们早日实现高端量子点激光器大规模研发和生产打下坚实基础。公司有覆盖国内外的销售服务网络,主要客户包括华为,中兴,谷歌、Cisco、诺西等国内外顶尖系统设备制造商。

 

　　2. 量子点技术。

 

　　21 世纪,量子力学从理论研究走向了实际应用,在量子力学的框架下,当前蓬勃发展的光电子工业可以简单地看成微电子技术和光子技术的结合体。从电动力学到量子力学的发展,半导体量子激光器是实现光电转换的元器件,是电子技术和光子技术结合必不可缺的光源,在光电子工业中,激光器的芯片技术是整个工业的核心基础。近25 年来,物理激光器的研发经历了从经典到量子的演变:从三维(晶体激光器、半导体二极管激光器等传统激光器)到二维(量子型激光器FCDIB),从一维(量子线激光器)到零维(准量子激光器)。激光器的体积越来越小,光电转换效率越来越高。量子点激光器是在量子阱与量子线激光器基础之上,对注入的载流子进行三维量子限制,是目前国际上半导体激光器研发的前沿领域。量子点激光器具有独特的物质性能,比如:比较窄的尖峰式强度分布、量子的共振隧深、非线性光学,因而具有更强的干涉性、更低的阈值电流以及更高的特性温度,可以极大的改善器件的光电转换性能。在半导体光电器件中,光电的转化是半导体异质结外延片,是由若干个对布拉格反射镜子构成的围枪眼产生激光,与硅晶圆片在电子工业中的作用类似。因此半导体异质结的外延片是整个光电子工业的基础材料,对后期方案的工业水平起到了决定性的作用。因此,外延片的水平决定了整个产业结构和发展水平。量子点激光器的技术难点有2 个:一是制造激光器的材料是外延片,另一个是激光器制作工艺是微纳米技术。量子点材料制备有2 种方法:一是在半导体的衬底上用光刻腐蚀等微加工技术制造出一定图形,再在此图形上生长出量子点,这是行业常用方法。另一种是在晶格偿付片的体系中用S-K 模式生产出量子点的整粒。国内在实现量子点激光器量产所需要的关键工业技术包括外延片的生产工艺以及微纳加工工艺。稍后会介绍目前 这2 个技术工艺在国内外发展水平。

 

　　3. 量子点激光器的应用前景。

 

　　半导体激光器在民用军用方面均有极大运用途径。民用方面涉及:光纤通信、平面显示、新一代光伏器件、单光源器件、激光打标以及光存储。军用方面涉及:各类激光武器、激光雷达、激光测速器等。随着信息技术网络飞速发展,下一代网络和云计算功能以及高速光通讯等发展要求整个传输容量越来越大,带宽越来越高,光电转化效率要求越来越高、对能耗功耗要求越来越严格,对信息传输保密性的要求越来越强,从而对核心光器件的要求越来越高。这个核心量子点激光器具备低阈值电流、高通讯保密性,高光转换效率、更强的干涉性,这些特点使其能取代传统半导体激光器。量子点激光器这些特点可以极大地改善性能,能在高速光通讯、量子通讯、图像显示、精密制造、导航、高功率激光武器等方面得到巨大的应用,是国际上极受关注的前沿研究领域。此外,因其极低的阈值电流、良好的温度稳定性,在光纤入网具有大规模应用前景,可以极大降低能耗,达到节能环保的目的。量子点激光器技术将应用在下一代网络、云计算工程集成的线路。

 

　　4. 国内外量子点激光器发展现状。

 

　　准量子点激光器芯片在国内外光电行业有大规模应用,比如PDSU 等公司掌握了这些核心技术。目前国内没有厂家能够大批量产业化生产量子点激光器。比如:日本公司,他们生产的量子点激光器能在220 度的温度下运作,功率达到30 毫瓦;英国808 纳米级量子点激光器工作温度可达180 度,在该温度下,军事卫星、弹体有广阔应用空间。目前量子点激光器整个极限工作温度为95 度,激光器单个晶体输出功率达几百甚至一千毫瓦,可以输出更大功率;加拿大温哥华计划利用量子点激光技术来打造数据中心,应用低成本光接收器,用于500 到1000G 的高速通讯,他们宣称这种技术能大幅度降低光电子器件成本。目前,国内量子点激光器基础研究水平已达国际前沿。比如,中国半导体所、上海技术物理所、中国科技大学和南京大学科研单位整个基础研究水平取得了不错的成果,并在国内获得一些奖项,也在国际著名期刊发表了不少文章。量子点激光器经过二十多年的研究与发展,已形成比较系统的理论和加工基础。一些发达国家,比如日本、美国、加拿大、俄罗斯,投入大量资源用于研究开发,他们的大规模应用指日可待。我们公司基于这样的应用前景,结合目前基础、资源,策划这样一个项目。

 

　　5.项目团队组成。

 

　　正源公司量子点激光器研发团队组成,以正源自身半导体激光器研发团队为核心实施研发,在王肇中博士的指导下进行预研和工艺设备选型,同时需要再引进3-4名业内专业量子点技术人员,在正源已有的工艺平台和量子点工艺平台建设的基础上实施量子点激光器的预研和研发工作。

 

　　6.项目进展情况。

 

　　量子点激光器是新一代量子工程研究成果,目前工程实质性研究处于刚刚起步阶段,离商用和批量化生产仍有一段时间。整个研发投入巨大,预期前期(包括厂房)3 个亿左右,后期随着产业化进程的推进可能会继续加大投入。整个研发团队人员要求比较高,特别对于涉及材料、半导体、微纳加工、光电、热学相关领域的人员,需要一批高素质研发团队。目前计划随着进程推进,在现有团队基础上,从国内外引进3 名在相关领域有丰富工作经验的专家。项目从量子工程延续到性能测试评估,涉及整条供应链,因而预期整个研发周期为5 年左右。预计外延片的研发需要2-3 年,包括后面封装测试等等。目前项目正在认证,希望通过充分认证,能更清楚地评估投入、收益、效率。