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纳光电子与光子芯片研究：发展与挑战

中国科学基金 2023年第3期37卷 410-417页

作者：龚旗煌罗先刚刘伍明戴道锌李涛肖云峰唐华何杰刘克北京大学物理学院中国科学院光电技术研究所中国科学院物理研究所浙江大学光电科学与工程学院南京大学现代工程与应用科学学院国家自然科学基金委员会信息科学部

光子芯片被认为是“后摩尔时代”信息领域发展的核心技术之一。纳光电子学的发展为实现更高性能和更高集成度的光子芯片技术奠定了基础。同时，光子芯片对于突破电子芯片“卡脖子”的现实问题具有重要战略意义，有助于推动我国在未来光... 详细信息

光子芯片被认为是“后摩尔时代”信息领域发展的核心技术之一。纳光电子学的发展为实现更高性能和更高集成度的光子芯片技术奠定了基础。同时，光子芯片对于突破电子芯片“卡脖子”的现实问题具有重要战略意义，有助于推动我国在未来光电信息产业的国际竞争中走出“缺芯”困境，并取得先发优势。基于国家自然科学基金委员会第312期“双清论坛”,本文总结了我国在纳光电子与光子芯片研究方面的重大需求，回顾了纳光电子与光子芯片领域近年来通过物理、材料、信息、制造等学科交叉融合所取得的主要进展和成就，凝炼了该领域未来5～10年的重大关键科学问题，探讨了前沿研究方向和科学基金资助战略。

关键词：纳光电子光子芯片基础研究科学问题

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基于Ⅲ族氮化物材料的运动监测光子芯片

基于Ⅲ族氮化物材料的运动监测光子芯片

作者：李芸南京邮电大学

学位级别：硕士

自然界中物体的运动无处不在,随着新一代信息技术的高速发展,对运动监测的集成化器件的需求日益增加。光子集成芯片是一种在微型芯片上集成多种光子器件的高集成度系统。由于光子器件具有尺寸小、稳定性提高、功耗低等诸多优点,光子集... 详细信息

自然界中物体的运动无处不在,随着新一代信息技术的高速发展,对运动监测的集成化器件的需求日益增加。光子集成芯片是一种在微型芯片上集成多种光子器件的高集成度系统。由于光子器件具有尺寸小、稳定性提高、功耗低等诸多优点,光子集成芯片被广泛应用于光通信、光传感、光子计算和智能照明等前沿领域。III族半导体材料由于其高量子效率和快速的时间响应,是光子集成芯片的理想候选材料。本文基于III族氮化物多量子阱结构的发光和探测特性并存的特点,提出了一种基于蓝宝石衬底外延生长氮化镓多量子阱材料的集成式光子芯片,该芯片具有灵敏的运动监测功能及绿光波段的可见光通信功能。该光子芯片的发射器向处于运动状态的目标物体发射绿光波段可见光信号,经过目标物体运动调制的可见光信号反射回光子芯片的接收端,导致接收端光电流的变化。分析接收端光电流的变化,可以探测以不同速度旋转的目标物体的运动情况。本文主要研究了不同发射端偏置电压、不同转速、不同旋转方式对接收端光电流变化的影响。在转速为30rpm时,偏置电压从2.5V增加到2.9V,检测到接收端的电流不断增加,光脉冲电流大小从28n A增加到100n A。从旋转速度来看,一共测试了6种不同的转速,发现单片光子芯片能监测最高转速为300rpm的运动物体,且监测效果良好。从运动方式来看,光子芯片适用于绕轴式旋转和风扇式旋转两种运动方式。上述实验验证了该光子芯片具有良好的运动检测能力。本文还研究了光子芯片的各项光电指标及可见光通信性能。首先光子芯片的发光二极管在正偏压区域的开启电压为2.31V,在3.67V时达到100 m A的饱和电流。其次光子芯片的电致发光光谱的光谱峰值为521.4nm,半高宽为28.9nm,是处于绿光波段的可见光信号。电致发光光谱和响应度光谱之间有41.37nm的光谱重叠,说明光子芯片的接收器可以探测到具有相同二极管结构的发射器发射出的光。最后光子芯片的发光功率随着电压的增加呈现近似线性的增长,说明其具有良好的光电转换性能,且电压越大输出光强越大。在通信性能方面,光子芯片作为发射器时数据传输率可以达到34M bps,同时作为发射器/接收器时可达到26K bps。光子芯片能够作为稳定的可见光通信收发终端使用,用于处理和传输芯片采集到的运动探测信号。在同一信号上可以实现通信与传感两大功能,通过感知模块与信号传输模块的相辅相成,实现在可见光范围内的通信感知一体化。基于III族氮化物多量子阱材料的光子集成芯片在低成本、低功耗、高集成度的光学运动传感和监控应用领域提供了一条很有前途的途径,是一种具有实用价值的高集成度通感一体终端器件。

关键词：运动监测光子芯片发光二极管多量子阱可见光通信

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光子芯片领域研究重点和发展趋势分析

数据与计算发展前沿 2023年第4期5卷 3-15页

作者：沈湘于杰平王丽中国科学院文献情报中心情报研究部北京100190 中国科学院大学经济与管理学院信息资源管理系北京100190

【目的】在问题导向、应用导向驱动下,分析光子芯片领域的全球竞争态势、重点发展方向和主要发展趋势,旨在为光子芯片研究领域的管理决策人员和科研人员提供信息参考。【文献范围】对光子芯片领域的科技领先国家的政策文献、一流学术期... 详细信息

【目的】在问题导向、应用导向驱动下,分析光子芯片领域的全球竞争态势、重点发展方向和主要发展趋势,旨在为光子芯片研究领域的管理决策人员和科研人员提供信息参考。【文献范围】对光子芯片领域的科技领先国家的政策文献、一流学术期刊、企业翘楚资讯进行了检索与分析。【方法】采用元分析方法和层次分析法,遴选光子芯片前沿学术与工业最新进展,对光子芯片领域的政策文献、科技文献和新闻资讯进行归纳和总结。【结果】分析了美欧日以及我国在光子芯片领域的资助政策,从芯片设计软件、材料与器件、计量测试、异构集成与封装4个研究方向梳理了光子芯片现阶段的关键发展问题与相关重要进展,并简要阐述了目前主要的发展趋势。【局限】光子芯片涉及的研究内容丰富,本文仅从宏观层面把握其在信息科技领域的重点研究方向和主要发展趋势,无法涵盖全部细分方向、微观研究内容及相关研究进展。【结论】光子芯片的优良特性使其成为全球集成电路产业“后摩尔时代”的潜在颠覆性技术之一,将迎来一个关键的产业爆发期,但我国仍面临着诸多基础研究问题和技术发展挑战。

关键词：光子芯片光子集成电路全球竞争态势研究重点发展趋势

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广东光子芯片产业发展现状和优化路径研究

科技创新发展战略研究 2023年第2期7卷 1-7页

作者：梁晨莫宝杭李垂臻暨南大学光子技术研究院广东广州511443

光子芯片是光电产业链上游的核心元器件,是独立于电子集成技术的新兴技术,有望成为信息领域新的技术支撑,引领下一轮科技和产业变革。在分析我国光子芯片产业发展特征和未来趋势的基础上,总结广东光子芯片产业发展现状及存在的问题,进... 详细信息

光子芯片是光电产业链上游的核心元器件,是独立于电子集成技术的新兴技术,有望成为信息领域新的技术支撑,引领下一轮科技和产业变革。在分析我国光子芯片产业发展特征和未来趋势的基础上,总结广东光子芯片产业发展现状及存在的问题,进而提出加大政策支持和资金投入、实施核心技术攻关计划、加快技术创新平台建设、培育高水平创新型企业等对策建议。

关键词：光子芯片光电产业信息领域广东

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光子芯片中类比引力的研究

物理 2019年第7期48卷 409-416页

作者：盛冲刘辉祝世宁南京大学物理学院固体微结构物理国家重点实验室南京210093 南京大学人工微结构科学与技术协同创新中心南京210093

探索和理解引力场弯曲时空的本质一直是人类孜孜不倦追求的目标。尤其最近天文学上两大事件:激光干涉引力波天文台探测到引力波信号以及事件视界望远镜拍到黑洞的影子,进一步激发人类对古老而神秘引力的兴趣。尽管人类在探测引力现象的... 详细信息

探索和理解引力场弯曲时空的本质一直是人类孜孜不倦追求的目标。尤其最近天文学上两大事件:激光干涉引力波天文台探测到引力波信号以及事件视界望远镜拍到黑洞的影子,进一步激发人类对古老而神秘引力的兴趣。尽管人类在探测引力现象的天文实验技术上取得了巨大的进步,但是对于有些引力现象的研究仍然面临着挑战,特别是与引力有关的量子效应。另一方面,类比引力系统为人类研究引力效应提供了一个新的实验平台,它可以在实验室环境下研究目前天文观测仍面临挑战的引力现象,例如黑洞附近引力场的量子效应。文章将介绍以光子芯片作为一种类比引力的实验体系而实现的引力场弯曲时空的模拟与研究。

关键词：引力类比引力光子芯片弯曲时空

光子芯片中相对论引力透镜效应的模拟与光捕获

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物理 2013年第11期42卷 795-797页

作者：刘辉祝世宁南京大学物理学院固体微结构国家重点实验室人工微结构与量子调控协同创新中心南京210093

“光”是自然界中最神秘的物质之，近代物理学的几次重要革命，都是发源于人们对“光”的探索。爱因斯坦为了描述宇宙时空的本质，建立了广义相对论，其最著名的预言是，光线荏天体附近引力场中会发生弯曲（几尢图1（a））。

关键词：广义相对论引力透镜效应光子芯片捕获模拟近代物理学爱因斯坦自然界

基于AlInGaAs多量子阱的同质集成光子芯片的特性研究

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基于AlInGaAs多量子阱的同质集成光子芯片的特性研究

作者：倪曙煜南京邮电大学

学位级别：硕士

面对集成电路中愈加明显的元器件数量剧增与排布困难问题,光子集成技术为芯片制造提供了新的方向。相较于使用异质集成技术制造的光子芯片,同质集成光子芯片具有制作步骤简单、材料与加工成本较低等巨大优势。基于量子阱二极管具有光发... 详细信息

面对集成电路中愈加明显的元器件数量剧增与排布困难问题,光子集成技术为芯片制造提供了新的方向。相较于使用异质集成技术制造的光子芯片,同质集成光子芯片具有制作步骤简单、材料与加工成本较低等巨大优势。基于量子阱二极管具有光发射和探测共存的能力,同质集成光子芯片已经在可见光波段和紫外波段取得了巨大进展。本文提出了一种在红外波段内具有多功能光发射和探测性能的同质集成光子芯片,并在In P衬底的Al In Ga As多量子阱材料上成功实现了该芯片的制作,同时研究了其光电特性与片内通信性能,主要工作如下:本文首先设计了该多功能发射和探测芯片里的光子器件结构,设计了结构相同的Al In Ga As多量子阱二极管分别用作光发射器与光电探测器。随后在二者之间设计了一个直波导结构传递光信号。通过RSOFT仿真软件的模拟与反复调整,最后设定的波导参数可以使光子损耗降至4%。在利用光刻、刻蚀与镀膜等工艺在In P基底的Al In Ga As多量子阱材料上成功制作出该芯片后,本文使用光学显微镜、原子力显微镜对芯片外貌进行了细致的表征,其中光子器件形貌完整,侧壁光滑且陡直性优秀。本文还针对芯片内二极管器件进行了光电性能测试,主要包括电流-电压特性、电容-电压特性、电致发光特性和光致发光特性等。测试结果显示该二极管器件开启电压低、电流响应快,同时有良好的光电转换特性。特别的,在外部红外激光作用下,用于检测的二极管的光谱响应度随负偏压的增加而呈现蓝移。最后本文以不同的速率测试了收发两端间的单向信号传输功能,结果证明该同质集成芯片能够实现片内通信传输。本文针对红外波段的同质集成光子芯片的研究表明,该光子芯片的二极管器件不但可以独立的用作发射或者探测装置,同时还可以结合In P光波导实现片内的通信功能。另一方面,考虑到制作精度以及二极管波导结构等因素的影响,在进行更进一步的研究和优化后,相信片内红外通信速率可以得到更进一步的提高。本文所做研究表明,基于Al In Ga As多量子阱的同质集成光子芯片在红外波段内具有包含传输光信号在内的各种潜在应用等待发掘。

关键词：同质集成 AlInGaAs多量子阱光子芯片红外通信

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光子芯片将成为电子行业的未来

技术与市场 2017年第7期24卷 456-457页

在过去40年里,“摩尔定律”一直推动着电子行业的发展,与其说是定律,不如说它是公理或推测.“摩尔定律”是指每2年电子设备的速度和性能就会提升1倍.实际上,每年科技公司都会推出更新、更快、更智能、更好的电子产品.

关键词：电子行业光子芯片摩尔定律电子设备电子产品

人工微结构中的量子、类量子效应及功能集成光子芯片研究进展

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中国基础科学 2020年第1期22卷 11-24页

作者：陆延青肖敏彭茹雯马小松李志向祝世宁南京大学固体微结构物理国家重点实验室南京210093

本文基于国家重点研发计划"量子调控与量子信息"重点专项"人工微结构中的量子、类量子效应及功能集成光子芯片"项目的研究成果,介绍了项目在光子态的产生及其多维度调控、人工微结构中新奇量子和类量子效应研究、全固态光量子信息处理... 详细信息

本文基于国家重点研发计划"量子调控与量子信息"重点专项"人工微结构中的量子、类量子效应及功能集成光子芯片"项目的研究成果,介绍了项目在光子态的产生及其多维度调控、人工微结构中新奇量子和类量子效应研究、全固态光量子信息处理单元器件以及功能集成的有源光量子芯片等方面取得的最新研究进展,并展示了其相关的应用前景。

关键词：人工微结构光子芯片量子与类量子效应轨道角动量光隔离