一、興業(yè)機械首席研究員:背景介紹。

 

　　2014 年10 月3 日,奧巴馬宣布將啟動“光量子集成制造技術(shù)(IntegratedPhotonics Manufacturing)創(chuàng)新中心”競標,——這也是奧巴馬15 個制造業(yè)創(chuàng)新中心計劃的第6 個實驗室,國防部將提供1 億美元資金支持,同時私人部門投資1 億美元,此次競標是“美國制造業(yè)創(chuàng)新中心計劃”2014 年啟動的第2個項目,奧巴馬早前宣布將在年內(nèi)啟動4 個新項目。

 

　　該創(chuàng)新中心將關(guān)注在美國發(fā)展“端到端的(end-to-end)光量子集成技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈”,包括代工,集成設(shè)計工具,自動封裝,組裝和測試,以及人員培訓。

 

　　光量子集成技術(shù),將像傳統(tǒng)的激光器、電子通信技術(shù)一樣在通信領(lǐng)域具有廣泛而多樣的應(yīng)用前景。它將帶來互聯(lián)網(wǎng)傳輸能力的革命,一方面帶來更高的帶寬容量,另一方面成本更低。

 

　　同時,光量子集成技術(shù)將推動醫(yī)學技術(shù)革命,依托該技術(shù)可以生產(chǎn)比藥片更小,可以在血管中穿梭的微型相機,從而可以無創(chuàng)(不需要取血)檢測糖尿病患者的血糖水平。此外,光量子集成技術(shù)還有望將個人基因測序的成本從目前的5000 美元降低到1000 美元。

 

　　在國防領(lǐng)域,光量子集成技術(shù)將會在顯著提升戰(zhàn)場成像質(zhì)量、雷達(全光子雷達)性能等方面有廣闊應(yīng)用前景。

 

　　2011 年10 月,國際知名納米科學專家王肇中博士后加盟華工科技成為華工首席科學家,負責量子點激光器的研發(fā)和推廣。量子點激光器是最新一代量子工程研究的成果,在國際上處于技術(shù)前瞻性研究,公司已經(jīng)開始工程實踐性研究,主要集中精力解決了項目最前端的外延材料生長環(huán)節(jié),包括MOCVD 外延設(shè)備的引進,外延技術(shù)團隊的建設(shè)和外延技術(shù)的開發(fā),公司主要著重材料和設(shè)備的研發(fā)。

 

　　二、華工科技子公司華工正源總工程師:公司及行業(yè)介紹。

 

　　1. 公司基本情況。

 

　　華工正源光子技術(shù)有限公司成立于2001 年3 月,注冊資本4.41 億元,是華工科技產(chǎn)業(yè)股份有限公司的核心子公司?，F(xiàn)有員工2000 余人,包括多名業(yè)界資深及海外歸國的高級技術(shù)專家,廠房面積21000 平方米,其中超凈化面積10600 平方米,包括2200 平方米千級以及250 平方米百級超凈化車間。正源光子致力于為客戶提供高性價比產(chǎn)品的主流光器件制造商,具備從管芯-TO-器件-模塊垂直整合能力,擁有管芯-TO-器件-模塊大規(guī)模生產(chǎn)線,特別是在核心的激光器芯片產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)方面,公司擁有一條自主半導體量子點激光器芯片生產(chǎn)線,相關(guān)的MOCVD、光刻機、PECVD 等相關(guān)測試檢測設(shè)備具備每月120 萬片的生產(chǎn)能力,在MO 生產(chǎn)技術(shù)方面擁有多項發(fā)明專利。雖然目前公司芯片加工平臺停留在3-5 微米級水平,距離實現(xiàn)量子點激光器大規(guī)模生產(chǎn)仍有差距,但我們有多年從事量子點激光器生產(chǎn)的工程技術(shù)人員,以及他們所積累的在微納加工方面的工藝技術(shù)、激光器測試經(jīng)驗,為我們早日實現(xiàn)高端量子點激光器大規(guī)模研發(fā)和生產(chǎn)打下堅實基礎(chǔ)。公司有覆蓋國內(nèi)外的銷售服務(wù)網(wǎng)絡(luò),主要客戶包括華為,中興,谷歌、Cisco、諾西等國內(nèi)外頂尖系統(tǒng)設(shè)備制造商。

 

　　2. 量子點技術(shù)。

 

　　21 世紀,量子力學從理論研究走向了實際應(yīng)用,在量子力學的框架下,當前蓬勃發(fā)展的光電子工業(yè)可以簡單地看成微電子技術(shù)和光子技術(shù)的結(jié)合體。從電動力學到量子力學的發(fā)展,半導體量子激光器是實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的元器件,是電子技術(shù)和光子技術(shù)結(jié)合必不可缺的光源,在光電子工業(yè)中,激光器的芯片技術(shù)是整個工業(yè)的核心基礎(chǔ)。近25 年來,物理激光器的研發(fā)經(jīng)歷了從經(jīng)典到量子的演變:從三維(晶體激光器、半導體二極管激光器等傳統(tǒng)激光器)到二維(量子型激光器FCDIB),從一維(量子線激光器)到零維(準量子激光器)。激光器的體積越來越小,光電轉(zhuǎn)換效率越來越高。量子點激光器是在量子阱與量子線激光器基礎(chǔ)之上,對注入的載流子進行三維量子限制,是目前國際上半導體激光器研發(fā)的前沿領(lǐng)域。量子點激光器具有獨特的物質(zhì)性能,比如:比較窄的尖峰式強度分布、量子的共振隧深、非線性光學,因而具有更強的干涉性、更低的閾值電流以及更高的特性溫度,可以極大的改善器件的光電轉(zhuǎn)換性能。在半導體光電器件中,光電的轉(zhuǎn)化是半導體異質(zhì)結(jié)外延片,是由若干個對布拉格反射鏡子構(gòu)成的圍槍眼產(chǎn)生激光,與硅晶圓片在電子工業(yè)中的作用類似。因此半導體異質(zhì)結(jié)的外延片是整個光電子工業(yè)的基礎(chǔ)材料,對后期方案的工業(yè)水平起到了決定性的作用。因此,外延片的水平?jīng)Q定了整個產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和發(fā)展水平。量子點激光器的技術(shù)難點有2 個:一是制造激光器的材料是外延片,另一個是激光器制作工藝是微納米技術(shù)。量子點材料制備有2 種方法:一是在半導體的襯底上用光刻腐蝕等微加工技術(shù)制造出一定圖形,再在此圖形上生長出量子點,這是行業(yè)常用方法。另一種是在晶格償付片的體系中用S-K 模式生產(chǎn)出量子點的整粒。國內(nèi)在實現(xiàn)量子點激光器量產(chǎn)所需要的關(guān)鍵工業(yè)技術(shù)包括外延片的生產(chǎn)工藝以及微納加工工藝。稍后會介紹目前 這2 個技術(shù)工藝在國內(nèi)外發(fā)展水平。

 

　　3. 量子點激光器的應(yīng)用前景。

 

　　半導體激光器在民用軍用方面均有極大運用途徑。民用方面涉及:光纖通信、平面顯示、新一代光伏器件、單光源器件、激光打標以及光存儲。軍用方面涉及:各類激光武器、激光雷達、激光測速器等。隨著信息技術(shù)網(wǎng)絡(luò)飛速發(fā)展,下一代網(wǎng)絡(luò)和云計算功能以及高速光通訊等發(fā)展要求整個傳輸容量越來越大,帶寬越來越高,光電轉(zhuǎn)化效率要求越來越高、對能耗功耗要求越來越嚴格,對信息傳輸保密性的要求越來越強,從而對核心光器件的要求越來越高。這個核心量子點激光器具備低閾值電流、高通訊保密性,高光轉(zhuǎn)換效率、更強的干涉性,這些特點使其能取代傳統(tǒng)半導體激光器。量子點激光器這些特點可以極大地改善性能,能在高速光通訊、量子通訊、圖像顯示、精密制造、導航、高功率激光武器等方面得到巨大的應(yīng)用,是國際上極受關(guān)注的前沿研究領(lǐng)域。此外,因其極低的閾值電流、良好的溫度穩(wěn)定性,在光纖入網(wǎng)具有大規(guī)模應(yīng)用前景,可以極大降低能耗,達到節(jié)能環(huán)保的目的。量子點激光器技術(shù)將應(yīng)用在下一代網(wǎng)絡(luò)、云計算工程集成的線路。

 

　　4. 國內(nèi)外量子點激光器發(fā)展現(xiàn)狀。

 

　　準量子點激光器芯片在國內(nèi)外光電行業(yè)有大規(guī)模應(yīng)用,比如PDSU 等公司掌握了這些核心技術(shù)。目前國內(nèi)沒有廠家能夠大批量產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)量子點激光器。比如:日本公司,他們生產(chǎn)的量子點激光器能在220 度的溫度下運作,功率達到30 毫瓦;英國808 納米級量子點激光器工作溫度可達180 度,在該溫度下,軍事衛(wèi)星、彈體有廣闊應(yīng)用空間。目前量子點激光器整個極限工作溫度為95 度,激光器單個晶體輸出功率達幾百甚至一千毫瓦,可以輸出更大功率;加拿大溫哥華計劃利用量子點激光技術(shù)來打造數(shù)據(jù)中心,應(yīng)用低成本光接收器,用于500 到1000G 的高速通訊,他們宣稱這種技術(shù)能大幅度降低光電子器件成本。目前,國內(nèi)量子點激光器基礎(chǔ)研究水平已達國際前沿。比如,中國半導體所、上海技術(shù)物理所、中國科技大學和南京大學科研單位整個基礎(chǔ)研究水平取得了不錯的成果,并在國內(nèi)獲得一些獎項,也在國際著名期刊發(fā)表了不少文章。量子點激光器經(jīng)過二十多年的研究與發(fā)展,已形成比較系統(tǒng)的理論和加工基礎(chǔ)。一些發(fā)達國家,比如日本、美國、加拿大、俄羅斯,投入大量資源用于研究開發(fā),他們的大規(guī)模應(yīng)用指日可待。我們公司基于這樣的應(yīng)用前景,結(jié)合目前基礎(chǔ)、資源,策劃這樣一個項目。

 

　　5.項目團隊組成。

 

　　正源公司量子點激光器研發(fā)團隊組成,以正源自身半導體激光器研發(fā)團隊為核心實施研發(fā),在王肇中博士的指導下進行預研和工藝設(shè)備選型,同時需要再引進3-4名業(yè)內(nèi)專業(yè)量子點技術(shù)人員,在正源已有的工藝平臺和量子點工藝平臺建設(shè)的基礎(chǔ)上實施量子點激光器的預研和研發(fā)工作。

 

　　6.項目進展情況。

 

　　量子點激光器是新一代量子工程研究成果,目前工程實質(zhì)性研究處于剛剛起步階段,離商用和批量化生產(chǎn)仍有一段時間。整個研發(fā)投入巨大,預期前期(包括廠房)3 個億左右,后期隨著產(chǎn)業(yè)化進程的推進可能會繼續(xù)加大投入。整個研發(fā)團隊人員要求比較高,特別對于涉及材料、半導體、微納加工、光電、熱學相關(guān)領(lǐng)域的人員,需要一批高素質(zhì)研發(fā)團隊。目前計劃隨著進程推進,在現(xiàn)有團隊基礎(chǔ)上,從國內(nèi)外引進3 名在相關(guān)領(lǐng)域有豐富工作經(jīng)驗的專家。項目從量子工程延續(xù)到性能測試評估,涉及整條供應(yīng)鏈,因而預期整個研發(fā)周期為5 年左右。預計外延片的研發(fā)需要2-3 年,包括后面封裝測試等等。目前項目正在認證,希望通過充分認證,能更清楚地評估投入、收益、效率。