愿做一道微光，照亮未知世界

            

                    裝備發(fā)展部劉勝部長（右二）視察半導(dǎo)體所，祝寧華匯報高速光電子器件研究進展情況

10日，2016年國際光電技術(shù)與應(yīng)用系列創(chuàng)新研討會在北京國家會議中心開幕，中國光學(xué)工程學(xué)會舉行了盛大的頒獎典禮，17項優(yōu)秀科研成果分別獲得第二屆“2016年中國光學(xué)工程學(xué)會科技創(chuàng)新獎”，以及首屆“2016年中國光學(xué)工程學(xué)會金國藩青年科技創(chuàng)新獎”。

中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所“寬帶微波信號產(chǎn)生與傳輸?shù)墓庾蛹夹g(shù)”項目摘得2016年中國光學(xué)工程學(xué)會科技創(chuàng)新獎一等獎的桂冠。消息一出，人們在關(guān)注和熱議這項創(chuàng)新成果的同時，對于其背后的科研團隊，也是好奇心泛濫。

據(jù)了解，完成這項科研成果的牽頭單位，是中科院半導(dǎo)體研究所微波光電子團隊，由祝寧華研究員組建于1998年，是集成光電子學(xué)國家聯(lián)合重點實驗室和中國科學(xué)院固態(tài)光信息技術(shù)實驗室的重要組成部分，目前有核心成員16人，在讀博士和碩士研究生30余人，主要致力于光電子技術(shù)相關(guān)領(lǐng)域的研究。

可以說，這是一支碩果累累的研究團隊——至今為止，他們研制的高速激光器、高速探測器、窄線寬激光器等系列產(chǎn)品在中國電科集團、航天集團等50余家大型知名企業(yè)成功應(yīng)用，好評連連；他們在高速模擬直調(diào)激光器的研究上已經(jīng)達到了國際領(lǐng)先水平；他們出版了３部專著，發(fā)表了200余篇高質(zhì)量學(xué)術(shù)論文，僅獲得的國家授權(quán)發(fā)明專利就有近百項。

           

                          裝備發(fā)展部劉勝部長（前左一）視察半導(dǎo)體所，祝寧華(右二）匯報高速光電子器件研究進展

也可以說，這是一支低調(diào)的科研隊伍——在有點事兒就要“上熱搜”、“上頭條”的今天，他們瞄準(zhǔn)國家重大任務(wù)需求，專注探索前沿基礎(chǔ)科學(xué)和高新技術(shù)。就連這次獲獎，除了象征性地發(fā)了通稿之外，媒體上就再沒見關(guān)于他們的過多描述。

這種“猶抱琵琶半遮面”的神秘感，更是增加了人們的好奇和猜測，他們?yōu)槭裁慈绱说驼{(diào)？他們究竟在研究什么？

瞄準(zhǔn)行業(yè)缺口

事實上，微波光電子團隊的研究對象—微波光電子技術(shù)、高速光電子技術(shù)—并不像人們想象的那樣神秘，嚴(yán)格來說都屬于光電子技術(shù)的交叉方向，目前在很多領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。而這種交叉融合的方式，也是近年來光電子技術(shù)的發(fā)展趨勢。

光電子技術(shù)，確切地應(yīng)該稱為信息光電子技術(shù)，是光子技術(shù)和電子技術(shù)結(jié)合而成的高新技術(shù)，涉及光顯示、光儲存、激光等領(lǐng)域，是未來信息產(chǎn)業(yè)的核心技術(shù)，也是我國的先導(dǎo)產(chǎn)業(yè)，在國防工業(yè)、能源、汽車、信息技術(shù)等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展中發(fā)揮著戰(zhàn)略性的作用。

              

     國家保密局田靜局長（前左一）視察半導(dǎo)體所，祝寧華（前左二）匯報光網(wǎng)絡(luò)攻防體系的研究進展情況

                1998年，受中科院“百人計劃”感召，祝寧華舉家從德國回到中國，并在中科院半導(dǎo)體所組建微波光電子研究團隊。此后近20年，這支隊伍在祝寧華的帶領(lǐng)下，逐漸成為我國光電子技術(shù)領(lǐng)域的代表性研究團隊之一，并在高速半導(dǎo)體激光器等光電子器件及應(yīng)用研究領(lǐng)域不斷取得創(chuàng)新突破，有效提高了我國光電子器件及應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展水平。

最為稱道的成績之一，是他們提出了高速光電子器件動態(tài)特性精確測試方法。祝寧華表示，芯片高頻特性的精確測試，一直是困擾業(yè)界的老大難問題之一。“因為光電子芯片的尺寸非常小，長度僅有200～300微米，波導(dǎo)寬度僅有2～6微米，這使得芯片與測試夾具尺度之間相差了數(shù)百倍，并且芯片與測試儀器本身還存在嚴(yán)重的阻抗失配（激光器3～8歐，探測器和調(diào)制器數(shù)百歐），所以在原來的技術(shù)水平下，要想實現(xiàn)精確測試難度非常大?！?/P>

微波光電子團隊在祝寧華帶領(lǐng)下，針對這一難題開展研究攻關(guān)，有效解決了微波矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀校準(zhǔn)中的相位不確定性、校準(zhǔn)方程相關(guān)性、頻率限制等關(guān)鍵問題。這一突破讓扣除測試儀器和夾具的影響變?yōu)榭赡?，為獲得較為準(zhǔn)確的高頻特性參數(shù)奠定了基礎(chǔ)。

據(jù)悉，光電子器件高頻響應(yīng)測試主要分為兩類—采用微波網(wǎng)絡(luò)分析儀測量器件在某一驅(qū)動信號幅度和不同頻率下的響應(yīng)特性，以及采用誤碼分析儀測量器件在不同驅(qū)動信號幅度和某一速率時的響應(yīng)特性。

據(jù)祝寧華介紹，一直以來，業(yè)界都沒有能適用于不同頻率和不同驅(qū)動幅度下響應(yīng)特性的測試方法和分析模型。意識到這一需求缺口，微波光電子團隊在前期所獲突破的基礎(chǔ)上繼續(xù)展開研究，首次提出了激光器動態(tài)P-I特性曲線/曲面的概念，并給出了相應(yīng)的測試方法。一系列測試證明，采用該方法商用儀器能夠獲得器件特性的直觀描述，從理論上解決了工作參數(shù)優(yōu)選的問題，為獲得最佳高頻響應(yīng)特性提供了技術(shù)保證。

大膽決策創(chuàng)新

正所謂“蛇無頭而不行，鳥無翅而不飛”，每個隊伍都有其靈魂人物，并且作為隊伍的核心，其實力也極其重要。對于微波光電子團隊來說，這個人無疑是祝寧華，他專注科研、淡泊名利的精神一直感染著團隊里的每一個人。

在從事高速光電子學(xué)理論、器件及系統(tǒng)研究的30多年里，祝寧華修正了光電子器件的模場理論，建立了器件優(yōu)化設(shè)計分析模型，提出了一系列測試和封裝設(shè)計方法，組織了光電子領(lǐng)域發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃的研究和實施，為我國光電子學(xué)的發(fā)展作出了重要貢獻。

多年來，微波光電子團隊之所以能夠頻頻在光電子研究領(lǐng)域取得創(chuàng)新和突破，一定程度上與祝寧華這個帶頭人多次敢為人先的大膽決策息息相關(guān)，封裝技術(shù)的創(chuàng)新就是一個很好的例子。

封裝技術(shù)，是一種將集成電路用絕緣的塑料或陶瓷材料打包的技術(shù)，也可以是指半導(dǎo)體集成電路芯片用的外殼，發(fā)揮著安放、固定、密封、保護芯片和增強導(dǎo)熱性能的作用，同時也是溝通芯片內(nèi)部與外部的橋梁—芯片上的接點用導(dǎo)線連接到封裝外殼的引腳上，這些引腳又通過印刷電路板上的導(dǎo)線與其他器件建立連接。因此，對于很多集成電路產(chǎn)品而言，封裝技術(shù)是非常關(guān)鍵的一環(huán)。

TO封裝是激光器比較常用的一種成本較低的封裝技術(shù)，一直以來業(yè)界普遍認(rèn)為，這項技術(shù)只適合封裝低速率半導(dǎo)體激光器。祝寧華卻不這么認(rèn)為，他向863專家組提出了研制高速TO激光器的大膽建議。

隨后，他帶領(lǐng)團隊展開攻關(guān)，提出了一種光電子芯片本征動態(tài)特性參數(shù)提取方法，可以扣除芯片電極和封裝所引入寄生參數(shù)的影響。同時，他們還提出了封裝設(shè)計潛在帶寬分析的概念，據(jù)此發(fā)展了封裝寄生參數(shù)影響的綜合評估技術(shù)，為芯片及模塊的優(yōu)化設(shè)計提供了有效手段。

這些創(chuàng)新的設(shè)計思路后來被微波光電子團隊成功應(yīng)用于激光器、探測器和調(diào)制器的封裝設(shè)計中，研制出10Gb/s和40Gb/s數(shù)字通信激光器模塊，并與華為、中興、光迅、海信等公司合作，開發(fā)了一系列高速光收發(fā)模塊，近五年累計創(chuàng)造了近20億元的新增銷售。

與此同時，祝寧華長期從事高速激光器的理論和實驗研究，在意識到這一光電子器件的發(fā)展前景時，他在我國率先提出了研究高速激光器的建議，并從1998年開始，先后主持研制了2.5GHz、10GHz、18GHz高速激光器相關(guān)項目，使我國在該領(lǐng)域的技術(shù)水平從起步到跟蹤發(fā)展再到國際領(lǐng)先，為我國多個重大型號任務(wù)中核心元器件的自主可控做出了貢獻，相關(guān)成果獲2013年度國家技術(shù)發(fā)明二等獎。他將這些研究整理成《光電子器件微波封裝和測試》、《光纖光學(xué)前沿》等專著并出版，為我國光電子器件產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了指導(dǎo)和借鑒。

超前布局規(guī)劃

多年來，微波光電子團隊都能夠在激烈競爭中搶占先機，對所處行業(yè)未來的發(fā)展趨勢進行預(yù)判，并提早部署研究計劃。這已經(jīng)成為他們的制勝法寶。最具代表性的，就是他們對光電子發(fā)展趨勢的預(yù)判。

眾所周知，全球已經(jīng)步入信息經(jīng)濟時代，信息產(chǎn)業(yè)成為了許多國家的支柱產(chǎn)業(yè)。而光電子技術(shù)的發(fā)展在很大程度上決定著信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展水平。祝寧華介紹說，高速光電子器件在光通信系統(tǒng)的各個層次都有重要應(yīng)用，如高速光傳輸、大容量光交換、寬帶光接入和微波光子技術(shù)等，是實現(xiàn)高速光信息生產(chǎn)、傳輸、放大、探測、處理等功能的器件，是寬帶通信網(wǎng)絡(luò)的核心，而激光器則是光通信系統(tǒng)的“心臟”。

祝寧華很早之前就曾指出，隨著光網(wǎng)絡(luò)和光通信技術(shù)向大容量、低功耗和智能化方向發(fā)展，為實現(xiàn)更高速、更寬帶光通信傳輸系統(tǒng)，光電子集成將會成為高速光電子器件的發(fā)展趨勢之一，同時也是突破速率和能耗兩大制約光通信技術(shù)未來發(fā)展瓶頸的有效途徑，而高速激光器的研制也會成為行業(yè)焦點。

意識到這一發(fā)展方向的重要性，2009年左右，祝寧華組織實施了“信息光電子學(xué)”系列研討會，以及863計劃和基金委“十二五”、“十三五”光電子領(lǐng)域發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃研究，促成了多個863主題項目和國家基金委重大項目的立項，積極推動了高速光電子集成芯片的發(fā)展。

不僅如此，祝寧華還帶領(lǐng)微波光電子團隊針對高速光電子集成器件在國內(nèi)率先開展深入探索研究，取得了突破性進展。他們提出了光電子集成芯片陣列三維封裝技術(shù)，解決了光電子集成芯片封裝過程中面臨的微波阻抗嚴(yán)重失配、模場失配和串?dāng)_等難題。美國光學(xué)學(xué)會刊物OPN以《中國光子集成》為題對微波光電子團隊的相關(guān)研究進展做了大篇幅封面報道，進一步提升了我國在這一前沿領(lǐng)域的國際影響。

成績證明實力

在過去的近20年，祝寧華帶領(lǐng)的這支隊伍在高速光電子器件領(lǐng)域的研究中，為我國實現(xiàn)了一個又一個創(chuàng)新突破，但他們卻很少對外提及。對他們來說，科研需要沉浸其中，而他們有限的時間只夠用來投入研究，再無暇顧及其他。所以這些年，這支隊伍證明自己實力的方式“簡單”、“粗暴”—不斷創(chuàng)新、不斷突破，不斷刷新成果記錄：

他們在光通信和光網(wǎng)絡(luò)的核心器件高速光波導(dǎo)調(diào)制器的研制方面，采用保角變換法和點匹配法，很好地解決了以有限元為代表的常用數(shù)值計算法難以精確描述光調(diào)制器電極邊緣效應(yīng)的難題，確保了光波和微波傳輸特性測試分析的精確度，為器件設(shè)計和制備提供了有效保證。

他們首次將變分理論用于光波導(dǎo)傳輸特性分析，有效解決了采用數(shù)值分析法進行優(yōu)化設(shè)計時面臨的異常困難，建立了光波導(dǎo)基膜和高階模場分布的解析表達式，并在此基礎(chǔ)上獲得了導(dǎo)模數(shù)目和模式傳播常數(shù)等參數(shù)，在不同結(jié)構(gòu)的光波導(dǎo)分析中成功應(yīng)用，相關(guān)成果榮獲中國科學(xué)院自然科學(xué)三等獎。業(yè)內(nèi)評價稱：“該方法表達式簡單、參數(shù)確定方便、精確度高，為完善光波導(dǎo)理論體系作出了重要貢獻。”

他們創(chuàng)新性地提出基于頻率分束法的光外差技術(shù)，將光譜結(jié)構(gòu)分析從光域轉(zhuǎn)到電域，解決了傳統(tǒng)Michelson干涉儀光譜分析法存在的光束發(fā)散、透鏡振動等限制問題，將光譜分辨率由105提高到了1017。借助這一方法，他們研究了光波列（構(gòu)成光譜的基本單元）的線寬和長度，以及時間和頻率分布規(guī)律，建立了半導(dǎo)體激光器超精細光譜結(jié)構(gòu)模型。同時，基于該理論，他們還提出了非對稱耦合腔的單片集成激光器機構(gòu)，能夠?qū)⒕€寬壓榨到35KHz以下，比常規(guī)DFB激光器小了2個量級。航天五院測試后確認(rèn)其滿足航天定標(biāo)要求，意味著我國在該類核心器件的研發(fā)上實現(xiàn)了自主可控。

他們還大膽提出頻率相干性概念，完善了波長不同的兩束光相干性描述，明確雙光束拍頻產(chǎn)生微波信號的頻譜線寬取決于光束相干性，與光束本身光譜線寬無關(guān)，以及兩個單片集成激光器的輸出光也具有頻率相干性，并首次實現(xiàn)了基于微波光子技術(shù)的單片集成窄線寬微波源芯片，具有體積小、調(diào)諧范圍大、不需要微諧振器等特點。

這種可調(diào)諧激光器在5微秒內(nèi)實現(xiàn)了DC～40GHz的快速掃頻，與傳統(tǒng)電子學(xué)微波源技術(shù)相比，大大拓寬了頻帶快讀，掃頻速率提高了3個量級。這一突出成果一經(jīng)發(fā)表，便立刻獲得了UrekAlert和總參某部的高度關(guān)注，認(rèn)為該方法為實現(xiàn)高效電子對抗裝置及系統(tǒng)提供了可能。

…………

在科研上，這支隊伍的表現(xiàn)其實很高調(diào)—提出大膽建議的是他們，提前判斷發(fā)展趨勢的是他們，打破國外禁運限制的也是他們，這些華麗的成果是他們非凡實力的最佳佐證。低調(diào)，只是為了屏蔽一切干擾和雜念，心無旁騖地沉浸在科研的世界中。

對于光電子技術(shù)的未來，祝寧華表示，光電子技術(shù)發(fā)展至今，已經(jīng)對國家的發(fā)展產(chǎn)生了重要影響，大到軍工、航天、國防等領(lǐng)域，小到家用電器的信號傳遞、燈光照明等。全球光電子技術(shù)產(chǎn)業(yè)的市場規(guī)模已超1萬億美元，我國的光電子技術(shù)產(chǎn)品市場也始終保持著兩位數(shù)的高速增長，市場可觀、潛力巨大。

這也意味著，微波光電子團隊未來可做的事情還有很多，他們已經(jīng)有了目標(biāo)—繼續(xù)就速率和效率兩大瓶頸問題展開技術(shù)攻關(guān)，研究高端光電子器件、模塊及系統(tǒng)集成技術(shù)，研制面向國防應(yīng)用的高可靠高速光電子產(chǎn)品，以支撐信息裝備升級和改造，力爭成為我國高速光電子器件、模塊和系統(tǒng)應(yīng)用的核心科研基地。

未來，低調(diào)仍將會是微波光電子團隊的科研風(fēng)格。他們甘愿做一縷微光，去發(fā)現(xiàn)和照亮光電子技術(shù)領(lǐng)域那些還未被“開墾”的土地。此刻，面對充滿無限可能的未知世界，他們已經(jīng)揚帆起航！