南邮王永进团队研制出同质集成光发射光接收器件的氮化镓光电子芯片 | 《电子与信息学报》佳文速递

原文：可见光通信感知一体化芯片及关键技术>>

氮化镓光电子集成

光电子集成本质上是采用兼容的制造工艺，将驱动、光发射、光波导、调制、光探测、放大等器件做在一块芯片上，实现逻辑电路与光子回路的融合集成，芯片内采用光子进行信息传输，与集成电子芯片相比，实现芯片内信息传输速率、容量的飞跃，并降低功耗和热效应。

硅基集成电路和光子回路高度发达，但是由于硅是间接带隙半导体材料，不易发光，同质集成光源是硅基光电子集成芯片的巨大挑战。而且，国外在硅基电子器件和光子器件方面建立了严密的产业技术壁垒，很难突破。要想出奇制胜，实现对等博弈，我们选择氮化镓半导体。

图1 MGOS光学图像

可见光通信感知一体化芯片

在目前信息时代，通信和感知是独立存在的，例如4G通信系统只负责通信，雷达系统只负责测速、感应、成像等功能。这样分离式的设计既造成了频谱资源和硬件资源的浪费，又因为各自独立带来了信息时延较高的问题。

而通信感知一体化是节约频谱资源的可靠方法，除此之外，可见光通信则是有效对现有频谱资源的补充和开拓，可见光通信作为新一代无线通信技术，是我国“十三五”重点发展的信息技术之一。

可见光的波长范围在380～780 nm，具有高带宽、高速率、保密性好、频谱资源丰富等优点，未来能够在灯光上网、室内导航和定位、水下通信、智能安防、智能交通和智慧城市中得到推广与应用。

基于以上两个原因，结合量子阱二极管发光谱和探测谱出现部分重叠的物理现象，我们提出将发射和接收光信号的任务交给单片集成光电子芯片，自主研制了通信感知集一体的GaN量子阱二极管。并以此为基础建立不对称光信号通信链路系统，从而省去接收端对于PD器件的依赖，将接收和探测合二为一，比传统发射器-探测器模式更加简洁并且探测效率更高。

可见光通信感知一体化芯片在生活的方方面面都有其用处，基于可见光通信感知一体芯片的电梯按键能够实现非接触式触摸，在防控疫情下发挥其作用。不仅如此，这种光电子芯片还能实现路灯甚至手机的自充电，以后不会有忘带充电宝的困扰。在胃镜上使用通信感知一体化光电子芯片，减少了医学仪器的体积，大大减小了病患的痛苦。此外，可见光通信感知一体化芯片还在室内定位、智能广播和智能定位有其应用场景。

作者团队

王永进教授师从邹世昌院士，于2005年3月在中科院上海微系统与信息技术研究所获得微电子与固体电子学专业博士学位，后在德国洪堡基金会、日本学术振兴会和英国皇家工程学会的资助下，分别在德国弗赖堡大学、日本东北大学、德国于利希研究中心、英国布里斯托大学和日本名古屋大学，在诺贝尔物理学奖得主PeterGrünberg、HiroshiAmano教授等指导下从事科研工作。2011年，他回国任职南京邮电大学通信与信息工程学院，开展无线光通信及集成光电子芯片研究。他是国家“111计划”创新引智基地和全国高校黄大年式教师团队负责人、国家优秀青年基金获得者，荣获全国归侨侨眷先进个人，是江苏省委常委联系科技专家。

王永进教授在国家自然基金委优秀青年项目、国家973前期预研项目和江苏省重大研发计划的支持下，发现量子阱二极管发光探测共存现象，阐明其物理机制，研制出同质集成发光、传输、调制和接收器件的光通信芯片，采用光子进行芯片内的信息传输，实现全双工光通信；提出亚波长理想LED模型，实现厚度225nm、发光波长411nm的世界最薄垂直结构LED，研制出深紫外、蓝光无线通信系统。他以第一或通讯作者身份在Light-SciAppl.等学术期刊发表100余篇高质量论文，被NationalScience Review、SemiconductorToday等做10余次专题报道，获授权美国发明专利2件、中国发明专利30件，荣获2019年中国电子学会科学技术（自然科学）二等奖。

实验室

依托南京邮电大学微纳器件与信息系统学科创新引智基地和PeterGrünberg研究中心，以“宽带无线通信与传感网技术教育部重点实验室”和“江苏省无线通信重点实验室”为主要支撑。

其中微纳加工设备包括：MA6双面对准光刻机、KurtJ. Lesker电子束蒸发系统、KurtJ. Lesker磁控溅射系统、Samco反应离子刻蚀机、牛津等离子氮化镓刻蚀机、牛津等离子深硅刻蚀机、AccuThermoAW610V真空快速退火炉。

在材料表征方面，中心拥有场发射扫描电子显微镜、超景深三维显微系统、JobinYvon激光共聚焦拉曼光谱仪、原子力显微镜、台阶仪、时间分辨共聚焦荧光显微系统等。在器件测试方面，中心拥有高标准器件电学测试系统，其中包括：安捷伦B1500A半导体参数测试仪、大功率安捷伦E4438C信号发生器、DS09254A示波器及高/低温电学测试探针台、高速射频探针、网络频谱分析仪、示波器、数字源表和高速APD光电探测器模块等在内的一系列半导体和通信性能测试所需设备。

在光电器件表征方面，可测量电流电压特性、变温电致发光谱、信号发生器、矢量网络分析仪等，自行搭建了平面光子测试平台、角分辨光谱测试平台和可见光通信平台等多功能测试平台，能够满足文章内芯片的测试需求。在仿真计算方面，中心拥有Rsoft、Comsol、Zemax以及HFSS等先进商业软件，可以满足本文章的器件设计要求。

美编 | 祝萌含、刘艳玲

校对 | 融媒体工作室

审核 | 陈倩