1、2018 年国家技术发明奖提名项目公示一、项目名称集成化宽频带光发射器件与模块二、提名者及提名意见提 名 者：中国通信学会提名意见：光通信技术正向高速率、智能化和低功耗方向发展，迫切需要发展窄线宽、高速率和阵列化的激光光源技术。该类激光器在制备过程中面临三个重要瓶颈问题：1）多波长激光发射及光谱特性调控；2）宽频带调制与信道串扰抑制；3）高效光束合成与模块化封装。中国科学院半导体研究所、南京大学、武汉光迅科技股份有限公司多年来联合攻关，致力于解决激光器阵列的关键技术问题，提出了基于单片集成耦合腔结构的窄线宽高速半导体激光器模块技术、发展了等效重构啁啾光栅半导体激光器阵列芯片制备技术、发明了光电
2、子器件的三维封装技术、开发出多信道宽带光发射器件的低损耗光束合成技术。基于以上技术突破，研制出窄线宽高速半导体激光器模块，其主要技术指标均优于国内外同类研究报导的结果，该成果在国家高技术领域获得广泛应用；研制出波长间隔稳定的60信道单片集成激光器芯片，突破了高速低损耗光束合成和三维封装关键技术，成功开发出425G、1010G、162.5G、410G系列高速率低成本小型化激光器模块，在宽带光通信领域获得广泛应用。上述发明技术获得美国发明专利授权2件，国家发明专利18件，牵头起草并公开行业标准3项、参与1项，起草行业科技报告2份，研制生产集成光收发模块用于华为、中兴、谷歌等知名公司系统设备中，近两
3、年半新增销售额超过22亿人民币。我单位同意提名该项目申报 2018 年度国家技术发明二等奖。三、项目简介光电子器件技术是支撑“宽带中国”等国家发展战略和“宽带通信与新型网络”等重点专项任务的关键技术，也是现代武器装备如相控阵雷达、电子对抗和空间通信网络的核心技术，实现光电子器件的自主可控是我国信息安全和国防战略安全的重要保障。由于信息通信技术的广泛应用和各种新业务的不断出现，网络容量的增长速度已经可以和集成电路（IC）的摩尔定律相比拟，预计到 2020 年左右我国骨干网的容量将达 Pb/s 量级。网络容量如此快的增长速度对光通信骨干网的传输和信息处理能力提出了极大的挑战。目前由分立光电子器件构
4、建的光网络设备正越来越难以适应网络容量的飞速发展，光电子器件向多功能集成化发展已经成为世界各国共识，业界一致认为“光电子集成”是解决通信容量和能耗问题的关键。激光被认为是二十世纪最伟大发明之一，激光器阵列就是把多个激光器集成到一个芯片上，为光子集成回路提供信息发送的光源，激光器是光收发模块的“心脏”。激光器阵列在制备过程中面临三个重要瓶颈问题：1）波长精确控制的激光器阵列芯片制备技术；2）高效率的耦合与合波技术；3）高速率集成化封装技术。中科院半导体研究所、南京大学、武汉光迅科技有限公司多年来在国家自然基金重大和面上项目、国家973计划课题、华为技术合作课题等支撑下，联合攻关，致力于解决激光器
5、阵列的关键技术问题。发明了等效重构啁啾光栅半导体激光器集成芯片制备技术，用于激光器阵列的制备，将光栅制备的工艺精度降低了2个量级，大幅度提高了波长对准的准确度，降低了芯片制备的成本；发明了阵列波导光栅的切缝方法，减小了芯片切缝处的崩边，保证切割后缝的内侧壁光滑与平整性，降低了光插入损耗，大幅度提高了集成芯片耦合效率；发明了光电子器件匹配电路的三维封装方法，将原有二位封装结构拓展到三维空间，为微波电路的设计预留空间，解决了光子集成芯片的串扰难题。 上述发明技术获得美国发明专利授权2件，国家发明专利18件，牵头起草并公开行业标准3项、参与1项，起草行业科技报告2份。研究成果受到国际同行的广泛关注，
6、作为主要内容之一被美国光学学会刊物OPN 以“中国光子集成”为题进行封面报道。基于专利技术研发的集成光收发模块用于华为、中兴、谷歌等知名公司系统设备中，近两年半直接经济效益22亿元人民币，并在国家高技术项目中获得了应用，为实现核心高端光电子集成器件的自主可控提供了保障。四、客观评价该项目部分成果获得2016年度中国通信学会科学技术一等奖，研制的器件用于微波光子系统，部分成果获得2016年度光学工程科技创新一等奖；研究成果受到国际同行的广泛关注，作为主要内容之一被美国光学学会刊物OPN 以“中国光子集成”为题进行封面报道；2013年美国麻省理工学院M.Watts教授在发表的论文中指出：“要构建波
7、长间隔符合（IUT）要求的1/4波长相移布拉格光栅阵列极其困难，采用完成人提供的等效相移取样光栅技术（REC）能更精确的控制相移”；2014年美国麻省理工学院Purnawirman教授在其公布的长达47页的专利的第40页中指出：“采用传统的光刻技术，制备符合波分复用（WDM）信道的DFB激光器是一个极大的挑战，因为相近信道的DFB激光器光栅很容易产生1nm以内的偏移。等效相移技术是有效解决方案之一，可将波长间隔线性误差控制在小于0.03nm，从而实现波长高均匀性的激光器阵列”；2012年美国工程院院士Smith教授等在论文中指出：“等效相移技术特别适合于制作低成本的相移光栅阵列，在光通信系统中
8、的信道光源器件制备领域具有很好的应用前景”；加拿大工程院院士、IEEE和OSA会士渥太华大学J.P.Yao教授等在论文中指出：“等效啁啾技术是一种制备单片集成多波长激光器阵列的有效解决方案，适合于大规模生产”；美国光学学会会士J.L.Cheng教授在论文中指出：“基于等效相移技术制备边耦合DFB半导体激光器，不需要电子束刻写和二次外延就能够低成本制作四分之一相移、波长稳定、准确的DFB单个激光器或者激光器阵列，此技术可同时适用于科学研究和工业化生产；诺基亚与西门子公司的应用报告中对上述技术评价为：“由于先进的设计和封装具有良好的性能，基于阵列波导光栅的多波长激光器光源耦合封装技术已经被广泛的应
9、用于长途和城域网”；以色列ECI公司的应用报告中指出：“光迅的基于阵列波导光栅的多波长激光器系列产品广泛应用于ECI公司的城域和长途干线网络中，其品质稳定且可靠，ECI认为光迅的阵列波导光栅技术先进而有价值”；美国Ciena 公司评价光迅公司提供的阵列波导光栅产品：“表现出色、品质有保证、产品运行稳定且高效”；阿尔卡特-朗讯的应用报告中指出：“光迅的阵列波导光栅具有波长稳定的先进特性” 华为技术有限公司的产品使用报告中指出“光迅公司提供的阵列波导光栅产品性能指标达到国外同类产品先进水平，可靠性通过认证，满足实用化要求”；中电集团34所承担了空间站相关有效载荷中数据传输的任务，需要上千路激光收发
10、组件，对系统的体积、功耗都带来了严峻的挑战，传统分立器件方案不能满足需求，采用中国科学院半导体研究所提供的410Gb/s的集成光收发模块，进行了系统测试，与分立器件相比，可以将体积降低1/3，功耗降低1/2。34所认为该集成器件的研制成功，为本空间站航天任务的顺利实施提供有利保障；中电29 所将本项目研制的低噪声窄线宽激光器应用于电子对抗项目中，应用报告指出“用半导体所提供的窄线宽激光器可将模拟链路噪声系数降低7dB，该器件的研制成功，解决了低相对强度噪声窄线宽激光器的国产化问题”；航天五院508 所将本项目研制的高稳频窄线宽激光器用于卫星通信载荷中的光谱定标，该类高性能产品欧美对我国禁运。应
11、用报告认为：“中科院半导体所提供的激光器具有频率稳定性好、线宽窄、输出功率高等优点，原理样机测试结果达到或超过了系统指标要求”；北京航空航天大学将本项目研制的单片集成式窄线宽半导体激光器应用于“微光机电XXXXX”项目中，认为 “该单片集成式窄线宽半导体激光器可以满足MOEMS传感器研制任务的需求”；南开大学将本项目研制的窄线宽半导体激光器应用于空间光通信发射端和接收端，认为“从测试结果看，利用半导体所提供的窄线宽激光器可以替代美国RIO公司的产品，从而实现该类核心光电子器件的国产化和自主可控”；天津大学将本项目研制的窄线宽高速激光器用于基金委仪器专项、总装探索、航天607所合作开发项目中，认
12、为“中科院半导体所研制的窄线宽高速激光器，具有体积小、功耗低、宽带宽、线性度高等优点，经测试证明，满足我单位承担的任务需求”。五、推广应用情况项目及时将专利及成果的自主知识产权优势落实到具体产品上,根据高速光信息系统对集成光电子器件的要求，研制了一系列集成收发模块，如410Gb/s，425Gb/s的集成数字光发射模块，制定了4项相关行业标准，并实现规模化生产，为华为、中兴、谷歌等国内外知名通信系统商供货，打破了国外光器件厂商对集成光子器件的垄断，近三年半实现销售额超8亿元。针对国防信息系统的应用需求，研制的阵列集成激光器应用于某航天重要任务中，大幅度降低了系统的功耗和体积。申请人针对雷达、卫星
13、通信和无线通信信号传输的需求，研发了单片集成窄线宽激光器，在国防高技术领域和无线通信领域获得广泛应用，在中电29所、航天五院、北京航空航天大学、南开大学、天津大学等单位承担的重要航天或国防任务重获得了应用。主要应用单位情况应用单位名称应用发明技术应用单位联系人/电话 用途武汉光迅科技股份有限公司激光器阵列芯片、阵列光栅及耦合封装技术李海涛/13807133952集成数字阵列光发射模块的规模化生产诺基亚西门子公司阵列波导光栅的曲线切割及高效耦合封装技术Joacchhim Hillebrand/+4989515925232应用于骨干核心长距离传输网。中电集团 34 所410Gb/s 激光器阵列芯片
14、制备、合波及封装技术曾智龙/13978316809解决空间站综合电子信息系统相关通信问题中电集团 29 所窄线宽激光器芯片制备技术及集成化封装技术周涛/13198513417解决某高技术领域中信号传输问题航天五院 508 所窄线宽激光器模块化封装技术颜凡江/13810312911解决航天定标中窄线宽激光器稳频问题北京航空航天大学激光器芯片制备及封装的线性优化技术冯丽爽/13910559015解决小型化光子陀螺中窄线宽光源的集成化问题南开大学 窄线宽激光器相位噪声 刘波/13502008413 解决某高技术领域中高稳频窄线宽激光器国产抑制技术 化问题天津大学窄线宽高速激光器小型化封装设计技术于晋
15、龙/13821715688解决某高技术领域中集成化宽带调制光源问题六、主要知识产权证明目录主要知识产权证明目录（不超过 10 件）知识产权类别知识产权具体名称国家（地区） 授权 号 授权日期 证书编号 权利 人 发明人发明专利有效状态发明专利Distributed feedback semiconductor laser based on reconstruction equivalent chirp technology and the manufacture method of the same美国US7873089B22011年 01月 18日US007873089B2南京大学 陈向飞有
16、效专利发明专利用于阵列波导光栅芯片的切缝方法中国ZL.201010612213.12012年 05月 09日942411武汉光迅科技股份有限公司马卫东；吴凡有效专利发明专利3D package device of photonic integrated chip matching circuit美国US9059516B22015年 06月 16日US009059516B2中国科学院半导体研究所祝宁华；王佳胜；刘建国；刘宇有效专利发明专利单片集成耦合腔窄线宽半导体激光器中国ZL.201310211088.72015年 07月 15日1723159中国科学院半导体研究所刘建国；郭锦锦；黄宁博；孙文
17、惠；祝宁华有效专利发明专利单片集成半导体激光器阵列的制造方法及装置中国ZL.200810156592.02010年 01月 20日593502南京大学李静思；贾凌慧；陈向飞有效专利发明专利基于重构-等效啁啾和等效切趾的平面波导布拉格光栅及其激光器中国ZL.200910264486.92012年 09月 26日1048326南京大学施跃春；陈向飞；李思敏；李静思；贾凌慧；刘盛春有效专利发明专利基于平板波导移动型无热阵列波导光栅的优化制作方法中国ZL.200810154692.x2011年 04月 20日765802武汉光迅科技股份有限公司赵秀丽；马卫东；丁丽；祝业盛；周天红有效专利发明专利一种用
18、于光波导器件和光纤阵列自动对准的方法中国ZL.02115964.52006年 03月 15日254413武汉光迅科技股份有限公司马卫东；杨涛；许远忠有效专利发明专利一种单纤双向小型化光收发封装装置中国ZL.201310510616.92015年 07月 15日1726394中国科学院半导体研究所陈伟；祝宁华；刘建国；王欣；刘宇有效专利发明专利光子集成芯片匹配电路的三维封装装置中国ZL.201210342284.32014年 11月 05日1515569中国科学院半导体研究所祝宁华；王佳胜；刘建国；刘宇有效专利七、主要完成人情况第1完成人：祝宁华，总体负责项目实施、研究方案与大纲制定，审查各专项
19、成果，总体质量把关。对发明点1、发明点3有主要贡献。作为第一发明人提出光电子器件匹配电路的三维封装技术，获中国和美国发明专利授权；作为主要发明人发明了单片集成窄线宽激光器技术和一种单纤双向小型化光收发封装装置发明专利技术。第2完成人：刘建国，审查专项成果，总体质量把关。对发明点1、发明点3有重要贡献。作为第一发明人发明了单片集成窄线宽半导体激光器技术；作为主要发明人提出光电子器件匹配电路的三维封装技术和一种单纤双向小型化光收发封装装置发明专利技术。第3完成人：陈向飞，对发明点1有主要贡献。作为第一发明人提出多波长半导体激光器等效重构啁啾技术，作为主要发明人发明了单片集成半导体激光器阵列芯片制备
20、技术。第4完成人：马卫东，对发明点4有重要贡献，发明了阵列波导光栅的曲线切缝方法，低成本产业化技术研究，封装器件的高可靠性研究。第5完成人：刘宇，对发明点3有重要贡献，作为主要发明人提出光电子器件匹配电路的三维封装技术，获中国和美国发明专利授权；作为主要发明人发明了一种单纤双向小型化光收发装置，并获得了国家发明专利授权。第6完成人：陈伟，对本项目发明点3有重要贡献。作为第一发明人发明了一种单纤双向小型化光收发封装装置，并获得了国家发明专利授权。八、完成人合作关系说明由完成人祝宁华，刘建国，陈向飞，马卫东，刘宇，陈伟，一共六人共同申报2017年度国家技术发明奖。其中祝宁华、刘建国、刘宇、陈伟所属
21、单位为中国科学院半导体研究所；马卫东所属单位为武汉光迅科技有限公司；陈向飞所属单位为南京大学。项目完成人及其团队合作紧密，具体如下：1.祝宁华团队与陈向飞团队曾共同承担基金委 “高速光电子集成基础研究”重大项目（2012-2014）和 “光电子集成及系统应用” 863主题项目（2012-2015），双方在光电子集成方面具有多年的合作经历，完成人祝宁华、刘建国、陈向飞、刘宇等共同发表题为“Photonic integrated technology for multi-wavelength laser emission”的论文；2.完成人刘宇、马卫东等联合承担题为：“400Gb/s相干光发射与接收模块”863主题项目；3.完成人陈伟，祝宁华，刘建国，刘宇共同获得“一种单纤双向小型化光收发封装装置”的发明专利授权；
