中科大团队构筑“三电极”光电二极管，大幅缩小光通信系统体积
图 | 孙海定（来源：孙海定）
近日，他和团队的这篇论文发在 Nature Electronics 的当期封面。
其表示：“目前在 Nature Electronics 发表的所有封面论文中，我们发现中国大陆平均 1 年多、甚至有时 2 年左右才会有 1 篇论文被选为封面论文。”
因此，
图 | 封面图片（来源：Nature Electronics）
研究中，课题组通过单片集成的方法，在氮化镓基紫外发光二极管的 p 型导电层上，造出一个由“金属-氧化物绝缘体-半导体”构成的电容器结构。
通过此，他们构筑了一个具有三个端口的发光二极管，并为其配以新器件的符号。
图 ｜三电极发光和探测二极管的结构示意图和对应的新器件符号（来源：Nature Electronics）
在原有发光二极管上施加偏压的同时，当在第三端口上配置特定的工作电压，这款三端二光电极管就能展示出独特的工作模式和状态，从而能够充当可调谐型光发射器或多功能光电探测器。
图 | 将单片集成三电极二极管用于光通信中（来源：Nature Electronics）
当三电极二极管作为光发射器工作时，由于第三端口实现了集成“偏置器”的功能，即输出光功率可以受到第三电极的偏置电压调控。
因此，当它被接入光通信系统之中时，可以与已连接外部偏置器的常规发光二极管实现相同的功能。
与采用外部偏置器的系统相比，三电极二极管由于能够减小寄生电容，因此具有更高频带带宽，提升幅度达到 60%，在同尺寸器件中达到国际最高水平。
孙海定表示，这种三端二极管的面世，不仅减少了光通信系统对于外部偏置器电路的需求，也实现了体积更小、带宽更宽的光通信系统。
图 | 单片集成三电极二极管用于光控逻辑器件（来源：Nature Electronics）
有趣的是，当三电极二极管切换为光电二极管模式工作时，会受到第三端口施加的电压与入射光的同时控制，从而能够实现可重构的高速光电逻辑门，例如“NAND”和“NOR”等。
而且，在切换不同的逻辑门时，无需对器件本身的结构进行任何改变。
基于通用逻辑门 NOR 和 NAND，可以生成任何逻辑布尔表达式，这时只需利用同种器件就能形成完整的逻辑电路。
研究中，他们不仅实现了性能提升，而且基于单片集成技术将传统光通信系统中的“偏置器”集成于器件第三电极，在实现器件通信带宽性能提升的同时，也大幅缩小了光通信系统的体积和面积。
这有利于进一步地推动下一代高速、体积小、多功能光电集成芯片和系统的发展。
由于这款器件的结构和制作工艺十分简单，因此本次提出的新型场效应调控光电二极管架构，可被广泛用于由各种半导体材料制成的有源光电子集成芯片和器件平台上，推动下一代高速、多功能光电集成芯片的发展。
突破现有电子系统技术瓶颈与极限
据了解，随着人工智能时代的到来和数字化转型的深入发展，人们对于高数据传输速度和高数据计算性能的半导体芯片需求正在不断增长。
在数据高速传输和处理需求的驱动下，集成电路芯片技术呈现出高集成度和多元化的发展态势。
其中，以光子作为信息载体的光电子集成芯片及其相关技术的潜力，正不断被挖掘和开发。
光电子芯片，是由光电子器件和微电子器件等多种基础元件组合而成的新型芯片架构。
它能将电、光等多种形式的信号进行相互转换、传输和处理，有望与传统集成电路器件相互交融和互补，克服摩尔定律带来的器件物理尺寸极限的限制和瓶颈。
其中，作为光电集成芯片中的必需元件，光电二极管已被广泛用于发光单元和探测单元。
然而，现有的光电二极管，均需配置相应的外部驱动电路，只有这样才能实现电信号和光信号之间的转换。
这一架构极大地限制了整个光电系统的信号传输速度和带宽，也不可避免地会增大系统的体积和复杂度，以至于限制了光电技术的集成与发展。
因此，如何打破传统模式，突破现有电子系统技术瓶颈与极限，已经成为光电集成领域的研究焦点。
巴基斯坦留学生几年未回祖国，国内同学临过年才走
多年来，孙海定一直深耕氮化镓材料和器件领域，并努力研究它们在固态照明、显示成像和探测等领域的应用。
同时，他和课题组也非常关注该类技术在新兴光电集成及光通信、光计算等领域的拓展。
而当研究基于紫外微型发光二极管的日盲光通信系统时候，在搭建和测试过程中他们发现光信号发射模块中的偏置器（bias-tee），对于信号的有效传输至关重要。
为了满足系统搭建的需求，该团队尝试了市面上所有型号的偏置器。
但是，庞大的系统搭建起来总是非常麻烦，而且对于整个系统的调制带宽性能来说，它很容易受到偏置器这一模块质量好坏的影响。
有一天，他们坐在一起讨论如何简化和优化日盲光通信系统。
这时，孙海定和学生余华斌、以及来自巴基斯坦的留学生穆罕默德·胡纳因·梅门（Muhammad Hunain Memon）突然脑洞大开：考虑到偏置器本身就是一个“元件或电路模块”，能否通过单片集成技术将偏置器直接集成到发光二极管光源上？
然而，直接在氮化镓晶圆上实现偏置器功能的电容和电感电路似乎并不高明，因为这种方案会让芯片制备工艺变得复杂，而且电容和电感的性能也无法保证，同时也会严重影响光通信质量。
突然，余华斌随口说道：“为什么要那么复杂？为什么不利用半导体器件中经典的场效应来实现信号调制功能呢？”
此时，孙海定脑海中浮现出将发光二极管结构与一个“新功能电极”（即论文中的“第三个电极”）组合起来的架构。
从传统意义上来说，基于金属-氧化物-半导体（MOS，metal-oxide-semiconductor）这一经典结构的场效应晶体管，本身就能通过有效地控制施加在 MOS 上的电压，实现对于晶体管沟道的开启和关断。
于是他们想到：如果将类似结构与发光二极管结合起来，也许能起到相似的调制作用。
只不过这里是对发光二极管的发光特性进行调控，而这将会产生新的调控机制和现象。
随后，他们立即定下器件结构和制备工艺。很快，课题组造出第一个三电极二极管样品，并验证了样品中第三个电极的调控效果。
尽管这一过程仅仅耗时一个月，然而他们也面临着诸多疑问：这个场效应真的存在吗？调制效果是否是由第三电极漏电导致的？这种调制效果的机理是什么？这个结构真的有应用前景吗？
在本次项目的三年间，他们反复质问自己，并通过实验和测试去回答这些问题。
图 | 本项工作的核心成员 Hunain、余华斌、罗远旻同学（来源：孙海定）
期间，Muhammad Hunain Memon 同学为了测试，没能回过自己的祖国巴基斯坦，余华斌同学总是最后一个过年回家，而在过年期间余华斌则把测试接力棒交给 Muhammad Hunain Memon。
最终，他们研制了多达十几轮的器件工艺，在各种波段的发光二极管结构基础上，不断进行基于第三电极的设计和尝试。
经过大量实验和反复确认，证明第三个电极确实对于发光二极管具有调制效应。
并发现这种具备第三电极的二极管结构，能够利用场效应来调控光生电流。当将其用于光电逻辑门电路之时，还有望为实现光计算提供更好的原型基础逻辑单元。
孙海定补充称：“实验中，我的导师刘胜院士针对一些关键技术细节包括器件电极如何构造、材料生长过程、以及器件的单片集成封装等予以指导，并引导我们进行产业化布局包括专利申请等。”
图 | 刘胜院士（左）指导孙海定（来源：孙海定）
最终，相关论文以《三端发光及检测二极管》（A three-terminal light emitting and detecting diode）为题发在 Nature Electronics[1]。
Muhammad Hunain Memon 和余华斌是共同一作，武汉大学刘胜院士和中国科学技术大学孙海定教授担任共同通讯作者。
图 | 相关论文（来源：Nature Electronics）
另据悉，孙海定将自己的实验室起名为“iGaN Laboratory”，也和课题组的初衷和使命紧密相关。
GaN 是氮化镓的化学方程式，孙海定个人认为氮化镓是除了硅以外最完美的半导体材料之一。
而“i”代表的是 imagination 想象力，innovation 创新力，importance 重要性。“这就是我们的 iGaN。YES，We CAN！”孙海定表示。
图 | iGaN 团队，Play Hard，Work Hard！（来源：孙海定）
另据悉，光电芯片及集成作为传统电子集成系统的补充，是孙海定实验室一直以来的深耕方向。
他认为氮化镓是宽禁带半导体领域的“硅材料”，它具备很多硅所不具备的特性比如发光性能，而且可以发从紫外到红外的光。
所以，无论是在光电子领域、还是在传统功率电子领域，氮化镓均能发挥强大的能量。
在光电子领域，氮化镓基蓝光发光二极管的发明改变了人类的照明习惯（替换了传统白炽灯），相关科学家也获得了 2013 年的诺贝尔物理学奖。
但这只是氮化镓光电子产业“发光发热”的开始，未来氮化镓及其相关器件的前景十分明媚。
目前，课题组与氮化镓光电子国内的领军企业也已经展开了相关合作，本次课题也获得了国家级项目的支持（包括国家重点研发计划和国家基金委项目等）。
眼下，他们正在跟业界开展沟通和合作，希望尽快将本次器件和技术加以产业化。
孙海定表示：“我们也希望这项研究能推动下一代高速和多功能光电集成芯片的发展，为光电子、光通讯和光计算等领域带来新的技术解决方案。”
参考资料：
1.Memon, M.H., Yu, H., Luo, Y. et al. A three-terminal light emitting and detecting diode. Nat Electron 7, 279–287 (2024). https://doi.org/10.1038/s41928-024-01142-y
运营/排版：何晨龙
深度复盘 “光”芒万丈的光电产业
时隔两年，第24届中国国际光电博览会（简称“CIOE中国光博会”）于金秋九月再次回归。本届展会汇集了信息通信、光学、激光等光电全产业链的展商，展示从材料、设备、技术到成套方案，为光电产业及下游应用提供新技术、新模式，启迪新思路。据了解，本次展会3天共计达到108063人，其中海外观众3013人，同比2021年增长20.17%；进场共计189272人次。作为光电领域的行业盛会，CIOE中国光博会已成为光电技术趋势的风向标、产业发展的晴雨表。
在本次展会上，信息通信展位居9/10/11/12号展馆，长飞、烽火通信、亨通光电、中际旭创、海思光电等光通信领域上下游的企业集体亮相。记者从现场看到很多最新的光纤通信设备和技术，如新型光纤、高速光模块、光纤交换机等。这些技术无疑将为未来的高速、大数据传输提供更强大的支持。在同期举办的论坛上，来自信通院、运营商、设备商等众多专家分享了最新的研究成果及产业的发展趋势。
4 00G 已在眼前， 800G/1.6T 还会远吗在数字化时代，数据已经成为我们生活、工作、学习中不可或缺的元素。而400G技的出现，使得我们处理和传输数据的能力得到了极大的提升。随着未来数据的集聚增长800G、1.6T也已经提上日程。
400G方面，运营商侧积极布局全光运力建设，开展400G建设和试运行。中国电信建成了大湾区首张400G全光运力网，ChinaNet骨干网完成了400GE IP+光长途传输现网试点。中国移动建成横跨浙江、江西、湖南、贵州四省的400G全光试验网，2023年底准备启动相关的部署和实施。中国联通在山东、浙江、上海等多地建成400G试验网。从传输速率，从单波速率200G、400G逐步向Tbps不断的演进，400G在干线采用基于130GBaud、QPSK调制方式的单波400Gb/s系统趋于成熟，即将开始规模商用，800G技术与标准化也在稳步推进。CCSA现在已经完成了城域400G和长距400G的标准，城域800G和400G超长距的标准也在编制的过程当中。
CIOE中国光博会期间，中国移动研究院基础网络技术研究所所长李晗称，400G可以看做是光通信的5G，历经五年多的实验、推进、创新，中国移动已经开启了400G规模商用的里程，目前正在面向干线进行集采。在他看来，400G已经在路上，今年开启了400G的应用元年，也是真正实现算力网络光底座先行的目标。
模块器件方面除了400G光模块，800G的研发也有相应的样品已经进入验证的阶段，围绕着1.2T和1.6T的相干解决方案也已经有了样品 。
新型光纤光缆亮相光博会随着5G、AI等新型技术的蓬勃发展，网络数据流量持续高速增长，促进了超高速大容量光通信和大型数据中心等业务的快速发展。更大带宽和更高速率的需求，对光纤传输网络技术提出了新的要求与挑战。在本次CIOE中国光博会上，长飞、康宁等展出的新型光纤备受参会者关注。
长飞 带来了G.654.E光纤、BILL光纤、宽带OM5多模光纤、低水峰G.652光纤、空芯反谐振光纤、19芯光纤、铒镱共掺、保偏铒镱共掺光纤等新型光纤产品。其中，铒镱共掺、保偏铒镱共掺光纤是实现高性能1550nm激光雷达光源的核心增益材料，具有精确的几何控制精度和产品一致性，以及可调的吸收系数和高光光转换效率，还具有良好的耐高温性和长期可靠性，能够在恶劣的环境条件下稳定工作。耐高温抗弯单模光纤不仅具有良好的耐高温性能，还具有弯曲不敏感特性，能够为客户提供不同温度需求的解决方案。大芯径高数值孔径多模光纤能够适应车载雷达更广的温度和湿度变化的应用环境，广泛应用于激光雷达收光模块。
亨通光电 重点展示了特种光纤系列解决方案、5G通信特种光纤解决方案、全球FTTH解决方案、5G基站连接解决方案、全球FTTH解决方案。其中，5G通信特种光纤解决方案现场展示了超低损耗大有效面积G.654E光纤、长距离大容量高可靠海洋光纤、数据中心领域应用的OM5多模光纤以及弯曲性能更加优异的G657B3光纤等产品，既能实现传输跨距拓展，其应用领域也更加广泛。
康宁 在本次CIOE中国光博会期间推出全新ClearCurve® OM3 XT和OM4 XT多模光纤。康宁ClearCurve® OM3 XT和OM4 XT多模光纤为新兴的单通道100G和T 比特BiDi 收发器技术而设计，支持数据中心400G和800G速率的链路。这两种抗弯多模光纤规定了850nm和910nm波长处的有效模式带宽值(EMB)，以提升链路传输距离。同时，ClearCurve® OM3 XT 和OM4 XT 光纤完全兼容OM3和OM4光纤及现有传输系统。
永鼎 展示了5G通信光电复合缆，据了解，该缆在结构上将输电铜线与光纤合二为一，可选择管道直埋、架空等施工方式。其具体优势主要表现于以下几点：一，线缆外径小、重量轻，结构优化良好；二，成本相对较低、施工简便、施工费用低；三，具有良好的耐侧压性能及突出的弯曲性能，适用性强；四，一次敷设可同时提供通信和电力等多种线缆传输性能，与设备的适用性强、可扩展能力较强；五，可提供相对巨大的宽带接入；六，可简单解决网络建设过程中，设备供电问题；七，如不需要其中某一功能，可做备选预留功能，避免二次施工花销；八，可以按照用户要求预制成端。
高速光模块琳琅满目作为光模块行业的领军企业，光迅科技 携硅光800G OSFP DR8硅光高速光模块、1.6T OSFP-XD DR8+高速光模块等先进产品参展。其中1.6T OSFP-XD光模块采用最新一代5nm DSP，可满足数据中心低能耗诉求，其发射端采用高带宽EML激光器，接收端采用PIN+TIA方案，经由信号完整性SI平台设计和优化，最终可实现10km传输链路预算。
此次CIOE，旭创科技 现场演示最新相干光模块及LPO光模块产品，为行业带来了无限惊喜。旭创科技正式推出基于自研硅光COSA和自研ITLA设计的High TX Power 400G OpenZR+ QSFP-DD及400G LH CFP2 DCO相干产品。同时，800G ZR/OpenZR+ OSFP DCO相干产品也即将推向市场，让我们拭目以待！与此同时，旭创科技携手腾讯现场演示400G Q112 BR4 LPO光模块，受到客户青睐，人气爆满。
永鼎光通 100G ER1光模块基于100G以太网速率，采用QSFP28封装，HOST电接口侧支持4*25.78Gb/s速率;激光器采用53GBaud Rate的EML PAM4调制模式，带TEC，支持LAN-WDM波段中1295.56/1300.05/1304.58、1309.14这四类波长。探测器采用53G波特率的APD方案。支持最远40km单模光纤（G.652）传输距离。模块自带100G RS FEC模式，24小时流量帧业务挂机无丢帧，采用独特的散热设计，满足商业级温度范围内功耗小于4.0W。
总的来说，第24届中国国际光电博览会作为光电领域的行业盛会，为光电技术的发展趋势和产业发展的未来方向提供了重要的参考。在未来，随着技术的不断进步，光电产业将会继续发展壮大，而这样的展会也将继续为行业提供交流和展示的平台。
END作者：甄清岚
责编/版式：王禹蓉
审核：舒文琼
监制：刘启诚
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