1、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
2、啁啾光栅半导体激光器阵列芯片制备技术 、 发明了光电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 4 25G、 10 10G、16 2.5G、 4 10G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
3、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。 2 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
4、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
5、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
6、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，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3 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
7、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
8、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
9、、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4
10、 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 4 10Gb/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
11、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
12、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 4 10Gb/s，4 25Gb/s的
13、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5 和体积。 申请人针对雷达、卫星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
14、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 4 10Gb/s 激光器阵列芯片制备、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
15、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抑制技术 刘波/13502008413 解决某高技术领域中高稳频窄线宽激光器国产化问题 天津大学 窄线宽高速激光器小型化封装设计于晋龙/13821715688 解决某高技术领域中集成化宽带调制光源问题 6 技术 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
16、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 US7873089B2 2011年 01月 18日 US007873089B2 南京大学 陈向飞 有效 专利 发明 专利 用于阵列波导光栅芯片的切缝方法 中国 ZL.201010612213.1 2012年 05月 09日 942411 武汉光迅科技股份有限公司 马卫东；吴
17、凡 有效 专利 发明 专利 3D package device of photonic integrated chip matching circuit 美国 US9059516B2 2015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.201310211088.7 2015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.2008101565
18、92.2010年 01月 20日 593502 南京大学 李静思；贾凌慧；陈向飞 有效 专利 7 0 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.200910264486.9 2012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.x 2011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 一种用于光波导器件和光纤阵列自动
19、对准的方法 中国 ZL.02115964.5 2006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.201310510616.9 2015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.201210342284.3 2014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
20、负责项目实施、研究方案与大纲制定，审查各专8 项成果，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
21、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
22、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），9 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；
