半导体的应用

半导体的应用, 半导体有哪些常见的应用

半导体一般指矽晶体,它的导电性介于导体和绝缘体之间。

半导体是指导电能力介于金属和绝缘体之间的固体材料。按内部电子结构区分，半导体与绝缘体相似，它们所含的价电子数恰好能填满价带，并由禁带和上面的导带隔开。半导体与绝缘体的区别是禁带较窄，在2～3电子伏以下。

典型的半导体是以共价键结合为主的，比如晶体矽和锗。半导体靠导带中的电子或价带中的空穴导电。它的导电性一般通过掺入杂质原子取代原来的原子来控制。掺入的原子如果比原来的原子多一个价电子，则产生电子导电；如果掺入的杂质原子比原来的原子少一个价电子，则产生空穴导电。

半导体的应用十分广泛，主要是制成有特殊功能的元器件，如电晶体、积体电路、整流器、镭射器以及各种光电探测器件、微波器件等。

半导体的应用的问题

1楼2楼耸人听闻，哪有那么严重。在半导体材料投入使用以前二战都已经结束了，大量采用电子管的电器装置已经投入民用。众所周知的事实是前苏联半导体材料发展极度落后，无论米格-25歼击机还是联盟号宇宙飞船都还使用着电子管装置，直到九十年代以后俄罗斯才逐步跟上来。

对日常生活的影响，简单地说——

一切使用微控制器也就是所谓“电脑板”的电器都重归机械控制；

不会出现微型计算机，只有巨型机/大型机/小型机，即便有了个人电脑也要衣柜那么大个，耗电量惊人，绝对奢侈品，笔记本就更不用说了；

没有微机当然更没有游戏机了，玩魂斗罗超级玛丽警察抓小偷永远是幻想；

收音机最小也要新华词典那么大，注意：是辞典不是字典；

电视机仍然是阴极射线管的，因为根本生产不出液晶板，不过幸好还能看到彩电；

微波炉可能要洗碗柜那么大吧？因为电子管是很占体积的；

洗衣机是半自动型的，使用机械定时器——微波炉也是。

冰箱一定是外形大大，立升小小，噪音隆隆，前苏联就有那种玩意的实物；

照相机继续用胶卷的，什么数码DC/DV统统不存在；

摄像机会相当笨重，只能用录影带；

您好！这里是邮电局，打电话请用拨盘拨号，如需拨往外地请让我为您转接……呃，这位同志，程控交换机是什么东西？——某人工接线员；

不存在什么VCD、DVD，录影机/放像机也不太会普及——太大、太贵；

没有了微型计算机你会感觉到练得一笔好字的必要性；

飞机导d卫星飞船空间站照样满天飞，战舰航母潜艇坦克照样满世界溜达；

网际网路可能会有，但那将是各国官方、军方和科研机构御用的玩意，跟咱老百姓没啥关系；

……能想起来的差不多都写上了。

半导体的应用，最好说详细点。

试想过你的生活缺少了数字是什么概念吗？那将是一个混乱的世界，无论是你的手机号码、你的身份z号码、还是你家的门牌号，这些全部都是用数字表达的！电子游戏、电子邮件、数码音乐、数码照片、多媒体光碟、网路会议、远端教学、网上购物、电子银行和电子货币……几乎一切的东西都可以用0和1来表示。电脑和网际网路的出现让人们有了更大的想象和施展的空间，我们的生活就在这简单的“0”“1”之间变得丰富起来、灵活起来、愉悦起来，音像制品、手机、摄像机、数码相机、MP3、袖珍播放机、DVD播放机、PDA、多媒体、多功能游戏机、ISDN等新潮电子产品逐渐被人们所认识和接受，数字化被我们随身携带着，从而拥有了更加多变的视听新感受，音乐和感觉在数字化生活中静静流淌……

数字生活已成为资讯化时代的特征，它改变着人类生活的方方面面，在此背后，隐藏着新材料的巨大功勋，新材料是数字生活的“幕后英雄”。

计算机是数字生活中的重要装置，计算机的核心部件是中央处理器（CPU）和储存器（RAM），它们是以大规模积体电路为基础建造起来的，而这些积体电路都是由半导体材料做成的，Si片是第一代半导体材料，积体电路中采用的Si片必须要有大的直径、高的晶体完整性、高的几何精度和高的洁净度。为了使积体电路具有高效率、低能耗、高速度的效能，相继发展了GaAs、InP等第二代半导体单晶材料。SiC、GaN、ZnSe、金刚石等第三代宽禁带半导体材料、SiGe/Si、SOI（Silicon On Insulator）等新型矽基材料、超晶格量子阱材料可制作高温（300~500°C）、高频、高功率、抗辐射以及蓝绿光、紫外光的发光器件和探测器件，从而大幅度地提高原有矽积体电路的效能，是未来半导体材料的重要发展方向。

人机交换，常常需要将各种形式的资讯，如文字、资料、图形、影象和活动影象显示出来。静止资讯的显示手段最常用的如印表机、影印机、传真机和扫描器等，一般称为资讯的输出和输入装置。为提高解析度以及输入和输出的速度，需要发展高灵敏度和稳定的感光材料，例如镭射印表机和影印机上的感光鼓材料，目前使用的是无机的硒合金和有机的酞菁染料。显示活动影象资讯的主要部件是阴极射线管（CRT），广泛地应用在计算机终端显示器和平面电视上，CRT目前采用的电致发光材料，大都使用稀土掺杂（Tb3+、Sn3+、Eu3+等）和过渡元素掺杂（Mn2+）的硫化物（ZnS、CdS等）和氧化物（Y2O3、YAlO3）等无机材料。

为了减小CRT庞大的体积，资讯显示的趋势是高解析度、大显示容量、平板化、薄型化和大型化，为此主要采用了液晶显示技术（LCD）、场致发射显示技术（FED）、等离子体显示技术（PDP）和发光二极体显示技术（LED）等平板显示技术，广泛应用在高清晰度电视（HDTV）、电视电话、计算机（台式或可移动式）显示器、汽车用及个人数字化终端显示等应用目标上，CRT不再是一支独秀，而是形成与各种平板显示器百花争艳的局面。

在液晶显示技术中采用的液晶材料早已在手表、计算器、膝上型电脑、摄像机中得到应用，液晶材料较早使用的是苯基环己烷类、环己基环己烷类、吡啶类等向列相和手征相材料，后来发展了铁电型（FE）液晶，响应时间在微秒级，但铁电液晶的稳定性差，只能用分支法（side-chain）来改进。目前趋向开发反铁电液晶，因为它们的稳定性较高。

液晶显示材料在大萤幕显示中有一定的困难，目前作为大萤幕显示的主要候选物件为等离子体显示器（PDP）和发光二极体（LED）。PDP所用的荧光粉为掺稀土的钡铝氧化物。用类金刚石材料作冷阴极和稀土离子掺杂的氧化物作发光材料，推动场发射显示（FED）的发展。制作高亮度发光二极体的半导体材料主要为发红、橙、黄色的GaAs基和GaP基外延材料、发蓝光的GaN基和ZnSe基外延材料等。

由于因特网和多媒体技术的迅速发展，人类要处理、传输和储存超高资讯容量达太（兆兆）数字位（Tb，1012bits），超高速资讯流每秒达太位（Tb/s），可以说人类已经进入了太位资讯时代。现代的资讯储存方式多种多样，以计算机系统储存为例，储存方式分为随机记忆体储、线上外储存、离线外储存和离线储存。随机记忆体储器要求整合度高、资料存取速度快，因此一直以大规模整合的微电子技术为基础的半导体动态随机储存器（DRAM）为主，256兆位的随机动态储存器的电晶体超过2亿个。外储存大都采用磁记录方式，磁储存介质的主要形式为磁带、磁泡、软磁碟和硬磁碟。磁储存密度的提高主要依赖于磁介质材料的改进，相继采用了磁性氧化物（如g-Fe2O3、CrO2、金属磁粉等）、铁氧体系、超细磁性氧化物粉末、化学电镀钴镍合金或真空溅射蒸镀Co基合金连续磁性薄膜介质等材料，磁储存的资讯储存量从而有了很大的提高。固体（闪）储存器（flash memory）是不挥发可擦写的储存器，是基于半导体二极体的积体电路，比较紧凑和坚固，可以在记忆体与外存间插入使用。记录磁头铁芯材料一般用饱和磁感大的软磁材料，如80Ni-20Fe、Co-Zr-Nb、Fe-Ta-C、45Ni-55Fe、Fe-Ni-N、Fe-Si、Fe-Si-Ni、67Co-10Ni-23Fe等。近年来发展起来的巨磁阻（GMR）材料，在一定的磁场下电阻急剧减小，一般减小幅度比通常磁性金属与合金的磁电阻数值约高10余倍。GMR一般由自由层/导电层/钉扎层/反强磁性层构成，其中自由层可为Ni-Fe、Ni-Fe/Co、Co-Fe等强磁体材料，在其两端安置有Co-Cr-Pt等永磁体薄膜，导电层为数nm的铜薄膜，钉扎层为数nm的软磁Co合金，磁化固定层用5～40nm的Ni-O、Ni-Mn、Mn-In、Fe-Cr-Pt、Cr-Mn-Pt、Fe-Mn等反强磁体，并加Ru/Co层的积层自由结构。采用GMR效应的读出磁头，将磁碟记录密度一下子提高了近二十倍，因此巨磁阻效应的研究对发展磁储存有着非常重要的意义。

半导体的具体应用

最常见的：半导体收音机、掌上计算器、电脑内的主机板显示卡等硬体都要用道半导体、电视机里的部件也要用半导体晶片、手机内部的部件、汽车内也要用到的一些部件。目前大部分将用电器都要用到数字晶片，而不是模拟的（DSP），这些晶片说白了就是用半导体做成的。

半导体镭射器的应用

半导体二极体镭射器在镭射通讯、光储存、光陀螺、镭射列印、测距以及雷达等方面以及获得了广泛的应用

还可以作为固体镭射器的泵浦源，安防领域照明光源，现在应用的领域非常广了

半导体的三个广泛应用：

一、在无线电收音机（Radio）及电视机（Television）中，作为“讯号放大器/整流器”用。

二、近来发展太阳能（Solar Power），也用在光电池（Solar Cell）中。

三、半导体可以用来测量温度，测温范围可以达到生产、生活、医疗卫生、科研教学等应用的70%的领域，有较高的准确度和稳定性，解析度可达0.1℃，甚至达到0.01℃也不是不可能，线性度0.2%，测温范围-100~+300℃，是价效比极高的一种测温元件。

参考百度百科，仅供参考！

半导体在生活中的应用

试想过你的生活缺少了数字是什么概念吗？那将是一个混乱的世界，无论是你的手机号码、你的身份z号码、还是你家的门牌号，这些全部都是用数字表达的！电子游戏、电子邮件、数码音乐、数码照片、多媒体光碟、网路会议、远端教学、网上购物、电子银行和电子货币……几乎一切的东西都可以用0和1来表示。电脑和网际网路的出现让人们有了更大的想象和施展的空间，我们的生活就在这简单的“0”“1”之间变得丰富起来、灵活起来、愉悦起来，音像制品、手机、摄像机、数码相机、MP3、袖珍播放机、DVD播放机、PDA、多媒体、多功能游戏机、ISDN等新潮电子产品逐渐被人们所认识和接受，数字化被我们随身携带着，从而拥有了更加多变的视听新感受，音乐和感觉在数字化生活中静静流淌……

数字生活已成为资讯化时代的特征，它改变着人类生活的方方面面，在此背后，隐藏着新材料的巨大功勋，新材料是数字生活的“幕后英雄”。

计算机是数字生活中的重要装置，计算机的核心部件是中央处理器（CPU）和储存器（RAM），它们是以大规模积体电路为基础建造起来的，而这些积体电路都是由半导体材料做成的，Si片是第一代半导体材料，积体电路中采用的Si片必须要有大的直径、高的晶体完整性、高的几何精度和高的洁净度。为了使积体电路具有高效率、低能耗、高速度的效能，相继发展了GaAs、InP等第二代半导体单晶材料。SiC、GaN、ZnSe、金刚石等第三代宽禁带半导体材料、SiGe/Si、SOI（Silicon On Insulator）等新型矽基材料、超晶格量子阱材料可制作高温（300~500°C）、高频、高功率、抗辐射以及蓝绿光、紫外光的发光器件和探测器件，从而大幅度地提高原有矽积体电路的效能，是未来半导体材料的重要发展方向。

人机交换，常常需要将各种形式的资讯，如文字、资料、图形、影象和活动影象显示出来。静止资讯的显示手段最常用的如印表机、影印机、传真机和扫描器等，一般称为资讯的输出和输入装置。为提高解析度以及输入和输出的速度，需要发展高灵敏度和稳定的感光材料，例如镭射印表机和影印机上的感光鼓材料，目前使用的是无机的硒合金和有机的酞菁染料。显示活动影象资讯的主要部件是阴极射线管（CRT），广泛地应用在计算机终端显示器和平面电视上，CRT目前采用的电致发光材料，大都使用稀土掺杂（Tb3+、Sn3+、Eu3+等）和过渡元素掺杂（Mn2+）的硫化物（ZnS、CdS等）和氧化物（Y2O3、YAlO3）等无机材料。

为了减小CRT庞大的体积，资讯显示的趋势是高解析度、大显示容量、平板化、薄型化和大型化，为此主要采用了液晶显示技术（LCD）、场致发射显示技术（FED）、等离子体显示技术（PDP）和发光二极体显示技术（LED）等平板显示技术，广泛应用在高清晰度电视（HDTV）、电视电话、计算机（台式或可移动式）显示器、汽车用及个人数字化终端显示等应用目标上，CRT不再是一支独秀，而是形成与各种平板显示器百花争艳的局面。

在液晶显示技术中采用的液晶材料早已在手表、计算器、膝上型电脑、摄像机中得到应用，液晶材料较早使用的是苯基环己烷类、环己基环己烷类、吡啶类等向列相和手征相材料，后来发展了铁电型（FE）液晶，响应时间在微秒级，但铁电液晶的稳定性差，只能用分支法（side-chain）来改进。目前趋向开发反铁电液晶，因为它们的稳定性较高。

液晶显示材料在大萤幕显示中有一定的困难，目前作为大萤幕显示的主要候选物件为等离子体显示器（PDP）和发光二极体（LED）。PDP所用的荧光粉为掺稀土的钡铝氧化物。用类金刚石材料作冷阴极和稀土离子掺杂的氧化物作发光材料，推动场发射显示（FED）的发展。制作高亮度发光二极体的半导体材料主要为发红、橙、黄色的GaAs基和GaP基外延材料、发蓝光的GaN基和ZnSe基外延材料等。

由于因特网和多媒体技术的迅速发展，人类要处理、传输和储存超高资讯容量达太（兆兆）数字位（Tb，1012bits），超高速资讯流每秒达太位（Tb/s），可以说人类已经进入了太位资讯时代。现代的资讯储存方式多种多样，以计算机系统储存为例，储存方式分为随机记忆体储、线上外储存、离线外储存和离线储存。随机记忆体储器要求整合度高、资料存取速度快，因此一直以大规模整合的微电子技术为基础的半导体动态随机储存器（DRAM）为主，256兆位的随机动态储存器的电晶体超过2亿个。外储存大都采用磁记录方式，磁储存介质的主要形式为磁带、磁泡、软磁碟和硬磁碟。磁储存密度的提高主要依赖于磁介质材料的改进，相继采用了磁性氧化物（如g-Fe2O3、CrO2、金属磁粉等）、铁氧体系、超细磁性氧化物粉末、化学电镀钴镍合金或真空溅射蒸镀Co基合金连续磁性薄膜介质等材料，磁储存的资讯储存量从而有了很大的提高。固体（闪）储存器（flash memory）是不挥发可擦写的储存器，是基于半导体二极体的积体电路，比较紧凑和坚固，可以在记忆体与外存间插入使用。记录磁头铁芯材料一般用饱和磁感大的软磁材料，如80Ni-20Fe、Co-Zr-Nb、Fe-Ta-C、45Ni-55Fe、Fe-Ni-N、Fe-Si、Fe-Si-Ni、67Co-10Ni-23Fe等。近年来发展起来的巨磁阻（GMR）材料，在一定的磁场下电阻急剧减小，一般减小幅度比通常磁性金属与合金的磁电阻数值约高10余倍。GMR一般由自由层/导电层/钉扎层/反强磁性层构成，其中自由层可为Ni-Fe、Ni-Fe/Co、Co-Fe等强磁体材料，在其两端安置有Co-Cr-Pt等永磁体薄膜，导电层为数nm的铜薄膜，钉扎层为数nm的软磁Co合金，磁化固定层用5～40nm的Ni-O、Ni-Mn、Mn-In、Fe-Cr-Pt、Cr-Mn-Pt、Fe-Mn等反强磁体，并加Ru/Co层的积层自由结构。采用GMR效应的读出磁头，将磁碟记录密度一下子提高了近二十倍，因此巨磁阻效应的研究对发展磁储存有着非常重要的意义。

声视领域内镭射唱片和镭射唱机的兴起，得益于光储存技术的巨大发展，光碟存贮是通过调制镭射束以光点的形式把资讯编码记录在光学圆盘镀膜介质中。与磁储存技术相比，光碟储存技术具有储存容量大、储存寿命长；非接触式读/写和擦，光头不会磨损或划伤盘面，因此光碟系统可靠，可以自由更换；经多次读写载噪比（CNR）不降低。光碟储存技术经过CD（Compact Disk）、DVD（Digital Versatile Disk）发展到将来的高密度DVD（HD-DVD）、超高密度DVD（SHD-DVD）过程中，储存介质材料是关键，一次写入的光碟材料以烧蚀型（Tc合金薄膜，Se-Tc非晶薄膜等）和相变型（Te-Ge-Sb非晶薄膜、AgInTeSb系薄膜、掺杂的ZnO薄膜、推拉型偶氮染料、亚酞菁染料）为主，可擦重写光碟材料以磁光型（GdCo、TeFe非晶薄膜、BiMnSiAl薄膜、稀土掺杂的石榴石系YIG、Co-Pt多层薄膜）为主。光碟储存的密度取决于镭射管的波长，DVD盘使用的InGaAlP红色镭射管（波长650nm）时，直径12cm的盘每面储存为4.7千兆位元组（GB），而使用ZnSe（波长515nm）可达12GB，将来采用GaN镭射管（波长410nm），储存密度可达18GB。要读写光盘里的资讯，必须采用高功率半导体镭射器，所用的镭射二极体采用化合物半导体GaAs、GaN等材料。

镭射器除了在光碟储存应用之外，在光通讯中的作用也是众所周知的。由于有了低阈值、低功耗、长寿命及快响应的半导体镭射器，使光纤通讯成为现实。光通讯就是由电讯号通过半导体镭射器变为光讯号，而后通过光导纤维作长距离传输，最后再由光讯号变为电讯号为人接收。光纤所传输的光讯号是由镭射器发出的，常用的为半导体镭射器，所用材料为GaAs、GaAlAs、GaInAsP、InGaAlP、GaSb等。在接受端所用的光探测器也为半导体材料。缺少光导纤维，光通讯也只能是“纸上谈兵”。低损耗的光学纤维是光纤通讯的关键材料，目前所用的光学纤维感测材料主要有低损耗石英玻璃、氟化物玻璃和Ga2S3为基础的硫化物玻璃和塑料光纤等，1公斤石英为主的光纤可代替成吨的铜铝电缆。光纤通讯的出现是资讯传输的一场革命，资讯容量大、重量轻、占用空间小、抗电磁干扰、串话少、保密性强，是光纤通讯的优点。光纤通讯的高速发展为现代资讯高速公路的建设和开通起到了至关重要的作用。

除了有线传播外，资讯的传播还采用无线的方式。在无线传播中最引人注目的发展是行动电话。行动电话的使用者愈多，所使用的频率愈高，现在正向千兆周的频率过渡，电话机的微波发射与接收亦是靠半导体电晶体来实现，其中部分Si电晶体正在被GaAs电晶体所取代。在手机中广泛采用的高频声表面波SAW（Surface Acoustic Wave）及体声波BAW（Bulk Surface Acoustic Wave）器件中的压电材料为a-SiO2、LiNbO3、LiTaO3、Li2B4O7、KNbO3、La3Ga5SiO14等压电晶体及ZnO/Al2O3和SiO2/ZnO/DLC/Si等高声速薄膜材料,采用的微波介质陶瓷材料则集中在BaO-TiO2体系、BaO-Ln2O3-TiO2（Ln=La,Pr,Nd,Sm,Eu,Gd）体系、复合钙钛矿A（B1/3B￠2/3）O3体系（A=Ba,Sr；B=Mg,Zn,Co,Ni,Mn；B￠=Nb,Ta）和铅基复合钙钛矿体系等材料上。

随着智慧化仪器仪表对高精度热敏器件需求的日益扩大，以及手持电话、掌上电脑PDA、膝上型电脑和其它行动式资讯及通讯装置的迅速普及，进一步带动了温度感测器和热敏电阻的大量需求，负温度系数（NTC）热敏电阻是由Co、Mn、Ni、Cu、Fe、Al等金属氧化物混合烧结而成，其阻值随温度的升高呈指数型下降，阻值-温度系数一般在百分之几，这一卓越的灵敏度使其能够探测极小的温度变化。正温度系数（PTC）热敏电阻一般都是由BaTiO3材料新增少量的稀土元素经高温烧结的敏感陶瓷制成的，这种材料在温度上升到居里温度点时，其阻值会以指数形式陡然增加，通常阻值-温度变化率在20~40%之间。前者大量使用在镍镉、镍氢及锂电池的快速充电、液晶显示器（LCD）影象对比度调节、蜂窝式电话和移动通讯系统中大量采用使用的温度补偿型晶体振荡器等中，来进行温度补偿，以保证器件效能稳定；此外还在计算机中的微电机、照相机镜头聚焦电机、印表机的列印头、软盘的伺服控制器和袖珍播放机的驱动器等中，发现它的身影。后者可以用于过流保护、发热器、彩电和监视器的消磁、袖珍压缩机电机的启动延迟、防止膝上型电脑常效应管（FET）的热击穿等。

为了保证资讯执行的通畅，还有许多材料在默默地作著贡献，例如，用于制作绿色电池的材料有：镍氢电池的正、负极材料用MH合金和Ni(OH)2材料、锂离子电池的正、负极用LiCoO2、LiMn2O4和MCMB碳材料等电极材料；行动电话、PC机以及诸如数码相机、MD播放机/录音机、DVD装置和游戏机等数字音/视讯装置等中钽电容器所用材料；现代永磁材料Fe14Nd2B在制造永磁电极、磁性轴承、耳机及微波装置等方面有十分重要的用途；印刷电路板（PCB）及超薄高、低介电损耗的新型覆铜板（CCL）用材料；环氧模塑料、氧化铝和氮化铝陶瓷是半导体和积体电路晶片的封装材料；积体电路用关键结构与工艺辅助材料（高纯试剂、特种气体、塑封料、引线框架材料等），不一而足，这些在浩瀚的材料世界里星光灿烂的新材料，正在数字生活里发挥着不可或缺的作用。

随着科技的发展，大规模积体电路将迎来深亚微米（0.1mm）矽微电子技术时代，小于0.1mm的线条就属于奈米范畴，它的线宽就已与电子的德布罗意数相近，电子在器件内部的输运散射也将呈现量子化特性，因而器件的设计将面临一系列来自器件工作原理和工艺技术的棘手问题，导致常说的矽微电子技术的“极限”。由于光子的速度比电子速度快得多，光的频率比无线电的频率高得多，为提高传输速度和载波密度，资讯的载体由电子到光子是必然趋势。目前已经发展了许多种镭射晶体和光电子材料，如Nd:YAG、Nd:YLF、Ho:YAG、Er:YAG、Ho:Cr:Tm:YAG、Er:YAG、Ho:Cr:Tm:YLF、Ti:Al2O3、YVO4、Nd:YVO4、Ti:Al2O3、KDP、KTP、BBO、BGO、LBO、LiNbO3、K(Ta,Nb)O3、Fe:KnBO3、BaTiO3、LAP等，所有这些材料将为以光通讯、光储存、光电显示为主的光电子技术产业作出贡献。随着资讯材料由电子材料、微电子材料、光电子材料向光子材料发展，将会出现单电子储存器、奈米晶片、量子计算机、全光数字计算机、超导电脑、化学电脑、生物电脑和神经电脑等奈米电脑，将会极大地影响着人类的数字生活。

本世纪以来，以数字化通讯（Digital Communication）、数字化交换（Digital Switching）、数字化处理（Digital Processing）技术为主的数字化生活（Digital Life）正在向我们招手，一步步地向我们走来——清晨，MP3音箱播放出悦耳的晨曲，催我们按时起床；上班途中，开启随身携带的膝上型电脑，进行新一天的工作安排；上班以后，通过网际网路召开网路会议、开展远端教学和实时办公；在下班之前，我们远端启动家里的空调和溼度调节器，保证家中室温适宜；下班途中，开启手机，悠然自在观看精彩的影视节目；进家门前，我们接收网上订购的货物；回到家中，和有线电视台进行互动，观看和下载喜欢的影视节目和歌曲，制作多媒体，也可进入社群网际网路，上网浏览新闻了解天气……这一切看上去是不是很奇妙？似乎遥不可及。其实它正在和将要发生在我们身边，随着新一代家用电脑和网际网路的出现，如此美好数字生活将成为现实。当享受数字生活的同时，饮水思源，请不要忘记为此作出巨大贡献的功臣——绚丽多彩的新材料世界！

“我们首次在基于集成光子芯片的掺铒波导放大器中，实现超过 145 毫瓦（>145mW）的片上连续光输出功率，比已报道的器件提高两个数量级。并在几平方毫米的芯片面积上，实现了超过 30 分贝的片上连续光增益，这相当于将输入信号放大 1000 倍，也能满足光通信在 C 波段以及部分 L 波段的应用需求。”瑞士洛桑联邦理工（EPFL，École Polytechnique Fédérale de Lausanne）物理系教授托拜厄斯·J· 基彭伯格（Tobias J. Kippenberg）团队表示。

他们谈论的这一成果，正是近期发表在 Science 的一篇论文[1]。研究中，该团队在最长达 0.5 米的超低损耗氮化硅集成光波导中，使用了高能铒离子注入的方法进行掺杂。这种稀土离子注入技术在 1991 年由当时在美国贝尔实验室的阿尔贝托·波尔曼（Alberto Polman）教授（现任职于荷兰原子分子国立研究所）在薄膜材料中验证。该团队在保证离子掺杂均匀性的同时实现了高达 0.3% 原子掺杂浓度，铒离子分布与光模场重叠因子高达 50%，相比于其他稀土离子掺杂方式具有明显的优势。

高温退火之后，离子注入后的波导仍然保持了小于 5 分贝每米的超低背景光损耗，相当于在 1 米长的光波导中光信号背景损耗小于 50%。课题组使用波长在 1480 纳米的泵浦光（约 245 毫瓦），实现了接近 60% 的最大片上光功率转换效率。

相关器件的放大性能，不仅能与最先进的硅基异质集成半导体光放大器的增益性能相媲美，还达到了一些部分商用掺铒光纤放大器的水平。此外，他们还展示了选择性离子注入技术，证明了任意定义芯片上铒掺杂区域的可行性，借此制备出在同一个集成光子芯片上同时实现光增益单元与低损耗的无源功能器件，为实现大规模复杂的单片集成有源光子芯片提供了技术基础。

在应用上，其最直接的一个应用前景是实现尺寸极紧凑的高性能波导光放大器，在对器件体积和重量敏感的部分应用场景中取代台式光纤放大器，比如在数据中心，移动设备，和机载、星载设备中。

进一步的，该器件可以与其他片上光子功能器件集成在同一个光子芯片上，实现更复杂的、集成度更高的功能器件和系统，比如低噪声激光器、波长可调激光器、光子雷达引擎等，以满足光通信、集成微波光子学、量子信息存储等重要领域的研究和应用需求。

其中，该团队的博士后刘阳博士、博士生邱哲儒、博士生纪歆茹是论文主要作者；两位 EPFL 前同事——目前就职于南京航空航天大学的何吉骏博士、和就职于深圳国际量子研究院刘骏秋博士，也参与了该工作。

论文题为《基于光子集成电路的掺铒放大器》（A photonic integrated circuit–based erbium-doped amplifier），发表之后还得到了 Science 的亮点报道[2]。

亟待解决的难题：在集成光子芯片中实现高性能、低串扰的光信号放大

据介绍，作为一个可将微弱的光信号直接进行光放大的器件，掺铒光纤放大器被广泛用于长距离光纤通信网路和各种光纤激光中。掺铒光纤放大器的实现，是通过在光纤纤芯中注入了铒（Er）离子这种稀土元素，使得在泵浦光源的激励下，可直接对通信波段的光信号进行放大。

近二十年来，集成光子芯片技术得到了迅速发展，也极大降低了光子信号处理器件的尺寸和功耗。然而，一直以来在集成光子芯片中实现高性能、低串扰的光信号放大，是一个亟待解决的难题。

而本次团队将高浓度稀土铒离子直接注入到集成光子芯片中，实现了集成光波导放大器，首次达到了与商用光纤放大器相当的性能， 解决了实现集成高功率光放大器、低噪声激光器、高脉冲功率锁模激光器等重要光子器件的关键难题。

其研究背景要从 20 世纪 80 年代说起。当时，国际著名光子学专家、英国南安普顿大学光电子中心的佩恩爵士（Sir D. N. Payne），以及美国贝尔实验室的物理学家埃曼努尔·杜苏庇尔（Emmanuel Desurvire）等研究人员发明了掺铒光纤放大器，它的诞生是光纤通信技术的革命性突破。

而华裔物理学家、诺贝尔物理学奖得主高锟发明的光纤，奠定了光通信的基础。但是，只有在光纤放大器取代了传统的、性能受限的电中继器之后，光通信技术才得到了飞速发展，人们才能通过遍布全球的长距离、跨洋光纤通信网络与世界各地通信交流。

稀土离子比如铒、镱、铥等具有独特的 4f 壳层电子结构，这让它们在宿主材料中有长达几个毫秒的激发态寿命，有利于实现粒子数反转从而能放大光信号。同时，毫秒级的长激发态寿命能大大减低不同波段光信号之间的串扰，从而能在一个放大器中对处于多个波长的光信号进行放大，进而极大地增加信道容量。

如今，商用光纤放大器的噪声系数，已能非常接近于量子力学决定的非相敏光放大的极限噪声性能（3分贝）。凭借这些特性，基于稀土离子掺杂的光纤放大器，成为了光通信技术中的理想增益介质。

此外，光纤放大器几乎在所有光纤激光器应用中都发挥着至关重要的作用，例如光纤传感、频率计量、激光雷达、激光加工等应用。在目前世界上最精确的原子钟里，光学频率梳是用于将光学频率转换为射频频率的关键组件，其中也运用了基于稀土离子掺杂的光纤放大器。

正因为基于稀土离子的光纤放大器的性能优势和在应用上的巨大成功，在集成光子芯片上实现基于稀土离子的波导放大器，很自然地成为了一个重要研究目标，这将对于集成光子学的发展具有相当重要的意义， 能填补集成光子芯片上低噪声光放大技术的空白。

在过去 30 年里，全球许多团队都对稀土离子掺杂的波导放大器的研发做出了尝试。例如，在 20 世纪 90 年代，美国贝尔实验室展开了关于掺铒波导放大器的开创性研究，但由于当时采用的基于低折射率的玻璃的波导器件受体积大、损耗高，无法与现代集成光子芯片微纳加工工艺兼容等限制，相关研究逐渐相继停滞。

近十年来，集成光子学的快速发展和器件加工工艺的不断提升，对在主流集成光子材料平台上实现掺铒波导放大器，研究人员重新产生了浓厚兴趣，此前已有团队制备出掺铒氧化铝和掺铒锂酸铌放大器等。

然而，已报道的基于集成光子波导放大器的输出功率远低于 1 毫瓦（

光纤激光器的工作原理如下：

由泵浦源发出的泵浦光通过一面反射镜耦合进入增益介质中，由于增益介质为掺稀土元素光纤，因此泵浦光被吸收，吸收了光子能量的稀土离子发生能级跃迁并实现粒子数反转，反转后的粒子经过谐振腔，由激发态跃迁回基态，释放能量，并形成稳定的激光输出。

光纤激光器的工作原理主要基于光纤激光器的特殊结构。激光器是由工作物质、泵浦源和谐振腔三部分组成，具体作用如下：

1、增益光纤为产生光子的增益介质。

2、抽运光的作用是作为外部能量使增益介质达到粒子数反转，即泵浦源。

3、光学谐振腔由两个反射镜组成，作用是使光子得到反馈并在工作介质中得到放大。

扩展资料：

光纤激光器的特点：

1、光束质量好。

光纤的波导结构决定了光纤激光器易于获得单横模输出，且受外界因素影响很小，能够实现高亮度的激光输出。

2、高效率。

光纤激光器通过选择发射波长和掺杂稀土元素吸收特性相匹配的半导体激光器为泵浦源，可以实现很高的光一光转化效率。对于掺镱的高功率光纤激光器，一般选择915纳米或975纳米的半导体激光器，荧光寿命较长，能够有效储存能量以实现高功率运作。

3、散热特性好。

光纤激光器是采用细长的掺杂稀土元素光纤作为激光增益介质的，其表面积和体积比非常大，约为固体块状激光器的1000倍，在散热能力方面具有天然优势。

中低功率情况下无需对光纤进行特殊冷却，高功率情况下采用水冷散热，也可以有效避免固体激光器中常见的由于热效应引起的光束质量下降及效率下降。

4、结构紧凑，可靠性高。

由于光纤激光器采用细小而柔软的光纤作为激光增益介质，有利于压缩体积、节约成本。

泵浦源也是采用体积小、易于模块化的半导体激光器，商业化产品一般可带尾纤输出，结合光纤布拉格光栅等光纤化的器件，只要将这些器件相互熔接即可实现全光纤化，对环境扰动免疫能力高，具有很高的稳定性，可节省维护时间和费用。

参考资料来源：百度百科-光纤激光器

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