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福建日报、中工网(2020-11-17):为5G通信“强心”

发布日期: 2020-11-17    作者: □本报记者 张颖 文/图    阅读:

当前,5G技术带动新一轮科技革命和产业变革。通信产业链正加速重构。光纤通信、5G器件市场正迈向千亿元级,应用领域前景广阔。 然而,我国5G通信器件的核心材料——法拉第磁光材料却100%依赖进口。由于技术难题未能攻克,生产5G通信三大光无源器件(光隔离器、光环形器、光开关),必须从日美进口法拉第磁光材料。国外供应链的限制,让产业呈现隐忧。《助创》记者了解到,福州大学化学学院光功能晶态材料研究所经过十多年的潜心科研,攻关关键核心技术,创新使用自助溶剂导模提拉法制作CRIG磁光晶体材料,有望打破日美企业制约——


为5G通信“强心”


晶体生长设备

研究人员正在进行产品性能测试

福州大学用独特工艺制成的磁光晶体材料薄片


100%依赖进口,日美筑起技术壁垒

在福州大学化学学院的实验楼里,有一间晶体生长实验室,里面几台机器正在运转。透过小小的长方形玻璃视窗,可以看到机器内有一个非常不起眼的倒模装置。虽然肉眼看不出变化,但装置里一种非常稀缺的磁光晶体正在生长。

“这个薄片,就是光通信元器件的核心部件。” 展示着手中一个已经完成加工,并被密封起来的晶体,福州大学化学学院光功能晶态材料研究所刘海鹏博士说道。

在刘海鹏的手机里,我们看到了这个黑色薄片的“前身”——法拉第磁光材料,它从倒模装置“出生”后,长相各不相同,有的像倒钟,有的像葫芦。“如果出生后无法加工成这样的薄片,就是废品。‘怀胎’不易,这种材料很珍贵。”刘海鹏说。

法拉第磁光材料,顾名思义就是具有法拉第效应的特殊晶体材料,目前主要应用于光通信领域。光通信中必不可少的部件——光隔离器就需要用到这种材料。它在光信号传输中可确保光信号实现正向通过,反向隔离,同时还能降低系统传输信噪比、稳定光信号传输和保护光源。

作为关键材料,美国II-VI公司旗下的IPI和日本的GRANOPT是法拉第磁光材料商用领域的两大主力供应商,垄断了全球市场。国内发展5G通信,自主生产法拉第磁光材料迫在眉睫。

福州大学化学学院光功能晶态材料研究所所长庄乃锋告诉记者,磁光材料是目前世界高科技领域具吸引力的一种新型功能材料,各个科技强国都在这一领域展开激烈的竞争,中国的研究起步晚,进展也不大。

磁光晶体材料的垄断性源自其生长方法复杂,直到2005年,日本的GRANOPT才实现商业化生产。由于材料掺杂改性困难,因此存在诸多技术难题。想要突破壁垒,就要正视生产中三大瓶颈问题:结构、生长、性能。


12年磨一剑,研发磁光晶体材料有新方法

多年从事晶体研究,庄乃锋感叹,法拉第磁光材料的自主研发之路非常坎坷。“材料的工艺复杂,我们起步晚,日美筑起的技术壁垒造成研发周期长,成果转化慢,因此很多国内团队纷纷放弃。”他透露,之前研发的许多材料成品都因为法拉第旋转角(<900deg/cm)这一关键指标不理想,不具备商用价值。

据介绍,从2009年开始,庄乃锋开始研究用自助溶剂导模提拉法来培养此类晶体材料,也曾申请到国家青年基金项目。其后研究虽有所中断,但2015年后,磁光材料的研发重新进入视野,在前期研发的基础上,相关研究接力启动。

2017年3月起,研究所专注于导模法制备磁光晶体材料的基础研究,主要完成了结构选型、晶体生长、性能表征等前期研发。3年多来,团队在国际晶体专业期刊上发表了11篇论文,还申请了13项发明专利,对自主研发的生长方法、材料组分进行了全面保护。

今年1月起,他们将成品在比法拉第旋转角、透过性能等主要参数指标上进行了全面性能评测,7月产品已经在华为试用,目前正在评估产品在器件上的应用性能。

“我们的研究引起了不少国内外同行的关注。”庄乃锋表示,“目前研发出的CRIG晶体在主要指标性能测试中表现优异,具备了法拉第旋转角高、可控性强和成本低、无铅等优点。”

团队提供的实验室数据显示,与市场上的商用品核心应用参数对比,CRIG晶体展示出更高、更薄、更优、更环保的特点。“我们的材料铅含量为0,比法拉第旋转角、45°法拉第旋转片产品厚度、消光比等关键指标优于现有商用品,而且总体成本可以降低30%。”庄乃锋说。

能够实现这样的突破,关键在于其技术有别于日美企业目前采用液相外延法,福大团队创新使用自助溶剂导模提拉法生长CRIG磁光晶体材料。

“我们的生长过程是可视化的,因此可控性强。”庄乃锋补充说道,“液相外延法还必须采用基片,每片成本在200元左右,还会衍生出含铅等问题。我们的工艺无须基片,铅含量为0,目前测试的生长速度高于液相法20~30倍。”


成长的烦恼,创业型研究需要更优渥土壤

记者了解到,目前团队已经与福州致卓晶体光电科技有限公司达成初试生产合作意向,正在全力优化稳定生长工艺参数,为初试生产做好更充分的准备。

从新技术到能够实现工业化生产,研发之路还很长。庄乃锋表示,目前实验室有3台晶体生长设备在运转,2台半自动,1台全自动,他们希望扩充设备,提高实验效率。“我们也有用传统的液相外延法在优化熔体配比,进行比较研究,这些设备投入需要资金的支持。”

除此之外,研究所还面临着研发人员调整的窘境,庄乃锋透露,目前团队有4名博士、3名硕士,刘海鹏博士作为主力之一即将毕业,能否留校继续研究尚属未知数。“对技术研发来说,人员的稳定很重要,但是他们总要毕业,研究的持续性还是会遇到困难。”

据记者了解,目前与产业紧密联系的创业型研究人员留校还是存在一定的障碍。“无论是论文发表,还是人才引进,从现有的人才考核指标体系上看,走创业这条路多少会有点吃亏。”庄乃锋希望,未来相关政策能够有更大的弹性,鼓励激励更多与产业需求密切相关的研究获得更良好的成长土壤。


福建日报:https://fjrb.fjdaily.com/pc/con/202011/17/content_45859.html

福建省工业和信息化厅:

http://gxt.fujian.gov.cn/xw/hydt/snhydt/202011/t20201117_5435030.htm

中工网:http://firm.workercn.cn/33991/202011/17/201117165956688.shtml