光子集成被認(rèn)為是21世紀(jì)具有顛覆性意義的技術(shù)之一。
2016年，中科院前瞻部署了由西安光機(jī)所牽頭的“大規(guī)模光子集成芯片”B類先導(dǎo)專項(xiàng)。幾年來，該項(xiàng)目已在光子集成芯片技術(shù)領(lǐng)域的材料體系、芯片集成工藝平臺(tái)、光計(jì)算原型芯片等方面取得了重要進(jìn)展，具備了大規(guī)模光子集成芯片從原理設(shè)計(jì)、芯片制備、芯片封測(cè)、系統(tǒng)驗(yàn)證的能力，部分成果逐步打破發(fā)達(dá)國家壟斷。
什么是光子集成？它對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展有何意義？“大規(guī)模光子集成芯片”B類先導(dǎo)專項(xiàng)取得了哪些重要進(jìn)展？日前，記者采訪了中科院西安分院院長(zhǎng)、“大規(guī)模光子集成芯片”B類先導(dǎo)專項(xiàng)首席科學(xué)家趙衛(wèi)。
從電子到光子
1947年第一只晶體管的問世開啟了人類歷史上一個(gè)嶄新而偉大的時(shí)代：電子技術(shù)作為信息社會(huì)科技進(jìn)步的重要基石，是20世紀(jì)發(fā)展最迅速、應(yīng)用最廣泛的科學(xué)技術(shù)之一，推動(dòng)了全球范圍內(nèi)的半導(dǎo)體電子工業(yè)發(fā)展。在經(jīng)歷了電子管、晶體管、集成電路、大規(guī)模集成電路等研究階段后，1978年超大規(guī)模集成電路的研制成功，為微型計(jì)算機(jī)的誕生創(chuàng)造了條件，電子技術(shù)正式進(jìn)入微電子時(shí)代。
在過去的半個(gè)世紀(jì)里，微電子芯片的集成規(guī)模提升了十億倍以上，已廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、移動(dòng)通信、航空航天、原子能、海洋開發(fā)、生物工程以及工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域，使人類社會(huì)變得越來越便捷和智能。隨著科技發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步，人類對(duì)信息的需求不斷增長(zhǎng)，也對(duì)信息獲取和處理能力提出了更高的要求。
然而在后摩爾時(shí)代，進(jìn)一步減小芯片線寬的難度越來越大，微電子技術(shù)面臨著不可逾越的電互聯(lián)導(dǎo)致的延時(shí)和功耗方面的限制，于是研究人員提出了利用光子作為信息載體來替代電子的設(shè)想，希望可以利用光子更高效地完成信息的傳輸。光子具有超高傳輸速度、超高并行性、超長(zhǎng)傳輸距離和高抗擾性等顯著優(yōu)勢(shì)，非常適合信號(hào)的通信和傳輸。通過光電子與微電子的融合，發(fā)揮光電子在信息高速傳輸和微電子在信息高效處理上的優(yōu)勢(shì)，可在實(shí)現(xiàn)信息高速傳輸?shù)耐瑫r(shí)，有效降低傳輸與交互功耗。光子集成技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，它可以滿足現(xiàn)代社會(huì)信息技術(shù)向高速、節(jié)能、智能發(fā)展的迫切需求。
“光子集成是將多種光學(xué)器件或光電器件集成在同一襯底上，光子集成芯片能夠以更低的功耗和成本構(gòu)建一個(gè)具有更多節(jié)點(diǎn)的全新網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，代表著現(xiàn)代光電子技術(shù)與微電子技術(shù)的前沿研究領(lǐng)域，其技術(shù)水平和產(chǎn)業(yè)能力已經(jīng)成為衡量一個(gè)國家綜合實(shí)力和國際競(jìng)爭(zhēng)力的重要標(biāo)志?！壁w衛(wèi)介紹。
困難和挑戰(zhàn)
進(jìn)入21世紀(jì)以來，美國、日本、德國等國家將光子集成提升到國家戰(zhàn)略層面，圍繞光子集成技術(shù)部署了許多重大的研究計(jì)劃，投入了大量人力物力進(jìn)行高端光電器件的研發(fā)，提升了各國信息領(lǐng)域的整體水平。
“我國也十分重視光子集成技術(shù)的發(fā)展。雖然我們?cè)诨A(chǔ)理論研究、系統(tǒng)架構(gòu)研究、工藝控制能力、前沿應(yīng)用探索等方面落后于發(fā)達(dá)國家，但均有一定技術(shù)積累。幸運(yùn)的是，該領(lǐng)域尚未形成壟斷和巨頭，不存在裝備上的壁壘，我們?nèi)杂汹s超的機(jī)會(huì)和窗口?！壁w衛(wèi)說，“要想在光子集成技術(shù)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)快速突破，我們就必須正視其發(fā)展所面臨的困難和挑戰(zhàn)?！?/font>
其中最大的挑戰(zhàn)是如何將多種不同材料的功能單元器件集成到一個(gè)芯片上。在這些器件中，有源器件功能的實(shí)現(xiàn)依賴于光與物質(zhì)的相互作用，而無源器件要求將光能量的損失降到最低，盡量減小與物質(zhì)的相互作用，這本就存在矛盾。此外，有源器件一般以三五族化合物半導(dǎo)體為主，而無源器件一般以硅和硅基化合物為主，實(shí)現(xiàn)機(jī)理和材料的差異成為多材料大規(guī)模光子集成技術(shù)發(fā)展必須克服的關(guān)鍵問題之一。
另一個(gè)挑戰(zhàn)是如何保證光子集成技術(shù)的可持續(xù)性發(fā)展和應(yīng)用擴(kuò)展。我國光子集成產(chǎn)業(yè)起步相對(duì)較晚，尚未形成成熟穩(wěn)定的芯片制備工藝能力?！斑@將直接影響光電子器件的尺寸大小和性能，不利于更大規(guī)模、更復(fù)雜的集成芯片的設(shè)計(jì)和制備，也就很難滿足市場(chǎng)對(duì)更快、更小、更便宜的光電子器件與芯片的剛性需求。”他說。
2016年，中科院前瞻部署了“大規(guī)模光子集成芯片”B類先導(dǎo)專項(xiàng)，重點(diǎn)突破有源與無源功能器件在材料層面的不兼容性問題，選擇合適的集成材料平臺(tái)并突破材料異質(zhì)集成、器件加工、集成工藝等一系列關(guān)鍵技術(shù)難題。
將科研優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化為產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì)
圍繞光電混合計(jì)算應(yīng)用，該項(xiàng)目在高速光傳輸、光交換與全光計(jì)算原型光子集成芯片等方面取得系列進(jìn)展，成功制備大規(guī)模調(diào)制器陣列芯片、大規(guī)模光交叉矩陣芯片、32通道波長(zhǎng)路由芯片、多級(jí)全光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)芯片、16通道硅基集成激光器陣列芯片等多款高性能、高集成度光子芯片，并成功將可重構(gòu)光交換技術(shù)應(yīng)用于AI訓(xùn)練節(jié)點(diǎn)間互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，可有效提升深度學(xué)習(xí)算力。
面向未來光量子信息，該項(xiàng)目在量子光源制備等專用光子集成芯片方面取得前瞻性突破，同時(shí)基于自主研制的集成微腔芯片，在片上多光子糾纏源、高維量子系統(tǒng)及多級(jí)超糾纏簇態(tài)等方面取得重要進(jìn)展，為復(fù)雜量子信息處理開辟了新的技術(shù)手段。
面向國民經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場(chǎng)，多項(xiàng)階段性成果已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化，在光子集成技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)自主可控。其中，以直調(diào)激光器為核心的頻譜重構(gòu)光子集成芯片成功替代進(jìn)口外調(diào)式激光器芯片，打破了美日對(duì)高端激光器市場(chǎng)的壟斷，助力華為、中興、烽火等光通信企業(yè)實(shí)現(xiàn)用戶接入帶寬向千兆跨越；團(tuán)隊(duì)自主開發(fā)的面向大型數(shù)據(jù)中心的復(fù)用/解復(fù)用光子集成芯片，已累計(jì)向臉書、亞馬遜、微軟等國際領(lǐng)頭數(shù)據(jù)中心運(yùn)營商發(fā)貨30萬顆。
然而，在中美貿(mào)易持久戰(zhàn)的大環(huán)境下，芯片產(chǎn)業(yè)面臨的高端技術(shù)對(duì)外依賴度高、人才短缺、產(chǎn)業(yè)集中度不足等問題暴露無遺。核心技術(shù)買不來，得靠自立自強(qiáng)。
“要想使我國在關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)自主可控，就必須讓科研成果走出實(shí)驗(yàn)室，走向產(chǎn)業(yè)化，將科研優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化為產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì)，為國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展創(chuàng)造更大的價(jià)值。”趙衛(wèi)介紹，團(tuán)隊(duì)也在積極推動(dòng)先導(dǎo)專項(xiàng)以產(chǎn)業(yè)生態(tài)的形式落地，圍繞科學(xué)發(fā)展和國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的共同需求，整合中科院和產(chǎn)業(yè)界的優(yōu)勢(shì)資源，在科學(xué)理論、材料體系、關(guān)鍵技術(shù)、工藝平臺(tái)、產(chǎn)業(yè)應(yīng)用等多方面組織攻關(guān)，占領(lǐng)光子集成技術(shù)領(lǐng)域制高點(diǎn)。
“我們希望為我國光子集成領(lǐng)域科技創(chuàng)新發(fā)揮帶動(dòng)和引領(lǐng)作用，支撐國家重大科技和國防建設(shè)發(fā)展，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整與戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展壯大?！壁w衛(wèi)表示。（張梅）
來源：http://esb.sxdaily.com.cn/pc/content/202103/01/content_749763.html
