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        讓關鍵技術自主可控

        ——首席科學家談光子集成技術

        發表日期:2021-03-01來源:陜西日報放大 縮小

          光子集成被認為是21世紀具有顛覆性意義的技術之一。

          2016年,中科院前瞻部署了由西安光機所牽頭的“大規模光子集成芯片”B類先導專項。幾年來,該項目已在光子集成芯片技術領域的材料體系、芯片集成工藝平臺、光計算原型芯片等方面取得了重要進展,具備了大規模光子集成芯片從原理設計、芯片制備、芯片封測、系統驗證的能力,部分成果逐步打破發達國家壟斷。

          什么是光子集成?它對經濟社會發展有何意義?“大規模光子集成芯片”B類先導專項取得了哪些重要進展?日前,記者采訪了中科院西安分院院長、“大規模光子集成芯片”B類先導專項首席科學家趙衛。

          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嶄新而偉大的時代:電子技術作為信息社會科技進步的重要基石,是20世紀發展最迅速、應用最廣泛的科學技術之一,推動了全球范圍內的半導體電子工業發展。在經歷了電子管、晶體管、集成電路、大規模集成電路等研究階段后,1978年超大規模集成電路的研制成功,為微型計算機的誕生創造了條件,電子技術正式進入微電子時代。

          在過去的半個世紀里,微電子芯片的集成規模提升了十億倍以上,已廣泛應用于計算機、移動通信、航空航天、原子能、海洋開發、生物工程以及工業生產等領域,使人類社會變得越來越便捷和智能。隨著科技發展和社會進步,人類對信息的需求不斷增長,也對信息獲取和處理能力提出了更高的要求。

          然而在后摩爾時代,進一步減小芯片線寬的難度越來越大,微電子技術面臨著不可逾越的電互聯導致的延時和功耗方面的限制,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、超長傳輸距離和高抗擾性等顯著優勢,非常適合信號的通信和傳輸。通過光電子與微電子的融合,發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勢,可在實現信息高速傳輸的同時,有效降低傳輸與交互功耗。光子集成技術應運而生,它可以滿足現代社會信息技術向高速、節能、智能發展的迫切需求。

          “光子集成是將多種光學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建一個具有更多節點的全新網絡結構,代表著現代光電子技術與微電子技術的前沿研究領域,其技術水平和產業能力已經成為衡量一個國家綜合實力和國際競爭力的重要標志?!壁w衛介紹。

          困難和挑戰

          進入21世紀以來,美國、日本、德國等國家將光子集成提升到國家戰略層面,圍繞光子集成技術部署了許多重大的研究計劃,投入了大量人力物力進行高端光電器件的研發,提升了各國信息領域的整體水平。

          “我國也十分重視光子集成技術的發展。雖然我們在基礎理論研究、系統架構研究、工藝控制能力、前沿應用探索等方面落后于發達國家,但均有一定技術積累。幸運的是,該領域尚未形成壟斷和巨頭,不存在裝備上的壁壘,我們仍有趕超的機會和窗口?!壁w衛說,“要想在光子集成技術領域實現快速突破,我們就必須正視其發展所面臨的困難和挑戰?!?/font>

          其中最大的挑戰是如何將多種不同材料的功能單元器件集成到一個芯片上。在這些器件中,有源器件功能的實現依賴于光與物質的相互作用,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體為主,而無源器件一般以硅和硅基化合物為主,實現機理和材料的差異成為多材料大規模光子集成技術發展必須克服的關鍵問題之一。

          另一個挑戰是如何保證光子集成技術的可持續性發展和應用擴展。我國光子集成產業起步相對較晚,尚未形成成熟穩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,不利于更大規模、更復雜的集成芯片的設計和制備,也就很難滿足市場對更快、更小、更便宜的光電子器件與芯片的剛性需求?!彼f。

          2016年,中科院前瞻部署了“大規模光子集成芯片”B類先導專項,重點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并突破材料異質集成、器件加工、集成工藝等一系列關鍵技術難題。

          將科研優勢轉化為產業優勢

          圍繞光電混合計算應用,該項目在高速光傳輸、光交換與全光計算原型光子集成芯片等方面取得系列進展,成功制備大規模調制器陣列芯片、大規模光交叉矩陣芯片、32通道波長路由芯片、多級全光神經網絡芯片、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,并成功將可重構光交換技術應用于AI訓練節點間互聯網絡,可有效提升深度學習算力。

          面向未來光量子信息,該項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、高維量子系統及多級超糾纏簇態等方面取得重要進展,為復雜量子信息處理開辟了新的技術手段。

          面向國民經濟主戰場,多項階段性成果已實現產業轉化,在光子集成技術應用領域實現自主可控。其中,以直調激光器為核心的頻譜重構光子集成芯片成功替代進口外調式激光器芯片,打破了美日對高端激光器市場的壟斷,助力華為、中興、烽火等光通信企業實現用戶接入帶寬向千兆跨越;團隊自主開發的面向大型數據中心的復用/解復用光子集成芯片,已累計向臉書、亞馬遜、微軟等國際領頭數據中心運營商發貨30萬顆。

          然而,在中美貿易持久戰的大環境下,芯片產業面臨的高端技術對外依賴度高、人才短缺、產業集中度不足等問題暴露無遺。核心技術買不來,得靠自立自強。

          “要想使我國在關鍵技術領域實現自主可控,就必須讓科研成果走出實驗室,走向產業化,將科研優勢轉化為產業優勢,為國民經濟發展創造更大的價值?!壁w衛介紹,團隊也在積極推動先導專項以產業生態的形式落地,圍繞科學發展和國民經濟發展的共同需求,整合中科院和產業界的優勢資源,在科學理論、材料體系、關鍵技術、工藝平臺、產業應用等多方面組織攻關,占領光子集成技術領域制高點。

          “我們希望為我國光子集成領域科技創新發揮帶動和引領作用,支撐國家重大科技和國防建設發展,促進經濟結構調整與戰略新興產業發展壯大?!壁w衛表示。(張梅)

        來源:http://esb.sxdaily.com.cn/pc/content/202103/01/content_749763.html

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