光子芯片

       不同于電子芯片以電流為信息載體，光子芯片以光波為信息載體，能實(shí)現(xiàn)低功耗、高帶寬、低時(shí)延的效果。不過，現(xiàn)階段的光子芯片受限于材料和技術(shù)，面臨效率較低、功能單一、成本較高等挑戰(zhàn)。

背景

　　隨著集成電路的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的電子集成電路在帶寬與能耗等方面逐漸接近極限。隨著電子電路集成度的不斷提高，金屬導(dǎo)線變得越來越細(xì)，導(dǎo)線之間的間距不斷縮小，這一方面使得導(dǎo)線的電阻和其歐姆損耗不斷增大，使得系統(tǒng)能耗不斷增加；另一方面會造成金屬導(dǎo)線間的電容增大，引起導(dǎo)線之間的串?dāng)_加大，進(jìn)而影響芯片的高頻性能。

　　電子集成芯片采用電流信號來作為信息的載體，而光子芯片則采用頻率更高的光波來作為信息載體。相比于電子集成電路或電互聯(lián)技術(shù)，光子集成電路與光互連展現(xiàn)出了更低的傳輸損耗 、更寬的傳輸帶寬、更小的時(shí)間延遲、以及更強(qiáng)的抗電磁干擾能力。 此外，光互連還可以通過使用多種復(fù)用方式（例如波分復(fù)用WDM、模分互用MDM等）來提高傳輸媒質(zhì)內(nèi)的 通信 容量。 因此，建立在集成光路基礎(chǔ)上的片上光互連被認(rèn)為是一種極具潛力的技術(shù)用以克服電子傳輸所帶來的瓶頸問題。

　　美國計(jì)算機(jī)芯片巨頭英特爾公司日前宣布，該公司與美國加州大學(xué)圣芭芭拉分校（UCSB）的研究人員日前成功研發(fā)出了世界上首個(gè)采用標(biāo)準(zhǔn)硅工藝制造的電力混合硅激光器，這標(biāo)志著用于未來計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)中心的低成本、高帶寬硅光子學(xué)設(shè)備產(chǎn)業(yè)化的最后障礙之一被解決。

產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

　　帶來照明革命的LED芯片在大連光產(chǎn)業(yè)園正式投產(chǎn)。從此，我國將擁有“大連制造”的LED芯片。

　　中國最新一代“光芯”——路美芯片在有“北方明珠”美稱的大連問世，從而實(shí)現(xiàn)了中國高品位半導(dǎo)體發(fā)光芯片的規(guī)?；a(chǎn)零的突破，大連將會因此成為中國乃至世界著名的芯片制造中心和中國半導(dǎo)體照明工程的重要基地。

　　光子芯片運(yùn)用的是半導(dǎo)體發(fā)光技術(shù)，發(fā)光現(xiàn)象屬半導(dǎo)體中的直接發(fā)光。光子芯片產(chǎn)品將完全改變?nèi)藗儗ΜF(xiàn)有的各種各樣“燈”的概念，這種全新意義的照明將逐步替代白熾燈和熒光燈，讓燈泡、燈管、鎢絲等名詞逐漸消失，這將給人類照明史帶來繼愛迪生發(fā)明電燈之后的又一次革命。全球的耗電量為三千億度，如果改用光子芯片照明，每年將省電兩千七百億度，并降低污染，因此有人將這種照明稱為“綠色節(jié)能照明”。

　　代表著世界光子芯片前沿產(chǎn)業(yè)動態(tài)和國際先進(jìn)水平的“路美芯片”之所以能夠出現(xiàn)在大連，是由于在城市建設(shè)亮化方面一直走在國內(nèi)前列的大連市及時(shí)果斷地跟蹤國際光電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展前沿，并積極配合國家科技部緊急啟動的“國家半導(dǎo)體照明工程”戰(zhàn)略決策，結(jié)合大連路明集團(tuán)在發(fā)光材料方面的技術(shù)優(yōu)勢、產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)和市場體系，審時(shí)度勢于設(shè)立了“大連光產(chǎn)業(yè)園”，將半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)確定為其主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)并制定了詳實(shí)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃，決心承擔(dān)國家半導(dǎo)體照明基地的建設(shè)，并于九月投資一點(diǎn)五億美元成立了大連路美芯片科技有限公司。

　　經(jīng)過半年的努力，首期一座兩萬平米的現(xiàn)代化廠房拔地而起，“路美芯片”在大連光產(chǎn)業(yè)園正式投產(chǎn)，其半導(dǎo)體發(fā)光芯片及器件封裝技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化程度在國內(nèi)居于首位、全球排名第四。該項(xiàng)目填補(bǔ)了國家藍(lán)綠發(fā)光二極管產(chǎn)業(yè)化空白，計(jì)劃在一年內(nèi)達(dá)到年產(chǎn)超亮藍(lán)綠光二極管芯片六億只的生產(chǎn)能力，從而推動中國整個(gè)半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，“中國光芯”開始在“北方明珠”大連大放光華。

成就

　　令路美芯片在世界發(fā)光材料行業(yè)稱王的，是其發(fā)明的蓄光、發(fā)光材料及應(yīng)用技術(shù)，并擁有國內(nèi)外60多項(xiàng)專利。這系列技術(shù)已扶持起國內(nèi)外的300多家企業(yè)，每年創(chuàng)造出十幾億元的產(chǎn)值。而路明的主打產(chǎn)品--光子芯片，只是一塊針尖大小的薄片，通上電源即可發(fā)出明亮的各色光芒。這種高新技術(shù)產(chǎn)品采用了光子芯片和路明的發(fā)光材料技術(shù)，如用作光源，同樣亮度的光子芯片的耗電量僅為普通白幟燈的1/10，而壽命則可延長100倍。全球每年的耗電總量為3000億度，如改用光子芯片照明，每年將省電2700億度，并降低污染。

　　大連市政府十分重視及支持光電子產(chǎn)業(yè)的建設(shè)，已有30多家企業(yè)與光產(chǎn)業(yè)園達(dá)成了合作意向，一部分將用在園區(qū)內(nèi)破土動工。 據(jù)測算，一元錢的光子芯片可以創(chuàng)造出30元至50元的產(chǎn)值，而其他與光子芯片及相關(guān)技術(shù)沾光的上、下游產(chǎn)業(yè)也將集合起來，形成一個(gè)市場潛力巨大的“光谷”。

定義

　　光子芯片采用光波（電磁波）來作為信息傳輸或數(shù)據(jù)運(yùn)算的載體，一般依托于集成光學(xué)或硅基光電子學(xué)中介質(zhì)光波導(dǎo)來傳輸導(dǎo)模光信號，將光信號和電信號的調(diào)制、傳輸、解調(diào)等集成在同一塊襯底或芯片上。

特點(diǎn)

　　早在1969年， 美國的貝爾實(shí)驗(yàn)室 （Bell Labs）就已經(jīng)提出了集成光學(xué)的概念。近年來隨著技術(shù)的發(fā)展，包括硅、氮化硅、磷化銦、III-V族化合物、鈮酸鋰、聚合物等多種材料體系已被用于研發(fā)單片集成或混合集成的光子芯片。

　　光子學(xué)與電子學(xué)的混合集成一直是提高光子芯片中光電子集成器件的速度和帶寬的關(guān)鍵，可通過多種方法實(shí)現(xiàn)Tbps或更高的信息傳輸速率。美國英特爾公司于2006宣布，該公司與美國加州大學(xué)圣芭芭拉分校（UCSB）的研究人員已成功研發(fā)出了世界上首個(gè)采用標(biāo)準(zhǔn)硅工藝制造的電力混合硅激光器，這標(biāo)志著用于未來計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)中心的低成本、高帶寬硅光子學(xué)設(shè)備產(chǎn)業(yè)化的障礙之一被解決。

　　美國加州大學(xué)伯克利分校（UC Berkeley）于2015年報(bào)道了利用光進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡谝粋€(gè)在硅基片上集成的光電子系統(tǒng)，利用光信號進(jìn)行數(shù)據(jù)的搬運(yùn)和傳輸。2018年，美國麻省理工學(xué)院（MIT）的研究團(tuán)隊(duì)也報(bào)道了將光波導(dǎo)、微環(huán)諧振腔光調(diào)制器等約850個(gè)光子器件和約7000萬個(gè)個(gè)晶體管等電子器件集成在了同一個(gè)光電子系統(tǒng)中的工作。2021年，來自加拿大和美國的團(tuán)隊(duì)也報(bào)道了可編程的多光子量子芯片。

　　現(xiàn)階段的光子集成電路仍然存在器件尺寸較大、效率較低、功能單一等挑戰(zhàn)，其原因在于傳統(tǒng)光波導(dǎo)在結(jié)構(gòu)和材料等方面仍存在局限性 [9]。2016年，來自以色列的研究團(tuán)隊(duì)通過在波導(dǎo)內(nèi)添加刻槽結(jié)構(gòu)引入額外相位，補(bǔ)償不同模式間的傳輸相位差，實(shí)現(xiàn)了集成化的模式轉(zhuǎn)換器。2017年，美國哥倫比亞大學(xué)的學(xué)者利用集成了梯度超表面的超構(gòu)波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)了氮化硅波導(dǎo)的非對稱傳播。2020年，美國賓夕法尼亞州立大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)通過將超表面制作硅波導(dǎo)上，實(shí)現(xiàn)了具有平面外光束偏轉(zhuǎn)和聚焦功能的片上集成光器件。同年，來自中國清華大學(xué)和美國麻省理工學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)利用超構(gòu)波導(dǎo)平臺，實(shí)現(xiàn)了多功能的集成化波導(dǎo)耦合器、波長與偏振解復(fù)用器、片上渦旋光束發(fā)射器等集成光器件設(shè)計(jì)。截至2021年，來自北京大學(xué)和清華大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)也分別綜述了微納結(jié)構(gòu)集成光芯片的研究進(jìn)展。華中科技大學(xué)和浙江大學(xué)的研究學(xué)者也報(bào)道了關(guān)于片上可重構(gòu)模式轉(zhuǎn)換器和集成化硅波導(dǎo)通信器件的研究。

展望

　　高速數(shù)據(jù)處理和傳輸構(gòu)成了現(xiàn)代計(jì)算系統(tǒng)的兩大支柱，而光子芯片將信息和傳輸和計(jì)算提供一個(gè)重要的連接平臺，可以大幅降低信息連接所需的成本、復(fù)雜性和功率損耗。隨著硅基光電子學(xué)和半導(dǎo)體加工技術(shù)的不斷發(fā)展，光子和電子混合集成的光電子芯片還可以進(jìn)一步的提升器件性能并降低成本，以滿足不斷增長的高帶寬互連的需要。

　　美國加州理工學(xué)院和英國南安普頓大學(xué)的工程師合作設(shè)計(jì)了一種與光子芯片（利用光傳輸數(shù)據(jù)）集成的電子芯片，創(chuàng)造了一種能以超高速傳輸信息同時(shí)產(chǎn)生最少熱量的緊密結(jié)合的最終產(chǎn)品。

研究成果

　　2024年5月，中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所研究員歐欣領(lǐng)銜的團(tuán)隊(duì)在該領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展，他們開發(fā)出鉭酸鋰異質(zhì)集成晶圓，并成功用其制作高性能光子芯片。該成果5月8日發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《自然》。歐欣團(tuán)隊(duì)與瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院托比亞斯·基彭貝格(Tobias Kippenberg)團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步開發(fā)了超低損耗鉭酸鋰光子芯片微納加工方法。同時(shí)，基于鉭酸鋰光子芯片，團(tuán)隊(duì)首次在X切型電光平臺中成功產(chǎn)生了孤子光學(xué)頻率梳，結(jié)合其電光可調(diào)諧性質(zhì)，有望在激光雷達(dá)、精密測量等方面實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。