在當(dāng)下這個(gè)萬(wàn)物互聯(lián)、數(shù)據(jù)爆發(fā)的時(shí)代,光通信技術(shù)正扮演著愈發(fā)關(guān)鍵的角色。作為光通信系統(tǒng)核心部件的光芯片,正成為各國(guó)科技強(qiáng)國(guó)競(jìng)相追逐的前沿陣地。

這不僅是因?yàn)楣庑酒谔嵘畔鬏斔俣群途W(wǎng)絡(luò)可靠性方面發(fā)揮著決定性作用,更在很大程度上決定著一個(gè)國(guó)家在數(shù)字經(jīng)濟(jì)時(shí)代的競(jìng)爭(zhēng)力。掌握高速光芯片的制造技術(shù),不僅意味著對(duì)海量數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰?更蘊(yùn)含著對(duì)未來(lái)發(fā)展方向的主動(dòng)權(quán)。

正是洞見(jiàn)到這一點(diǎn),各國(guó)政府和企業(yè)紛紛加大了在光芯片領(lǐng)域的投入力度。不過(guò),相比歐美等老牌強(qiáng)國(guó),中國(guó)科技工作者在這一賽道上顯得有些后發(fā)優(yōu)勢(shì)。

光芯片：信息時(shí)代的重要內(nèi)核

放眼整個(gè)信息通信產(chǎn)業(yè),光芯片無(wú)疑是其中最為核心的組成部分之一。

顧名思義,光芯片是利用光電轉(zhuǎn)換等原理,在微米級(jí)尺度上集成實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的發(fā)射、檢測(cè)、調(diào)制、解調(diào)等功能的微型集成電路。換言之,光芯片是光通信系統(tǒng)的"大腦",承擔(dān)著光信號(hào)轉(zhuǎn)換、處理等關(guān)鍵任務(wù)。

正是憑借其獨(dú)特的功能,光芯片在現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)中扮演著舉足輕重的角色。從寬帶接入、城域網(wǎng)到數(shù)據(jù)中心互聯(lián)乃至5G基站,光芯片都可以找到其應(yīng)用痕跡。同時(shí),隨著人工智能、云計(jì)算等新興技術(shù)的高速發(fā)展,人類社會(huì)對(duì)高速、大容量數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨笠苍絹?lái)越旺盛,這就進(jìn)一步放大了光芯片的應(yīng)用價(jià)值。

可以說(shuō),光芯片正成為支撐數(shù)字時(shí)代的關(guān)鍵底層技術(shù)。誰(shuí)掌握了光芯片的核心制造能力,誰(shuí)就能掌控未來(lái)信息通信產(chǎn)業(yè)的主導(dǎo)權(quán)。正是洞見(jiàn)到這一點(diǎn),世界各國(guó)都在爭(zhēng)奪這一科技制高點(diǎn)。


國(guó)內(nèi)科研進(jìn)展

國(guó)內(nèi)首款2Tb/s三維集成硅光芯粒成功出樣

當(dāng)前，業(yè)界正通過(guò)研發(fā)更大容量、更高速率、更高集成度的硅基光互連芯片解決方案提升算力系統(tǒng)的整體性能，以滿足人工智能快速發(fā)展帶來(lái)的AI算力系統(tǒng)對(duì)于高效能互連技術(shù)的爆發(fā)性增長(zhǎng)需求。然而，面向下一代單通道200G以上的光接口速率需求，硅光方案在速率、功耗、集成度等方面面臨著巨大挑戰(zhàn)。

5月9日，據(jù)“中國(guó)光谷”消息，國(guó)家信息光電子創(chuàng)新中心（NOEIC）和鵬城實(shí)驗(yàn)室的光電融合聯(lián)合團(tuán)隊(duì)完成2Tb/s硅光互連芯粒（chiplet）的研制和功能驗(yàn)證，在國(guó)內(nèi)首次驗(yàn)證了3D硅基光電芯粒架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了單片最高達(dá)8×256Gb/s的單向互連帶寬。

據(jù)介紹，該團(tuán)隊(duì)在2021年1.6T硅光互連芯片的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步突破了光電協(xié)同設(shè)計(jì)仿真方法，研制出硅光配套的單路超200G driver和TIA芯片, 并攻克了硅基光電三維堆疊封裝工藝技術(shù)，形成了一整套基于硅光芯片的3D芯粒集成方案。

該成果將廣泛應(yīng)用于下一代算力系統(tǒng)和數(shù)據(jù)中心所需的CPO、NPO、LPO、LRO等各類光模塊產(chǎn)品中，預(yù)計(jì)近期可以實(shí)現(xiàn)高端硅光芯片的批量商用。


中國(guó)團(tuán)隊(duì)研制出全球首個(gè)氮化鎵量子光源芯片

據(jù)“上海嘉定”4月底介紹，電子科技大學(xué)信息與量子實(shí)驗(yàn)室、清華大學(xué)，及中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所成功研制出全球首個(gè)氮化鎵量子光源芯片。這一突破性進(jìn)展，不僅為我國(guó)在量子通信領(lǐng)域的研究奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，也為全球量子技術(shù)的發(fā)展注入了新的活力。

在該項(xiàng)目中，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)優(yōu)化電子束曝光和干法刻蝕工藝，成功攻克了氮化鎵晶體薄膜生長(zhǎng)以及波導(dǎo)側(cè)壁與表面散射損耗等技術(shù)難題，將氮化鎵材料首次成功應(yīng)用于量子光源芯片的研發(fā)中。

據(jù)悉，新研發(fā)的氮化鎵量子光源芯片在關(guān)鍵性能指標(biāo)上實(shí)現(xiàn)了重要突破——其輸出波長(zhǎng)范圍從25.6納米顯著擴(kuò)展至100納米，并具備向單片集成方向發(fā)展的潛力。這一創(chuàng)新意味著未來(lái)的“量子燈泡”將能照亮更多的領(lǐng)域，從而使大容量、長(zhǎng)距離、高質(zhì)量的量子互聯(lián)網(wǎng)成為可能。

相較于現(xiàn)有的通信方式，量子通信在安全性、準(zhǔn)確性和傳輸速度上具有顯著優(yōu)勢(shì)。隨著量子技術(shù)的不斷完善，它將在軍事、金融、科研等高度需求保密性的領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，同時(shí)有望進(jìn)一步推動(dòng)人工智能等現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展。

中科院找到更易量產(chǎn)的光芯片材料

據(jù)5月9日《科技日?qǐng)?bào)》報(bào)道，近日，中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所科研團(tuán)隊(duì)在鉭酸鋰異質(zhì)集成晶圓及高性能光子芯片領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展，成功開(kāi)發(fā)出可批量制造的新型“光學(xué)硅”芯片。相關(guān)研究成果8日在線發(fā)表于《自然》雜志。

此前，鈮酸鋰俗有“光學(xué)硅”之稱，是制作光子芯片的主要材料，也是突破“后摩爾時(shí)代”算力瓶頸的希望所在。

論文共同通訊作者、中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)所研究員歐欣說(shuō)：“與鈮酸鋰類似，鉭酸鋰也可以被稱為‘光學(xué)硅’，我們與合作者研究證明，單晶鉭酸鋰薄膜同樣具有優(yōu)異的電光轉(zhuǎn)換特性，甚至在某些方面比鈮酸鋰更具優(yōu)勢(shì)?！?，更重要的是，硅基鉭酸鋰異質(zhì)晶圓的制備工藝與絕緣體上硅晶圓制備工藝更加接近，因此鉭酸鋰薄膜可實(shí)現(xiàn)低成本和規(guī)模化制造，具有極高的應(yīng)用價(jià)值。

此次，科研團(tuán)隊(duì)采用基于“萬(wàn)能離子刀”的異質(zhì)集成技術(shù)，通過(guò)離子注入結(jié)合晶圓鍵合的方法，制備了高質(zhì)量硅基鉭酸鋰單晶薄膜異質(zhì)晶圓。同時(shí)，與合作團(tuán)隊(duì)聯(lián)合開(kāi)發(fā)了超低損耗鉭酸鋰光子器件微納加工方法，成功制備出鉭酸鋰光子芯片。

歐欣表示，鉭酸鋰光子芯片展現(xiàn)出極低光學(xué)損耗、高效電光轉(zhuǎn)換等特性，有望為突破通信領(lǐng)域速度、功耗、頻率和帶寬四大瓶頸問(wèn)題提供解決方案，并在低溫量子、光計(jì)算、光通信等領(lǐng)域催生革命性技術(shù)。


光芯片產(chǎn)業(yè)鏈:打造自主可控能力

要在光芯片領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)更大突破,僅靠產(chǎn)品研發(fā)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。更需要從產(chǎn)業(yè)鏈角度系統(tǒng)謀劃,構(gòu)建起自主可控的產(chǎn)業(yè)體系。

就當(dāng)前情況來(lái)看,光芯片產(chǎn)業(yè)鏈主要包括三個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié):上游的基板/襯底供應(yīng)商和生產(chǎn)設(shè)備提供商,中游的光芯片制造商,以及下游的光模塊廠商。

作為整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的基礎(chǔ),上游的材料和裝備供給環(huán)節(jié)至關(guān)重要。比如說(shuō),光芯片離不開(kāi)優(yōu)質(zhì)的襯底材料支撐,而MOCVD設(shè)備更是實(shí)現(xiàn)光芯片制造的關(guān)鍵裝備。如果這些關(guān)鍵環(huán)節(jié)受到制約,勢(shì)必會(huì)影響到整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。

正是洞見(jiàn)到這一點(diǎn),中國(guó)正在加大對(duì)上游環(huán)節(jié)的建設(shè)力度。一方面,本土襯底材料企業(yè)正在不斷提升產(chǎn)品性能,提高市場(chǎng)占有率。另一方面,中國(guó)也在大幅加大對(duì)先進(jìn)光芯片制造裝備的自主研發(fā),以縮小與國(guó)外的差距。

與此同時(shí),中游的光芯片制造企業(yè)也在快速崛起。從低速到高速,從2.5G到100G/200G,中國(guó)企業(yè)正在不斷拓展技術(shù)邊界,形成更加完備的產(chǎn)品線。特別是在高速光芯片領(lǐng)域,源杰科技、武漢敏芯等企業(yè)正逐步縮小與國(guó)際頭部企業(yè)的差距,成為行業(yè)新的力量。

下游的光模塊廠商也在這一過(guò)程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。事實(shí)上,光模塊作為光芯片的重要應(yīng)用場(chǎng)景,其技術(shù)進(jìn)步也在一定程度上帶動(dòng)了上游芯片企業(yè)的發(fā)展。近年來(lái),中國(guó)光模塊廠商如中際旭創(chuàng)、華為等,已經(jīng)成長(zhǎng)為全球一流水平,這也為國(guó)內(nèi)光芯片企業(yè)的崛起創(chuàng)造了廣闊前景。

總的來(lái)說(shuō),中國(guó)正在通過(guò)自主研發(fā)、產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同等方式,不斷完善光芯片產(chǎn)業(yè)體系,提升自主創(chuàng)新和制造能力。只要堅(jiān)持這一戰(zhàn)略方針,中國(guó)必將在這個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)更大突破,為數(shù)字中國(guó)建設(shè)注入持久動(dòng)力。


光子芯片何時(shí)會(huì)取代硅基芯片？

據(jù)專家預(yù)測(cè)，光子芯片要完全取代硅基芯片可能需要10年左右。但是，在美國(guó)對(duì)華芯片戰(zhàn)的大背景下，中國(guó)光子芯片研發(fā)和普及速度可能會(huì)更快。目前，光子芯片研發(fā)仍面臨一些挑戰(zhàn)。

首先，光子芯片尺寸還不夠小，這使得它在某些需要高度集成的應(yīng)用場(chǎng)景中并不適用。此外，光子芯片和電子芯片的混合集成技術(shù)還不夠成熟，這也限制了其在實(shí)際應(yīng)用中的廣泛推廣。

其次，光子芯片制造成本相對(duì)較高，這在一定程度上影響了其市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。雖然隨著技術(shù)的進(jìn)步和產(chǎn)量的增加，制造成本可能會(huì)逐漸降低，但目前在成本方面仍然無(wú)法與硅基芯片相媲美。

再次，光子芯片在整體性能上仍無(wú)法替代硅基芯片。硅基芯片在邏輯運(yùn)算、存儲(chǔ)和信號(hào)處理等方面具有強(qiáng)大的能力，這使得它在許多應(yīng)用場(chǎng)景中仍然占據(jù)主導(dǎo)地位。雖然光子芯片在某些方面具有優(yōu)勢(shì)，但在整體性能上目前仍然無(wú)法完全替代硅基芯片。