半導(dǎo)體光電子芯片突破關(guān)鍵瓶頸

你能否想象通過巧妙的安排，使得許多支足球隊(duì)同時(shí)在同一個(gè)球場上訓(xùn)練陣型而互不干擾？中國一個(gè)科研團(tuán)隊(duì)就為光電子芯片上的光波找到了這樣一種緊湊的方案。光電子芯片是光通訊領(lǐng)域的尖端器件，一夫當(dāng)關(guān)，將光纖傳輸過來的大容量光信號(hào)翻譯為服務(wù)器、處理器能“讀懂”的電信號(hào)。

面對滾滾而來的數(shù)據(jù)流，尺寸小、功耗低的光電子芯片在帶寬方面壓力很大。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）副教授徐科、教授宋清海與上海交通大學(xué)研究員杜江兵、教授何祖源團(tuán)隊(duì)合作，成功地設(shè)計(jì)出新型結(jié)構(gòu)和優(yōu)化算法，給光電子芯片增加“車道”，同時(shí)解決串?dāng)_和損耗的問題，為大規(guī)模集成做好鋪墊。

由中科院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所和中國光學(xué)學(xué)會(huì)主辦的中國激光雜志社近日發(fā)布2019年度中國光學(xué)十大進(jìn)展，上述“可密集集成和任意路由的模分復(fù)用光子芯片”作為應(yīng)用研究類成果入選。

3月26日，徐科在接受澎湃新聞（www.thepaper.cn）記者專訪時(shí)表示，這項(xiàng)工作基于一種前沿的“模分復(fù)用”概念，并突破了關(guān)鍵的瓶頸。

“我們使模分復(fù)用光子芯片的大規(guī)模集成成為可能，”他說道?！澳壳拔覀冄菔玖巳齻€(gè)數(shù)據(jù)通道，最新的實(shí)驗(yàn)結(jié)果完成了四個(gè)數(shù)據(jù)通道，未來我們還將在復(fù)用通道數(shù)上做進(jìn)一步突破，同時(shí)降低芯片的功耗。”

光電轉(zhuǎn)換的關(guān)口

該團(tuán)隊(duì)研究的半導(dǎo)體光電子芯片屬于近年來興起的通信芯片的一種。

光通信系統(tǒng)的基本原理是這樣的：發(fā)射端將高速數(shù)據(jù)流的電信號(hào)調(diào)制到激光器輸出的光信號(hào)，通過光纖傳遞，接收端接收到光信號(hào)后再將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，經(jīng)調(diào)制解調(diào)后變?yōu)?a target="_blank">信息。

光電子芯片在其中承擔(dān)了光電轉(zhuǎn)換這一任務(wù)。據(jù)徐科介紹，大容量、高數(shù)據(jù)流的光電芯片，在5G前傳、數(shù)據(jù)中心、超級(jí)計(jì)算互連系統(tǒng)中都有重要應(yīng)用。未來在量子計(jì)算、人工智能、生物傳感等其他領(lǐng)域，也可能見到它們的身影。

可以想象，光電子芯片的帶寬對于整個(gè)系統(tǒng)的速度來說相當(dāng)關(guān)鍵。即使光纖傳輸速度再快，像是飛機(jī)飛行時(shí)間很短，但要是出站安檢時(shí)只有一排隊(duì)伍，也會(huì)拖慢整個(gè)行程。

增加通信的“車道”

模分復(fù)用的概念隨之誕生，它可以在不增加激光器數(shù)量的情況下顯著提高芯片的并行處理能力。

“提到模分復(fù)用這個(gè)概念之前，首先要介紹一下波分復(fù)用?！毙炜普f道。波分復(fù)用早在1978年被提出，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于干線光纖傳輸系統(tǒng)中。

在每一個(gè)數(shù)據(jù)通道（波導(dǎo)）傳輸幾個(gè)到幾十個(gè)波長，每個(gè)波長加載不同的數(shù)據(jù)。由于波長之間互不干擾，可以通過增加波長通道數(shù)提高通信容量，這就是波分復(fù)用。

“而模分復(fù)用與波分復(fù)用類似，只是用光波的另一個(gè)物理量（導(dǎo)波模式）替代了波長，為復(fù)用技術(shù)增加了一個(gè)維度，是提高通信容量的一種新方法?！毙炜票硎?。

他相信，隨著帶寬需求不斷快速增長，在波長資源飽和的時(shí)候，模分復(fù)用技術(shù)可進(jìn)一步提高光子芯片的帶寬。

走向大規(guī)模集成

近年來，人們通過模分復(fù)用技術(shù)，在提升光電子芯片帶寬上做了很多研究。然而，一個(gè)關(guān)鍵的問題無法解決，就是多模光波導(dǎo)的損耗與串?dāng)_。

“這使得模分復(fù)用芯片無法像集成電路那樣大規(guī)模布線?！毙炜普f道。

針對這一難題，該課題組設(shè)計(jì)了離散化的波導(dǎo)超結(jié)構(gòu)，是一種看起來有點(diǎn)像二維碼的新型光子結(jié)構(gòu)，配合優(yōu)化算法，能實(shí)現(xiàn)對光場的精細(xì)調(diào)控。

研究人員設(shè)計(jì)并制備了模式（解）復(fù)用器、多模彎曲波導(dǎo)、波導(dǎo)交叉等關(guān)鍵器件，尺寸僅為數(shù)微米，比傳統(tǒng)器件縮小了一個(gè)數(shù)量級(jí)，且與標(biāo)準(zhǔn)硅光流片工藝完全兼容。

傳輸波導(dǎo)可以在任意彎曲、交叉的情況下，保持高效率、低串?dāng)_的信號(hào)傳輸。

(a) 三模式復(fù)用和彎曲結(jié)構(gòu)的顯微鏡照片; (b) 模式復(fù)用和解復(fù)用器件的顯微鏡照片; (c) 具有亞波長超結(jié)構(gòu)的彎曲波導(dǎo)SEM照片; (d) 三模式復(fù)用和交叉結(jié)構(gòu)的顯微鏡照片; (e) 級(jí)聯(lián)的波導(dǎo)交叉器件顯微鏡照片; (f) 具有亞波長超結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)交叉器件SEM照片。

這種微米量級(jí)的新型多模器件，使模分復(fù)用信號(hào)在片上進(jìn)行低損耗、低串?dāng)_的（解）復(fù)用和任意的大規(guī)模互連成為可能，也為尖端光通信器件提供了一種新的技術(shù)選擇。

全球光通信器件市場規(guī)模近年來穩(wěn)定增長，預(yù)期2020年收入將達(dá)到166億美元。中國約占據(jù)30%的市場份額，但核心基礎(chǔ)器件的研發(fā)、制造能力較為薄弱。

工信部發(fā)布的《中國光電子器件產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展路線圖（2018-2022年）》提出，確保2022年中低端光電子芯片國產(chǎn)化率超過60%，高端光電子芯片的國產(chǎn)化率突破20%。

“高端光電子芯片一直是發(fā)達(dá)國家爭先布局的上游技術(shù)，而我國目前國產(chǎn)化程度還很低。”徐科表示?！拔覀儽仨毶羁陶J(rèn)識(shí)到必須突破關(guān)鍵核心芯片技術(shù)，擺脫‘缺芯少魂’困境?！?/p>