國(guó)內(nèi)可編程拓?fù)涔庾有酒_(dá)新高度，加速布局光子芯片時(shí)代

電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/李寧遠(yuǎn)）光子芯片，近年來(lái)受到了越來(lái)越多關(guān)注，這也是隨著人工智能應(yīng)用快速的發(fā)展，算力的暴增急需高效能的互聯(lián)技術(shù)來(lái)應(yīng)對(duì)，傳統(tǒng)的電子芯片在應(yīng)用端出現(xiàn)了越來(lái)越多的制約，限制了向更高數(shù)據(jù)速率發(fā)展。

隨著算力需求的繼續(xù)增長(zhǎng)，電信號(hào)在傳輸損耗、功耗等方面會(huì)進(jìn)一步受到制約。硅光子技術(shù)是各國(guó)都在大力研發(fā)的賽道，更大容量、更高速率、更高集成度的光芯片解決方案，能將芯片發(fā)展帶入下一個(gè)發(fā)展階段。

近日，北京大學(xué)物理學(xué)院現(xiàn)代光學(xué)研究所“極端光學(xué)創(chuàng)新研究團(tuán)隊(duì)”與合作者提出并實(shí)現(xiàn)了一種基于大規(guī)模集成光學(xué)的完全可編程拓?fù)涔庾有酒?。相關(guān)研究成果以“可編程拓?fù)涔庾有酒睘轭}，發(fā)表于《Nature Materials》期刊。

該芯片在光學(xué)性能上達(dá)到了新高度，對(duì)未來(lái)的光通信、光計(jì)算等領(lǐng)域的發(fā)展有著重大的意義，其巨大的潛力為未來(lái)的光芯片應(yīng)用提供了廣闊的空間。

通用拓?fù)涔庾有酒?/strong>快速編程實(shí)現(xiàn)更多功能

集成拓?fù)涔庾訉W(xué)、集成量子光學(xué)等研究課題，一直是國(guó)家先進(jìn)光子集成領(lǐng)域的重要方向。拓?fù)涔庾訉W(xué)在光通信、光場(chǎng)維度調(diào)控、光子集成芯片以及光量子計(jì)算等研究領(lǐng)域具有廣闊的科學(xué)研究意義和應(yīng)用潛力。

極端光學(xué)創(chuàng)新研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)在硅芯片上大規(guī)模集成可重構(gòu)的光學(xué)微環(huán)腔陣列，在11mm×7mm內(nèi)單片集成了2712個(gè)元件，首次實(shí)現(xiàn)了一種任意可編程的光學(xué)人造原子晶格，并且可以獨(dú)立且精確調(diào)控每個(gè)人工原子及原子－原子間耦合，進(jìn)而在單一芯片上驗(yàn)證了包括一系列拓?fù)涔庾訉?shí)驗(yàn)在內(nèi)的研究。

根據(jù)《Nature》上的介紹，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)控制光的拓?fù)湎辔婚_(kāi)發(fā)了強(qiáng)大的光子器件，并在單一芯片上使用拓?fù)涔庾悠骷M(jìn)行更復(fù)雜的控制實(shí)現(xiàn)了高水平的可編程性。這種完全可編程的拓?fù)涔庾有酒笠?guī)模集成了硅光子納米波導(dǎo)電路和微環(huán)諧振器，并使用CMOS工藝制造。

在該通用芯片上對(duì)人造原子進(jìn)行單獨(dú)編程，可以對(duì)整芯片快速重新編程實(shí)現(xiàn)多功能。該工作成果拓寬了拓?fù)涔庾訉W(xué)邊界，使光子芯片首次具備了強(qiáng)可重構(gòu)與可編程性，為發(fā)展拓?fù)涔庾蛹夹g(shù)提供了一種全新途徑。

在通信互連、光信息處理以及量子信息處理上，完全可編程拓?fù)涔庾有酒瑤?lái)極大的應(yīng)用潛力。如在光通信互聯(lián)上，和與傳統(tǒng)的線性光學(xué)結(jié)構(gòu)不同，傳統(tǒng)的線性光電路只允許經(jīng)典的正向操作，而該芯片在大規(guī)模光學(xué)諧振中具有獨(dú)特的反向操作，可替代傳統(tǒng)光通信，提升攜帶數(shù)據(jù)的效率，在光通信領(lǐng)域用來(lái)構(gòu)造超穩(wěn)定的光學(xué)傳輸系統(tǒng)。

該集成拓?fù)涔庾有酒徽撐脑u(píng)審團(tuán)評(píng)價(jià)為，“是領(lǐng)域內(nèi)重大的技術(shù)突破，代表了最前沿的研究成果，也是迄今為止最為全面全能的可編程拓?fù)涔庾悠骷薄?br />
研究團(tuán)隊(duì)則表示以大規(guī)模硅基集成光子技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合先進(jìn)的異質(zhì)異構(gòu)集成和光電共封裝技術(shù)，是拓?fù)涔庾訉W(xué)重要的發(fā)展方向，該團(tuán)隊(duì)后期將重點(diǎn)研究可相互作用的光學(xué)拓?fù)淞孔有酒?br />
被寄予厚望的光子芯片，可重構(gòu)可編程特性再添助力

光子芯片中不論是硅光芯片還是光量子芯片，雖然目前硅光芯片成熟度更高一些，但二者都是芯片技術(shù)發(fā)展下一階段中的重要方向，這一點(diǎn)已經(jīng)得到了國(guó)內(nèi)外的一致認(rèn)可。國(guó)內(nèi)外產(chǎn)業(yè)鏈上下游在光子芯片細(xì)分的材料、封裝等賽道上都在為率先突圍探索出可行路徑。

光子芯片領(lǐng)域國(guó)內(nèi)不久前就有諸多突破性進(jìn)展，如國(guó)家信息光電子創(chuàng)新中心和鵬城實(shí)驗(yàn)室的光電融合聯(lián)合團(tuán)隊(duì)在硅光互連芯粒上的突破，充分利用了硅光與CMOS封裝工藝兼容的特點(diǎn)，攻克了硅基光電三維堆疊封裝工藝技術(shù)，構(gòu)建3D芯粒解決了電芯片與光芯片間高密度、高帶寬電互聯(lián)的困難，顯著降低射頻信號(hào)在光電芯片互連過(guò)程中的嚴(yán)重衰減，實(shí)現(xiàn)了單片單向互連帶寬2Tb/s的超高性能。

中科院上海微系統(tǒng)所團(tuán)隊(duì)則是在鉭酸鋰異質(zhì)集成晶圓LTOI高性能光子芯片制備領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)了可批量制造的鉭酸鋰集成光子芯片，助力了光子芯片的低成本和規(guī)模化制造，讓光子集成電路有機(jī)會(huì)在單個(gè)芯片上結(jié)合更多光學(xué)器件和功能。

北大現(xiàn)代光學(xué)研究所基于大規(guī)模集成光學(xué)的完全可編程拓?fù)涔庾有酒?，建立了拓?fù)涔庾訉W(xué)前沿研究與硅基光子學(xué)成熟工藝的橋梁，為促進(jìn)拓?fù)涔庾訉W(xué)物理概念向光子芯片器件應(yīng)用的轉(zhuǎn)化提供了實(shí)例，對(duì)未來(lái)的光通信、光計(jì)算等領(lǐng)域的發(fā)展有著重大的意義。

尤其是其可重構(gòu)可編程性，對(duì)光子器件更是意義重大，可重構(gòu)可編程拓?fù)涔庾訉W(xué)物理概念向光子芯片器件應(yīng)用轉(zhuǎn)化，將賦予光子器件更多功能。目前光子器件、芯片的開(kāi)發(fā)不僅復(fù)雜、緩慢而且成本高昂，可重構(gòu)可編程特性的引入將大幅提高靈活性，并提高其使用的可持續(xù)性以及多樣性。

對(duì)于光量子計(jì)算，可重構(gòu)可編程特性更是不可或缺，這將改變現(xiàn)在固定光路的光量子計(jì)算方式，使光路的重新配置成為可能，在數(shù)字電子技術(shù)面臨更大局限的未來(lái)，可編程特性將支持進(jìn)行寬帶低損耗的光計(jì)算和量子信息處理，更通用的光量子計(jì)算也將以該特性為基礎(chǔ)建立。因此北大現(xiàn)代光學(xué)研究所也表示后續(xù)會(huì)以光學(xué)量子芯片為主要研究方向。

除了這些國(guó)內(nèi)研究機(jī)構(gòu)，國(guó)內(nèi)芯片產(chǎn)業(yè)鏈上的廠商也對(duì)光子芯片這一賽道寄予厚望。從華為海思、長(zhǎng)光華芯到華工科技、中際旭創(chuàng)、仕佳光子等等產(chǎn)業(yè)鏈上的廠商都在積極推進(jìn)光芯片發(fā)展。

除了光芯片是替代電子芯片的大趨勢(shì)外，光子芯片更看重外延設(shè)計(jì)與制備環(huán)節(jié)不依賴先進(jìn)工藝也是重要原因。根據(jù)《光子時(shí)代：光子產(chǎn)業(yè)發(fā)展白皮書(shū)》數(shù)據(jù)，我國(guó)光子產(chǎn)業(yè)發(fā)展水平與世界處于并跑階段，在光子基礎(chǔ)理論研究和技術(shù)發(fā)展方面具有一定的優(yōu)勢(shì)。光子芯片是國(guó)產(chǎn)芯片突破的重要方向。

小結(jié)

光子芯片是半導(dǎo)體行業(yè)的革新，是后摩爾時(shí)代的新賽道。即便目前光子芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展尚未成熟，但是眾多科研機(jī)構(gòu)與行業(yè)廠商持續(xù)地耕耘突破，正在拉開(kāi)國(guó)產(chǎn)光子芯片時(shí)代的帷幕。