在當下這個萬物互聯(lián)、數據爆發(fā)的時代,光通信技術正扮演著愈發(fā)關鍵的角色。作為光通信系統(tǒng)核心部件的光芯片,正成為各國科技強國競相追逐的前沿陣地。

這不僅是因為光芯片在提升信息傳輸速度和網絡可靠性方面發(fā)揮著決定性作用,更在很大程度上決定著一個國家在數字經濟時代的競爭力。掌握高速光芯片的制造技術,不僅意味著對海量數據傳輸的能力,更蘊含著對未來發(fā)展方向的主動權。

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

光芯片：信息時代的重要內核

放眼整個信息通信產業(yè),光芯片無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換等原理,在微米級尺度上集成實現光信號的發(fā)射、檢測、調制、解調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",承擔著光信號轉換、處理等關鍵任務。

正是憑借其獨特的功能,光芯片在現代通信網絡中扮演著舉足輕重的角色。從寬帶接入、城域網到數據中心互聯(lián)乃至5G基站,光芯片都可以找到其應用痕跡。同時,隨著人工智能、云計算等新興技術的高速發(fā)展,人類社會對高速、大容量數據傳輸的需求也越來越旺盛,這就進一步放大了光芯片的應用價值。

可以說,光芯片正成為支撐數字時代的關鍵底層技術。誰掌握了光芯片的核心制造能力,誰就能掌控未來信息通信產業(yè)的主導權。正是洞見到這一點,世界各國都在爭奪這一科技制高點。


國內科研進展

國內首款2Tb/s三維集成硅光芯粒成功出樣

當前，業(yè)界正通過研發(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)展帶來的AI算力系統(tǒng)對于高效能互連技術的爆發(fā)性增長需求。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“中國光谷”消息，國家信息光電子創(chuàng)新中心（NOEIC）和鵬城實驗室的光電融合聯(lián)合團隊完成2Tb/s硅光互連芯粒（chiplet）的研制和功能驗證，在國內首次驗證了3D硅基光電芯粒架構，實現了單片最高達8×256Gb/s的單向互連帶寬。

據介紹，該團隊在2021年1.6T硅光互連芯片的基礎上，進一步突破了光電協(xié)同設計仿真方法，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，形成了一整套基于硅光芯片的3D芯粒集成方案。

該成果將廣泛應用于下一代算力系統(tǒng)和數據中心所需的CPO、NPO、LPO、LRO等各類光模塊產品中，預計近期可以實現高端硅光芯片的批量商用。


中國團隊研制出全球首個氮化鎵量子光源芯片

據“上海嘉定”4月底介紹，電子科技大學信息與量子實驗室、清華大學，及中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所成功研制出全球首個氮化鎵量子光源芯片。這一突破性進展，不僅為我國在量子通信領域的研究奠定堅實基礎，也為全球量子技術的發(fā)展注入了新的活力。

在該項目中，研究團隊通過優(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以及波導側壁與表面散射損耗等技術難題，將氮化鎵材料首次成功應用于量子光源芯片的研發(fā)中。

據悉，新研發(fā)的氮化鎵量子光源芯片在關鍵性能指標上實現了重要突破——其輸出波長范圍從25.6納米顯著擴展至100納米，并具備向單片集成方向發(fā)展的潛力。這一創(chuàng)新意味著未來的“量子燈泡”將能照亮更多的領域，從而使大容量、長距離、高質量的量子互聯(lián)網成為可能。

相較于現有的通信方式，量子通信在安全性、準確性和傳輸速度上具有顯著優(yōu)勢。隨著量子技術的不斷完善，它將在軍事、金融、科研等高度需求保密性的領域得到廣泛應用，同時有望進一步推動人工智能等現代信息技術的發(fā)展。

中科院找到更易量產的光芯片材料

據5月9日《科技日報》報道，近日，中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所科研團隊在鉭酸鋰異質集成晶圓及高性能光子芯片領域取得突破性進展，成功開發(fā)出可批量制造的新型“光學硅”芯片。相關研究成果8日在線發(fā)表于《自然》雜志。

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

論文共同通訊作者、中國科學院上海微系統(tǒng)所研究員歐欣說：“與鈮酸鋰類似，鉭酸鋰也可以被稱為‘光學硅’，我們與合作者研究證明，單晶鉭酸鋰薄膜同樣具有優(yōu)異的電光轉換特性，甚至在某些方面比鈮酸鋰更具優(yōu)勢。”，更重要的是，硅基鉭酸鋰異質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現低成本和規(guī)模化制造，具有極高的應用價值。

此次，科研團隊采用基于“萬能離子刀”的異質集成技術，通過離子注入結合晶圓鍵合的方法，制備了高質量硅基鉭酸鋰單晶薄膜異質晶圓。同時，與合作團隊聯(lián)合開發(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出極低光學損耗、高效電光轉換等特性，有望為突破通信領域速度、功耗、頻率和帶寬四大瓶頸問題提供解決方案，并在低溫量子、光計算、光通信等領域催生革命性技術。


光芯片產業(yè)鏈:打造自主可控能力

要在光芯片領域實現更大突破,僅靠產品研發(fā)是遠遠不夠的。更需要從產業(yè)鏈角度系統(tǒng)謀劃,構建起自主可控的產業(yè)體系。

就當前情況來看,光芯片產業(yè)鏈主要包括三個關鍵環(huán)節(jié):上游的基板/襯底供應商和生產設備提供商,中游的光芯片制造商,以及下游的光模塊廠商。

作為整個產業(yè)鏈的基礎,上游的材料和裝備供給環(huán)節(jié)至關重要。比如說,光芯片離不開優(yōu)質的襯底材料支撐,而MOCVD設備更是實現光芯片制造的關鍵裝備。如果這些關鍵環(huán)節(jié)受到制約,勢必會影響到整個產業(yè)鏈的穩(wěn)定運轉。

正是洞見到這一點,中國正在加大對上游環(huán)節(jié)的建設力度。一方面,本土襯底材料企業(yè)正在不斷提升產品性能,提高市場占有率。另一方面,中國也在大幅加大對先進光芯片制造裝備的自主研發(fā),以縮小與國外的差距。

與此同時,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,中國企業(yè)正在不斷拓展技術邊界,形成更加完備的產品線。特別是在高速光芯片領域,源杰科技、武漢敏芯等企業(yè)正逐步縮小與國際頭部企業(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程中發(fā)揮著關鍵作用。事實上,光模塊作為光芯片的重要應用場景,其技術進步也在一定程度上帶動了上游芯片企業(yè)的發(fā)展。近年來,中國光模塊廠商如中際旭創(chuàng)、華為等,已經成長為全球一流水平,這也為國內光芯片企業(yè)的崛起創(chuàng)造了廣闊前景。

總的來說,中國正在通過自主研發(fā)、產業(yè)鏈協(xié)同等方式,不斷完善光芯片產業(yè)體系,提升自主創(chuàng)新和制造能力。只要堅持這一戰(zhàn)略方針,中國必將在這個關鍵領域實現更大突破,為數字中國建設注入持久動力。


光子芯片何時會取代硅基芯片？

據專家預測，光子芯片要完全取代硅基芯片可能需要10年左右。但是，在美國對華芯片戰(zhàn)的大背景下，中國光子芯片研發(fā)和普及速度可能會更快。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用場景中并不適用。此外，光子芯片和電子芯片的混合集成技術還不夠成熟，這也限制了其在實際應用中的廣泛推廣。

其次，光子芯片制造成本相對較高，這在一定程度上影響了其市場競爭力。雖然隨著技術的進步和產量的增加，制造成本可能會逐漸降低，但目前在成本方面仍然無法與硅基芯片相媲美。

再次，光子芯片在整體性能上仍無法替代硅基芯片。硅基芯片在邏輯運算、存儲和信號處理等方面具有強大的能力，這使得它在許多應用場景中仍然占據主導地位。雖然光子芯片在某些方面具有優(yōu)勢，但在整體性能上目前仍然無法完全替代硅基芯片。