據(jù)“蠡園之聲”介紹，國內(nèi)首條光子芯片中試線將在本月底進(jìn)入設(shè)備調(diào)試沖刺階段。

今年1月，上海交通大學(xué)無錫光子芯片研究院迎來光子芯片中試線首批設(shè)備入場。本次揭幕的設(shè)備是薄膜鈮酸鋰光子芯片中試線的關(guān)鍵組成部分，主要用于光刻、干法刻蝕、薄膜沉積、濕法清洗以及切割工藝的研發(fā)，可部分滿足6/8英寸晶圓薄膜鈮酸鋰光子芯片制造中光刻、刻蝕、沉積、清洗和切割需求。

據(jù)無錫濱湖區(qū)政府網(wǎng)站介紹， 上海交通大學(xué)無錫光子芯片研究院于2021年12月在無錫市與上海交通大學(xué)深化全面合作的框架下正式成立，由濱湖區(qū)人民政府、上海交通大學(xué)、蠡園經(jīng)濟開發(fā)區(qū)三方共同建設(shè)，項目總投資約2.5億元。

據(jù)悉，首條光子芯片中試線以高端光子芯片的研發(fā)為核心，聚焦新一代信息技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，旨在推動量子計算機、通用光子處理器、三維光互連芯片和高精密飛秒激光直寫機等變革性技術(shù)落地轉(zhuǎn)化，加速打造以光子芯片底層技術(shù)為驅(qū)動，面向量子計算、人工智能、光通信、光互連、激光雷達(dá)、成像與顯示、智能傳感的新一代光子科技產(chǎn)業(yè)集群。

光子芯片中試線運行后，可在藥物發(fā)現(xiàn)、電池設(shè)計、流體動力學(xué)、干線物流優(yōu)化、安防和加密等多個領(lǐng)域發(fā)揮顛覆性作用。


什么是光子芯片？

光子芯片，這一被譽為未來信息技術(shù)領(lǐng)域的顛覆性技術(shù)，同志們記住重點“顛覆性技術(shù)”！光子芯片是一種基于光子學(xué)的集成電路，將光子器件集成在芯片上，實現(xiàn)了光電子集成。近日在我國科學(xué)家手中取得了重大突破。這一成果的誕生，不僅標(biāo)志著我國在光子芯片研究領(lǐng)域邁出了關(guān)鍵一步，更為全球光子芯片的發(fā)展打開了新的篇章。妥妥未來的“國之重器！

光子芯片的重要性不言而喻。相較于傳統(tǒng)的電子芯片，光子芯片具有更高的傳輸速度、更低的功耗和更小的體積，被認(rèn)為是下一代計算機、通信和人工智能領(lǐng)域的核心技術(shù)。隨著全球信息技術(shù)的快速發(fā)展，光子芯片的出現(xiàn)將極大地推動整個科技產(chǎn)業(yè)的進(jìn)步。

得益于光子芯片的“顛覆性“，我們有理由相信后續(xù)它們將被廣泛應(yīng)用于工業(yè)計算機、全鏈路通信、人工智能大數(shù)據(jù)、量子計算等眾多前沿領(lǐng)域，推動我國信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。我們也有理由相信政府會對光子芯片研究給予了高度重視，通過系列政策扶持，一定為會把光子芯片鏈路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展壯大，這是大勢所趨，誰也阻擋不了，漂亮國更無法制裁我們了。


我國科學(xué)家找到量產(chǎn)光子芯片的方法

光子芯片是未來信息產(chǎn)業(yè)的重要基礎(chǔ)，業(yè)界一直在尋找可規(guī)模制造光子芯片的優(yōu)勢材料。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)銜的團隊在該領(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》。

歐欣介紹，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，能實現(xiàn)低功耗、高帶寬、低時延的效果。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)。

類似于電子芯片將電路刻在硅晶圓上，團隊將光子芯片的光波導(dǎo)刻在鉭酸鋰異質(zhì)集成晶圓上。該集成晶圓是由“硅-二氧化硅-鉭酸鋰”組成的“三明治”結(jié)構(gòu)，其關(guān)鍵在于最上層薄約600納米的高質(zhì)量單晶鉭酸鋰薄膜及該薄膜與二氧化硅形成的界面質(zhì)量。

成功制作該薄膜得益于團隊的“絕活”——“萬能離子刀”異質(zhì)集成技術(shù)。“我們在鉭酸鋰材料表面下約600納米的位置注入離子，就像埋入了一批精準(zhǔn)的‘炸彈’，可以‘削’下一層納米厚度的單晶薄膜。”團隊研究人員、文章第一作者王成立說，這樣制備出的鉭酸鋰薄膜與硅襯底結(jié)合起來，就形成了鉭酸鋰異質(zhì)集成晶圓。

鉭酸鋰薄膜有優(yōu)異的電光轉(zhuǎn)換特性，可規(guī)模化制造，應(yīng)用價值極高。“相較于被廣泛看好的潛在光子芯片材料鈮酸鋰，鉭酸鋰薄膜制備效率更高、難度更低、成本更低，同時具有強電光調(diào)制、弱雙折射、更寬的透明窗口、更強的抗光折變等特性，極大擴展了光學(xué)設(shè)計自由度。”歐欣說。

歐欣團隊與瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院托比亞斯·基彭貝格(Tobias Kippenberg)團隊進(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，基于鉭酸鋰光子芯片，團隊首次在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)、精密測量等方面實現(xiàn)應(yīng)用。


未來應(yīng)用前景巨大

在面向“后摩爾時代”的潛在顛覆性技術(shù)里，光子芯片已進(jìn)入人們的視野。其所具有的高速度、低能耗、工藝技術(shù)相對成熟等優(yōu)勢，能夠有效突破傳統(tǒng)集成電路物理極限上的瓶頸，滿足新一輪科技革命中人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、云計算等產(chǎn)業(yè)對信息獲取、傳輸、計算、存儲、顯示的技術(shù)需求。

目前，全球光子芯片產(chǎn)業(yè)剛剛起步，作為獨立于電子集成技術(shù)的新集成技術(shù)，其技術(shù)壁壘還沒有形成，這為我國光子芯片提供了足夠的研發(fā)時間與市場空間，也為我國信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了巨大的機會。

2023年11月發(fā)布的《光子時代：光子產(chǎn)業(yè)發(fā)展白皮書》顯示，我國光子產(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，中國擁有世界規(guī)模最大的從業(yè)人數(shù)，光子產(chǎn)業(yè)在2012—2020年的復(fù)合增長率已經(jīng)接近23%，光子產(chǎn)品全球份額也從2005年的10%提升到2019年的30%。

據(jù)Gartner預(yù)測，到2025年全球光子芯片市場規(guī)模有望達(dá)561億美元。華為戰(zhàn)略研究院認(rèn)為，光子產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景巨大，光子核心組件市場價值不低于3200億美元（約合人民幣超2萬億元），未來還將撬動產(chǎn)業(yè)創(chuàng)造2.6萬億美元（約合人民幣超16萬億元）產(chǎn)值。


光通信產(chǎn)業(yè)大有可為

從長遠(yuǎn)視角出發(fā)，硅光芯片集成高速光引擎的發(fā)展趨勢具有強大的確定性。

硅光技術(shù)是以硅和硅基襯底材料為基礎(chǔ)，通過CMOS工藝進(jìn)行新一代光器件開發(fā)和集成的前沿技術(shù)。其核心思想“以光代電”主張利用激光束替代傳統(tǒng)的電子信號進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，為信息技術(shù)領(lǐng)域帶來了革命性的創(chuàng)新。

在硅光芯片中，有源器件主要包括激光器、調(diào)制器和光電探測器，而無源器件則涵蓋平面波導(dǎo)、光柵和邊緣耦合器等。這些元器件共同組成了光發(fā)射/接收芯片，為列陣化應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。最終，通過光子集成技術(shù)（PIC），可以實現(xiàn)硅光芯片的制造。

華工科技積極推進(jìn)硅光技術(shù)應(yīng)用，現(xiàn)已具備從硅光芯片到硅光模塊的全自研設(shè)計能力，800G 硅光模塊已正式面市。源杰科技50G 、100G 高速率激光器芯片產(chǎn)品以及硅光直流光源大功率激光器芯片產(chǎn)品向商用推進(jìn)，目標(biāo)在高端激光器芯片產(chǎn)品的特性及可靠性方面對美、日壟斷企業(yè)的全面對標(biāo)。立訊精密800G硅光模塊已在多家客戶完成測試，小批量交付正在準(zhǔn)備中。

在光通信系統(tǒng)中，光子芯片扮演著信息傳輸、處理和控制的關(guān)鍵角色，直接影響著整個光通信系統(tǒng)的性能和效率。

光子芯片在光通信系統(tǒng)中還具有高可靠性和穩(wěn)定性的特點。由于光信號在傳輸過程中不受電磁干擾的影響，因此光子芯片可以實現(xiàn)更可靠的信息傳輸。此外，光子芯片采用光學(xué)原理進(jìn)行信號處理和控制，具有較長的使用壽命和較低的故障率，提高了整個光通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

光子芯片作為光通信的核心部件，其高速傳輸、低能耗、大帶寬和高可靠性等特點使得光通信系統(tǒng)在通信網(wǎng)絡(luò)中占據(jù)重要地位，隨著當(dāng)前新一輪AI浪潮爆發(fā)，光子芯片的應(yīng)用前景將更加廣闊。