在當下這個萬物互聯(lián)、數(shù)據(jù)爆發(fā)的時代,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(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國家在數(shù)字經(jīng)濟時代的競爭力。掌握高速光芯片的制造技術(shù),不僅意味著對海量數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰?更蘊含著對未來發(fā)展方向的主動權(quán)。

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(lǐng)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(nèi)核

放眼整個信息通信產(chǎn)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(zhuǎn)換等原理,在微米級尺度上集成實現(xiàn)光信號的發(fā)射、檢測、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",承擔著光信號轉(zhuǎn)換、處理等關(guān)鍵任務(wù)。

正是憑借其獨特的功能,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,隨著人工智能、云計算等新興技術(shù)的高速發(fā)展,人類社會對高速、大容量數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨笠苍絹碓酵?這就進一步放大了光芯片的應(yīng)用價值。

可以說,光芯片正成為支撐數(shù)字時代的關(guān)鍵底層技術(shù)。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(chǎn)業(yè)的主導(dǎo)權(quán)。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(nèi)科研進展

國內(nèi)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(shù)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(jù)“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(nèi)首次驗證了3D硅基光電芯粒架構(gòu)，實現(xiàn)了單片最高達8×256Gb/s的單向互連帶寬。

據(jù)介紹，該團隊在2021年1.6T硅光互連芯片的基礎(chǔ)上，進一步突破了光電協(xié)同設(shè)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(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)計近期可以實現(xiàn)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(jù)“上海嘉定”4月底介紹，電子科技大學(xué)信息與量子實驗室、清華大學(xué)，及中國科學(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(lǐng)域的研究奠定堅實基礎(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(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)鍵性能指標上實現(xiàn)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(lǐng)域，從而使大容量、長距離、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、準確性和傳輸速度上具有顯著優(yōu)勢。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，同時有望進一步推動人工智能等現(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《科技日報》報道，近日，中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所科研團隊在鉭酸鋰異質(zhì)集成晶圓及高性能光子芯片領(lǐng)域取得突破性進展，成功開發(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“后摩爾時代”算力瓶頸的希望所在。

論文共同通訊作者、中國科學(xué)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(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。”，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現(xiàn)低成本和規(guī)模化制造，具有極高的應(yīng)用價值。

此次，科研團隊采用基于“萬能離子刀”的異質(zhì)集成技術(shù)，通過離子注入結(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，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(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題提供解決方案，并在低溫量子、光計算、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)是遠遠不夠的。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。

就當前情況來看,光芯片產(chǎn)業(yè)鏈主要包括三個關(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,光芯片離不開優(yōu)質(zhì)的襯底材料支撐,而MOCVD設(shè)備更是實現(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,勢必會影響到整個產(chǎn)業(yè)鏈的穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。

正是洞見到這一點,中國正在加大對上游環(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(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(guān)鍵作用。事實上,光模塊作為光芯片的重要應(yīng)用場景,其技術(shù)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(jīng)成長為全球一流水平,這也為國內(nèi)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(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。只要堅持這一戰(zhàn)略方針,中國必將在這個關(guān)鍵領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)更大突破,為數(shù)字中國建設(shè)注入持久動力。


光子芯片何時會取代硅基芯片？

據(jù)專家預(yù)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(yīng)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(shù)還不夠成熟，這也限制了其在實際應(yīng)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(shù)的進步和產(chǎn)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(yīng)用場景中仍然占據(jù)主導(dǎo)地位。雖然光子芯片在某些方面具有優(yōu)勢，但在整體性能上目前仍然無法完全替代硅基芯片。