半導體光電子芯片突破關鍵瓶頸

你能否想象通過巧妙的安排，使得許多支足球隊同時在同一個球場上訓練陣型而互不干擾？中國一個科研團隊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域的尖端器件，一夫當關，將光纖傳輸過來的大容量光信號翻譯為服務器、處理器能“讀懂”的電信號。

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（深圳）副教授徐科、教授宋清海與上海交通大學研究員杜江兵、教授何祖源團隊合作，成功地設計出新型結構和優(yōu)化算法，給光電子芯片增加“車道”，同時解決串擾和損耗的問題，為大規(guī)模集成做好鋪墊。

由中科院上海光學精密機械研究所和中國光學學會主辦的中國激光雜志社近日發(fā)布2019年度中國光學十大進展，上述“可密集集成和任意路由的模分復用光子芯片”作為應用研究類成果入選。

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

“我們使模分復用光子芯片的大規(guī)模集成成為可能，”他說道?！澳壳拔覀冄菔玖巳齻€數(shù)據(jù)通道，最新的實驗結果完成了四個數(shù)據(jù)通道，未來我們還將在復用通道數(shù)上做進一步突破，同時降低芯片的功耗?！?/p>

光電轉換的關口

該團隊研究的半導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)流的電信號調制到激光器輸出的光信號，通過光纖傳遞，接收端接收到光信號后再將其轉化為電信號，經(jīng)調制解調后變?yōu)?a target="_blank">信息。

光電子芯片在其中承擔了光電轉換這一任務。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、超級計算互連系統(tǒng)中都有重要應用。未來在量子計算、人工智能、生物傳感等其他領域，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系統(tǒng)的速度來說相當關鍵。即使光纖傳輸速度再快，像是飛機飛行時間很短，但要是出站安檢時只有一排隊伍，也會拖慢整個行程。

增加通信的“車道”

模分復用的概念隨之誕生，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。

“提到模分復用這個概念之前，首先要介紹一下波分復用。”徐科說道。波分復用早在1978年被提出，已經(jīng)廣泛應用于干線光纖傳輸系統(tǒng)中。

在每一個數(shù)據(jù)通道（波導）傳輸幾個到幾十個波長，每個波長加載不同的數(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，這就是波分復用。

“而模分復用與波分復用類似，只是用光波的另一個物理量（導波模式）替代了波長，為復用技術增加了一個維度，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候，模分復用技術可進一步提高光子芯片的帶寬。

走向大規(guī)模集成

近年來，人們通過模分復用技術，在提升光電子芯片帶寬上做了很多研究。然而，一個關鍵的問題無法解決，就是多模光波導的損耗與串擾。

“這使得模分復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，該課題組設計了離散化的波導超結構，是一種看起來有點像二維碼的新型光子結構，配合優(yōu)化算法，能實現(xiàn)對光場的精細調控。

研究人員設計并制備了模式（解）復用器、多模彎曲波導、波導交叉等關鍵器件，尺寸僅為數(shù)微米，比傳統(tǒng)器件縮小了一個數(shù)量級，且與標準硅光流片工藝完全兼容。

傳輸波導可以在任意彎曲、交叉的情況下，保持高效率、低串擾的信號傳輸。

(a) 三模式復用和彎曲結構的顯微鏡照片; (b) 模式復用和解復用器件的顯微鏡照片; (c) 具有亞波長超結構的彎曲波導SEM照片; (d) 三模式復用和交叉結構的顯微鏡照片; (e) 級聯(lián)的波導交叉器件顯微鏡照片; (f) 具有亞波長超結構的波導交叉器件SEM照片。

這種微米量級的新型多模器件，使模分復用信號在片上進行低損耗、低串擾的（解）復用和任意的大規(guī)?；ミB成為可能，也為尖端光通信器件提供了一種新的技術選擇。

全球光通信器件市場規(guī)模近年來穩(wěn)定增長，預期2020年收入將達到166億美元。中國約占據(jù)30%的市場份額，但核心基礎器件的研發(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)達國家爭先布局的上游技術，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識到必須突破關鍵核心芯片技術，擺脫‘缺芯少魂’困境?！?/p>