一種采用氮化硅襯底制造集成光子電路（光子芯片）技術(shù)

IBM研發(fā)出2納米制程芯片的消息尚未傳開，臺(tái)積電和合作伙伴就宣布取得了1納米以下制程芯片技術(shù)突破。業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為，芯片技術(shù)日新月異的同時(shí)，也一步步逼近其物理理論的極限。

近日，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFL）教授Tobias Kippenberg團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種采用氮化硅襯底制造集成光子電路（光子芯片）技術(shù)，得到了創(chuàng)紀(jì)錄的低光學(xué)損耗，且芯片尺寸小。相關(guān)研究在《自然—通訊》上發(fā)表。

光子芯片奮起直追，也許能幫助人們突破摩爾定律開辟新的“賽道”。

低光學(xué)損耗新紀(jì)錄

光子芯片通常由硅制成，硅在地殼中含量豐富且具有良好的光學(xué)特性，但難以滿足集成光子芯片所需的一切條件，因此出現(xiàn)了諸多新材料平臺(tái)，如氮化硅、二氧化硅、氮化鋁、鈮酸鋰、碳化硅等。

Tobias Kippenberg團(tuán)隊(duì)用一種氮化硅光子大馬士革工藝（光子鑲嵌工藝）技術(shù)。大馬士革工藝是一種非常古老的工藝，最早可以追溯到阿拉伯人對(duì)他們的武器和裝飾上面做顏色的鑲嵌和繪圖。這個(gè)工藝要先做出圖形輪廓，然后把顏色材料鑲嵌到輪廓中再進(jìn)行拋光，這樣就得一個(gè)色彩艷麗的圖案。

“大馬士革工藝思路曾被用在早期以銅為材料的電子電路制造上，研究當(dāng)中，我們把氮化硅大馬士革工藝用到集成光路制造上，得到了極低的光損耗。”論文第一作者、EPFL微納技術(shù)中心博士劉駿秋告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，“利用這一技術(shù)，我們制造了光損耗僅為1 dB / m的集成光路，創(chuàng)下了所有非線性光子集成材料的記錄。”

使用這項(xiàng)新技術(shù)，研究人員在5平方毫米的芯片上制備了高品質(zhì)因數(shù)的微諧振器上和超過一米長(zhǎng)的波導(dǎo)。他們還報(bào)告了九成的制造良品率，這對(duì)于將來擴(kuò)大工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模至關(guān)重要。

“超低損耗的氮化硅集成光子芯片對(duì)未來通訊、計(jì)算和6G技術(shù)都至關(guān)重要。這種類型的光子芯片可以將信息編碼進(jìn)光，再通過光纖傳輸，并成為光通信的一個(gè)核心組成部分?！眲ⅡE秋說。

光子集成的優(yōu)勢(shì)

“電子芯片工作時(shí)，可以理解為電信號(hào)輸入芯片進(jìn)行處理（比如存儲(chǔ)、讀取、進(jìn)行運(yùn)算等）后再輸出。與之類似，光子芯片是將光信號(hào)輸入芯片，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸、存儲(chǔ)、計(jì)算和輸出的芯片?！眲ⅡE秋說，“相對(duì)于電子芯片，光子芯片雖然起步較晚，但也有自己獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)?！?/p>

科學(xué)家認(rèn)為，光具有天然的并行處理能力及成熟的波分復(fù)用技術(shù)，從而使光子芯片的數(shù)據(jù)處理能力、容量及帶寬均大幅度提升。光波的波長(zhǎng)、頻率、偏振態(tài)和相位等信息可以代表不同的數(shù)據(jù)，以用來作為非常高效的通信種子源。

“光子芯片具有高運(yùn)算速度、低功耗、低時(shí)延等特點(diǎn)，且不易受到溫度、電磁場(chǎng)和噪聲變化的影響?！敝锌苿?chuàng)星董事總經(jīng)理張思申說，“光子芯片不追求工藝尺寸的極限縮小，有更多的性能提升空間。”

“與電芯片相比，光芯片在諸多領(lǐng)域，比如通訊、激光雷達(dá)、傳感、圖像分析上面有獨(dú)一無二的優(yōu)勢(shì)?！眲ⅡE秋解釋說，光芯片速率可以達(dá)到100G，比電芯片快很多，這樣可以在光的通道上面做更多信息的編碼，它可以承載更多的信息，同時(shí)功耗比電芯片更小。因?yàn)楣庠趥鞑ブ胁粫?huì)產(chǎn)生任何熱效應(yīng)，這和電子不一樣，還有光和光之間不會(huì)有相互作用，不會(huì)受到背景電磁場(chǎng)干擾。

劉駿秋所在團(tuán)隊(duì)曾利用氮化硅光芯片架構(gòu)光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，使用一個(gè)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)去求解矩陣，然后應(yīng)用在浮雕過濾器上。其相關(guān)結(jié)果發(fā)表在今年一月的《自然》期刊上。

“我們把一個(gè)圖像信號(hào)輸入系統(tǒng)中，經(jīng)過浮雕過濾器，它會(huì)強(qiáng)化高頻信號(hào)、弱化低頻信號(hào)，即實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化圖像邊緣的目的。比如一輛小汽車的圖片，它原來的車燈內(nèi)部結(jié)構(gòu)你可能看不到。經(jīng)過浮雕處理器的新圖像中，車燈內(nèi)部結(jié)構(gòu)被強(qiáng)化了。”劉駿秋說，“這證明了氮化硅光子芯片在光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、深度學(xué)習(xí)方面有很好的應(yīng)用?！?/p>

除人工智能另有外，光子芯片廣泛用于激光雷達(dá)、微波濾波器、毫米波生成、天體光譜儀校準(zhǔn)、低噪聲微波生成。也可以做中紅外雙梳光譜，用來測(cè)量氣體當(dāng)中的成分。做光學(xué)相關(guān)斷層掃描，可以看生物組織的結(jié)構(gòu)。還能用在數(shù)據(jù)中心上做開關(guān)，進(jìn)行數(shù)據(jù)上面的調(diào)控。

兩條賽道的競(jìng)爭(zhēng)與合作

劉駿秋說，通俗地理解，信息在手機(jī)或者電腦里進(jìn)行處理主要使用電子芯片，但信息的傳遞是需要光纖的。所以，到這一步就需要進(jìn)行電光轉(zhuǎn)換?！澳壳?，光和電是在兩個(gè)‘賽道’上，各有自己的應(yīng)用場(chǎng)景”。

“現(xiàn)在Intel數(shù)據(jù)中心用的集成半導(dǎo)體激光器，就是將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)然后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、編碼和傳輸。Intel每年向全世界輸送數(shù)千萬個(gè)這樣的集成半導(dǎo)體激光器芯片?！眲ⅡE秋說，“光子集成電路相對(duì)于傳統(tǒng)分立的‘光—電—光’處理方式降低了復(fù)雜度，提高了可靠性，能夠以更低的成本構(gòu)建一個(gè)具有更多節(jié)點(diǎn)的全新網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，雖然目前仍處于初級(jí)發(fā)展階段，不過其成為光器件的主流發(fā)展趨勢(shì)已成必然?！?/p>

“在邏輯運(yùn)算領(lǐng)域，未來的趨勢(shì)是光電集成的結(jié)合，還需要很長(zhǎng)一段時(shí)間，才能實(shí)現(xiàn)全光計(jì)算。”張思申說，“總體來說，目前只在個(gè)別計(jì)算和傳輸領(lǐng)域，光子芯片可以替代電子芯片?！?/p>

劉駿秋認(rèn)為，從架構(gòu)上可以看出，光子芯片系統(tǒng)整體非常復(fù)雜。光子芯片系統(tǒng)里有光源、處理器、探測(cè)器，也需要各種材料之間集成的協(xié)同，很少有單個(gè)研究單位能夠?qū)φ麄€(gè)系統(tǒng)進(jìn)行架構(gòu)和制備。在制造工藝上，兩者雖然流程和復(fù)雜程度相似，但光子芯片對(duì)結(jié)構(gòu)的要求不像電芯片那樣嚴(yán)苛，一般是百納米級(jí)。因此，光子芯片不會(huì)像電子芯片那樣必須使用極紫外光刻機(jī)（EUV）。

“光的波長(zhǎng)在百納米到一微米量級(jí)，因此限制了光子器件的集成密度。但同時(shí)也意味著，光芯片達(dá)到最理想的工作條件并不依賴最先進(jìn)的半導(dǎo)體工藝制程，比如極紫外光刻機(jī)?！眲ⅡE秋說，“這大大降低了對(duì)先進(jìn)工藝的依賴，一定程度上減輕了當(dāng)前芯片發(fā)展的關(guān)鍵問題。”

此外，光子芯片提供了全新的芯片設(shè)計(jì)架構(gòu)思路，徹底顛覆原有的設(shè)計(jì)理念，有更多的設(shè)計(jì)創(chuàng)意空間。

“光有光的優(yōu)勢(shì)，電有電的優(yōu)勢(shì)。光的優(yōu)勢(shì)是穩(wěn)定，不容易受外界影響。同時(shí)這也是光的劣勢(shì)，這意味著人們想操控光，改變它的狀態(tài)，手段非常有限?！眲ⅡE秋說，“在某些應(yīng)用場(chǎng)景中，兩者也有些競(jìng)爭(zhēng)，比如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。但更多的時(shí)候，二者是合作關(guān)系。光芯片技術(shù)目前還沒有電芯片發(fā)展的成熟，所以未知的因素很多，兩者未來應(yīng)該很好地銜接起來?！?/p>

對(duì)此，中科院微電子所研究員、集成電路先導(dǎo)工藝研發(fā)中心副主任羅軍持同樣觀點(diǎn)。

“電子集成電路和光子集成電路之間是互補(bǔ)的關(guān)系?！绷_軍對(duì)《中國(guó)科學(xué)報(bào)》說，“未來可以充分利用光子集成電路高速率傳輸和電子集成電路多功能、智能化的優(yōu)點(diǎn)，在新的‘賽道’上跑出更好成績(jī)?！?/p>

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