電子發(fā)燒友網(wǎng)報道（文/李寧遠）光子芯片，近年來受到了越來越多關(guān)注，這也是隨著人工智能應(yīng)用快速的發(fā)展，算力的暴增急需高效能的互聯(lián)技術(shù)來應(yīng)對，傳統(tǒng)的電子芯片在應(yīng)用端出現(xiàn)了越來越多的制約，限制了向更高數(shù)據(jù)速率發(fā)展。

隨著算力需求的繼續(xù)增長，電信號在傳輸損耗、功耗等方面會進一步受到制約。硅光子技術(shù)是各國都在大力研發(fā)的賽道，更大容量、更高速率、更高集成度的光芯片解決方案，能將芯片發(fā)展帶入下一個發(fā)展階段。

近日，北京大學物理學院現(xiàn)代光學研究所“極端光學創(chuàng)新研究團隊”與合作者提出并實現(xiàn)了一種基于大規(guī)模集成光學的完全可編程拓撲光子芯片。相關(guān)研究成果以“可編程拓撲光子芯片”為題，發(fā)表于《Nature Materials》期刊。

該芯片在光學性能上達到了新高度，對未來的光通信、光計算等領(lǐng)域的發(fā)展有著重大的意義，其巨大的潛力為未來的光芯片應(yīng)用提供了廣闊的空間。

通用拓撲光子芯片快速編程實現(xiàn)更多功能

集成拓撲光子學、集成量子光學等研究課題，一直是國家先進光子集成領(lǐng)域的重要方向。拓撲光子學在光通信、光場維度調(diào)控、光子集成芯片以及光量子計算等研究領(lǐng)域具有廣闊的科學研究意義和應(yīng)用潛力。

極端光學創(chuàng)新研究團隊通過在硅芯片上大規(guī)模集成可重構(gòu)的光學微環(huán)腔陣列，在11mm×7mm內(nèi)單片集成了2712個元件，首次實現(xiàn)了一種任意可編程的光學人造原子晶格，并且可以獨立且精確調(diào)控每個人工原子及原子－原子間耦合，進而在單一芯片上驗證了包括一系列拓撲光子實驗在內(nèi)的研究。

根據(jù)《Nature》上的介紹，研究團隊通過控制光的拓撲相位開發(fā)了強大的光子器件，并在單一芯片上使用拓撲光子器件進行更復(fù)雜的控制實現(xiàn)了高水平的可編程性。這種完全可編程的拓撲光子芯片，大規(guī)模集成了硅光子納米波導(dǎo)電路和微環(huán)諧振器，并使用CMOS工藝制造。

在該通用芯片上對人造原子進行單獨編程，可以對整芯片快速重新編程實現(xiàn)多功能。該工作成果拓寬了拓撲光子學邊界，使光子芯片首次具備了強可重構(gòu)與可編程性，為發(fā)展拓撲光子技術(shù)提供了一種全新途徑。

在通信互連、光信息處理以及量子信息處理上，完全可編程拓撲光子芯片帶來極大的應(yīng)用潛力。如在光通信互聯(lián)上，和與傳統(tǒng)的線性光學結(jié)構(gòu)不同，傳統(tǒng)的線性光電路只允許經(jīng)典的正向操作，而該芯片在大規(guī)模光學諧振中具有獨特的反向操作，可替代傳統(tǒng)光通信，提升攜帶數(shù)據(jù)的效率，在光通信領(lǐng)域用來構(gòu)造超穩(wěn)定的光學傳輸系統(tǒng)。

該集成拓撲光子芯片被論文評審團評價為，“是領(lǐng)域內(nèi)重大的技術(shù)突破，代表了最前沿的研究成果，也是迄今為止最為全面全能的可編程拓撲光子器件”。

研究團隊則表示以大規(guī)模硅基集成光子技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合先進的異質(zhì)異構(gòu)集成和光電共封裝技術(shù)，是拓撲光子學重要的發(fā)展方向，該團隊后期將重點研究可相互作用的光學拓撲量子芯片。

被寄予厚望的光子芯片，可重構(gòu)可編程特性再添助力

光子芯片中不論是硅光芯片還是光量子芯片，雖然目前硅光芯片成熟度更高一些，但二者都是芯片技術(shù)發(fā)展下一階段中的重要方向，這一點已經(jīng)得到了國內(nèi)外的一致認可。國內(nèi)外產(chǎn)業(yè)鏈上下游在光子芯片細分的材料、封裝等賽道上都在為率先突圍探索出可行路徑。

光子芯片領(lǐng)域國內(nèi)不久前就有諸多突破性進展，如國家信息光電子創(chuàng)新中心和鵬城實驗室的光電融合聯(lián)合團隊在硅光互連芯粒上的突破，充分利用了硅光與CMOS封裝工藝兼容的特點，攻克了硅基光電三維堆疊封裝工藝技術(shù)，構(gòu)建3D芯粒解決了電芯片與光芯片間高密度、高帶寬電互聯(lián)的困難，顯著降低射頻信號在光電芯片互連過程中的嚴重衰減，實現(xiàn)了單片單向互連帶寬2Tb/s的超高性能。

中科院上海微系統(tǒng)所團隊則是在鉭酸鋰異質(zhì)集成晶圓LTOI高性能光子芯片制備領(lǐng)域取得突破性進展，實現(xiàn)了可批量制造的鉭酸鋰集成光子芯片，助力了光子芯片的低成本和規(guī)?；圃欤尮庾?a target="_blank">集成電路有機會在單個芯片上結(jié)合更多光學器件和功能。

北大現(xiàn)代光學研究所基于大規(guī)模集成光學的完全可編程拓撲光子芯片，建立了拓撲光子學前沿研究與硅基光子學成熟工藝的橋梁，為促進拓撲光子學物理概念向光子芯片器件應(yīng)用的轉(zhuǎn)化提供了實例，對未來的光通信、光計算等領(lǐng)域的發(fā)展有著重大的意義。

尤其是其可重構(gòu)可編程性，對光子器件更是意義重大，可重構(gòu)可編程拓撲光子學物理概念向光子芯片器件應(yīng)用轉(zhuǎn)化，將賦予光子器件更多功能。目前光子器件、芯片的開發(fā)不僅復(fù)雜、緩慢而且成本高昂，可重構(gòu)可編程特性的引入將大幅提高靈活性，并提高其使用的可持續(xù)性以及多樣性。

對于光量子計算，可重構(gòu)可編程特性更是不可或缺，這將改變現(xiàn)在固定光路的光量子計算方式，使光路的重新配置成為可能，在數(shù)字電子技術(shù)面臨更大局限的未來，可編程特性將支持進行寬帶低損耗的光計算和量子信息處理，更通用的光量子計算也將以該特性為基礎(chǔ)建立。因此北大現(xiàn)代光學研究所也表示后續(xù)會以光學量子芯片為主要研究方向。

除了這些國內(nèi)研究機構(gòu)，國內(nèi)芯片產(chǎn)業(yè)鏈上的廠商也對光子芯片這一賽道寄予厚望。從華為海思、長光華芯到華工科技、中際旭創(chuàng)、仕佳光子等等產(chǎn)業(yè)鏈上的廠商都在積極推進光芯片發(fā)展。

除了光芯片是替代電子芯片的大趨勢外，光子芯片更看重外延設(shè)計與制備環(huán)節(jié)不依賴先進工藝也是重要原因。根據(jù)《光子時代：光子產(chǎn)業(yè)發(fā)展白皮書》數(shù)據(jù)，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。光子芯片是國產(chǎn)芯片突破的重要方向。

小結(jié)

光子芯片是半導(dǎo)體行業(yè)的革新，是后摩爾時代的新賽道。即便目前光子芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展尚未成熟，但是眾多科研機構(gòu)與行業(yè)廠商持續(xù)地耕耘突破，正在拉開國產(chǎn)光子芯片時代的帷幕。