中国迎来光子集成芯片新机遇？

从传统芯片发展到光子芯片,这中间要经历无数的曲折与困难,尤其是目前各大国家正在研制的可编程光量子芯片,更是一个全新的领域。在争夺未来量子计算这一领域中,近日国内又有了新突破!

根据北大官网公开的消息,北大王兴军教授研究团队历时三年,成功取得了光子集成芯片和微系列领域的重大突破。

据悉,王兴军教授课题组和加州大学圣芭芭拉分校John E. Bowers教授课题组在《自然》(Nature)杂志在线发表文章“Microcomb-driven silicon photonic systems”,在世界上首次报道了由集成微腔光梳驱动的新型硅基光电子片上集成系统,表明了研究团队历时3年协同攻关,终于攻克了这一世界性难题。

(论文截图)

据北京大学新闻网介绍显示,王兴军领导的研究团队通过直接由半导体激光器泵浦集成微腔光频梳,给硅基光电子集成芯片提供了所需的光源大脑,结合硅基光电子集成技术工业上成熟可靠的集成解决方案,完成大规模集成系统的高效并行化。

利用这种高集成度的系统,实现T比特速率微通信和亚GHz微波光子信号处理,提出高密度多维复用的微通信和微处理芯片级集成系统的全新架构,开创了下一代多维硅光集成微系统子学科的发展。相关研究成果有望直接应用于数据中心、5/6G通信、自动驾驶、光计算等领域,为下一代片上光电子信息系统提供了全新的研究范式和发展方向。

光子集成芯片的现状与未来

众所周知,传统芯片的性能主要取决于芯片集成的晶体管数量多少,如果单个晶体管较小,那么构成芯片所集成的晶体管数量就多,所以芯片的运算能力较相对较强,反之则较弱。

随着摩尔定律的发展,传统芯片越来越受到晶体管数量布局的挑战,从而诞生了光子集成芯片这一新概念。所谓的光子集成芯片,其实是采用频率更高的光波来作为信息载体。相比于电子集成电路或电互联技术,光子集成电路与光互连展现出了更低的传输损耗、更宽的传输带宽、更小的时间延迟、以及更强的抗电磁干扰能力。

此外,光互联还可以通过使用多种复用方式(例如波分复用WDM、模分互用MDM等)来提高传输媒质内的通信容量。因此,建立在集成光路基础上的片上光互联被认为是一种极具潜力的技术用以克服电子传输所带来的瓶颈问题。

但是,当前光子集成芯片仍然存在器件尺寸较大、效率较低、功能单一等问题,其原因在于传统光波导在结构和材料等方面仍存在局限性。各大科研团也通过各种方式对上述问题进行了深度的研究和尝试:

2016年,以色列的研究团队通过在波导内添加刻槽结构引入额外相位,补偿不同模式间的传输相位差,实现了集成化的模式转换器;

2017年,美国哥伦比亚大学大学的学者利用集成了梯度超表面的超构波导实现了氮化硅波导的非对称传播;

2020年,美国宾夕法尼亚州立大学的研究团队通过将超表面制作硅波导上,实现了具有平面外光束偏转和聚焦功能的片上集成光器件;同年,来自中国清华大学和美国麻省理工学院的研究团队利用超构波导平台,实现了多功能的集成化波导耦合器、波长与偏振解复用器、片上涡旋光束发射器等集成光器件设计;

2021年,来自北京大学和清华大学的研究团队也分别综述了微纳结构集成光芯片的研究进展。华中科技大学和浙江大学的研究学者也报道了关于片上可重构模式转换器和集成化硅波导通信器件的研究。

可以看到,在过去数年里,光子集成技术的发展已经创造了许多重要里程碑。随着摩尔定律的失效使电子芯片在计算速度和功耗方面遇到了极大的挑战,光子集成芯片以光子为信息的载体具有高速并行、低功耗的优势,因此也被公众认为是未来高速、大数据量、人工智能计算处理的最具有前景的方案。

对于我国而言,这种新型量子芯片在制造原理上光量子芯片和传统芯片有很大的区别,因为光量子芯片主要由数目庞大的光量子器件集成,而这些器件的制造虽然需要使用到微纳米加工技术,但是对加工设备的要求并不像加工传统芯片那样严格,只需要借助低端的光刻机就可以完成。

其次,光量子芯片跟传统芯片相比优势格外明显,使用光作为信息传递的载体,储存的信息可以保存更长的时间,而且光量子芯片对外界的抗干扰性更强,兼容性更好,操控精度更加准确,是未来芯片主流的发展方向。

最后,光量子芯片可通过一种动态编程结构,实现芯片结构的重新建立解决了定点搜索等复杂的算法问题,显示了其在实现特定量子计算应用方面的巨大潜力。一旦光量子芯片成功商用,诸如7nm、5nm等制程工艺的研究将失去原有的意义,国内芯片制造领域也将迈进一个新的里程,将突破芯片制造被“卡脖子”的困境。