半导体光电子芯片突破关键瓶颈

你能否想象通过巧妙的安排，使得许多支足球队同时在同一个球场上训练阵型而互不干扰？中国一个科研团队就为光电子芯片上的光波找到了这样一种紧凑的方案。光电子芯片是光通讯领域的尖端器件，一夫当关，将光纤传输过来的大容量光信号翻译为服务器、处理器能“读懂”的电信号。

面对滚滚而来的数据流，尺寸小、功耗低的光电子芯片在带宽方面压力很大。

哈尔滨工业大学（深圳）副教授徐科、教授宋清海与上海交通大学研究员杜江兵、教授何祖源团队合作，成功地设计出新型结构和优化算法，给光电子芯片增加“车道”，同时解决串扰和损耗的问题，为大规模集成做好铺垫。

由中科院上海光学精密机械研究所和中国光学学会主办的中国激光杂志社近日发布2019年度中国光学十大进展，上述“可密集集成和任意路由的模分复用光子芯片”作为应用研究类成果入选。

3月26日，徐科在接受澎湃新闻（www.thepaper.cn）记者专访时表示，这项工作基于一种前沿的“模分复用”概念，并突破了关键的瓶颈。

“我们使模分复用光子芯片的大规模集成成为可能，”他说道。“目前我们演示了三个数据通道，最新的实验结果完成了四个数据通道，未来我们还将在复用通道数上做进一步突破，同时降低芯片的功耗。”

光电转换的关口

该团队研究的半导体光电子芯片属于近年来兴起的通信芯片的一种。

光通信系统的基本原理是这样的：发射端将高速数据流的电信号调制到激光器输出的光信号，通过光纤传递，接收端接收到光信号后再将其转化为电信号，经调制解调后变为信息。

光电子芯片在其中承担了光电转换这一任务。据徐科介绍，大容量、高数据流的光电芯片，在5G前传、数据中心、超级计算互连系统中都有重要应用。未来在量子计算、人工智能、生物传感等其他领域，也可能见到它们的身影。

可以想象，光电子芯片的带宽对于整个系统的速度来说相当关键。即使光纤传输速度再快，像是飞机飞行时间很短，但要是出站安检时只有一排队伍，也会拖慢整个行程。

增加通信的“车道”

模分复用的概念随之诞生，它可以在不增加激光器数量的情况下显著提高芯片的并行处理能力。

“提到模分复用这个概念之前，首先要介绍一下波分复用。”徐科说道。波分复用早在1978年被提出，已经广泛应用于干线光纤传输系统中。

在每一个数据通道（波导）传输几个到几十个波长，每个波长加载不同的数据。由于波长之间互不干扰，可以通过增加波长通道数提高通信容量，这就是波分复用。

“而模分复用与波分复用类似，只是用光波的另一个物理量（导波模式）替代了波长，为复用技术增加了一个维度，是提高通信容量的一种新方法。”徐科表示。

他相信，随着带宽需求不断快速增长，在波长资源饱和的时候，模分复用技术可进一步提高光子芯片的带宽。

走向大规模集成

近年来，人们通过模分复用技术，在提升光电子芯片带宽上做了很多研究。然而，一个关键的问题无法解决，就是多模光波导的损耗与串扰。

“这使得模分复用芯片无法像集成电路那样大规模布线。”徐科说道。

针对这一难题，该课题组设计了离散化的波导超结构，是一种看起来有点像二维码的新型光子结构，配合优化算法，能实现对光场的精细调控。

研究人员设计并制备了模式（解）复用器、多模弯曲波导、波导交叉等关键器件，尺寸仅为数微米，比传统器件缩小了一个数量级，且与标准硅光流片工艺完全兼容。

传输波导可以在任意弯曲、交叉的情况下，保持高效率、低串扰的信号传输。

(a) 三模式复用和弯曲结构的显微镜照片; (b) 模式复用和解复用器件的显微镜照片; (c) 具有亚波长超结构的弯曲波导SEM照片; (d) 三模式复用和交叉结构的显微镜照片; (e) 级联的波导交叉器件显微镜照片; (f) 具有亚波长超结构的波导交叉器件SEM照片。

这种微米量级的新型多模器件，使模分复用信号在片上进行低损耗、低串扰的（解）复用和任意的大规模互连成为可能，也为尖端光通信器件提供了一种新的技术选择。

全球光通信器件市场规模近年来稳定增长，预期2020年收入将达到166亿美元。中国约占据30%的市场份额，但核心基础器件的研发、制造能力较为薄弱。

工信部发布的《中国光电子器件产业技术发展路线图（2018-2022年）》提出，确保2022年中低端光电子芯片国产化率超过60%，高端光电子芯片的国产化率突破20%。

“高端光电子芯片一直是发达国家争先布局的上游技术，而我国目前国产化程度还很低。”徐科表示。“我们必须深刻认识到必须突破关键核心芯片技术，摆脱‘缺芯少魂’困境。”