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3年攻克光子芯片“大脑” 打通规模应用最后一公里

时间:2023/7/20 8:20:46浏览次数:599

核心问题:

1、您和团队研发的“由集成微腔光梳驱动的新型硅基光电子片上集成系统”成果在Nature发表,看报道说研究团队历时三年协同攻关,请问这三年时间是算长还是短?这期间遇到了怎样的问题?如何克服的?最大难题是什么?

2、这项研究成果从实验室走向应用,还需要注意什么?需要多久时间?

3、硅基光电子集成芯片在未来信息产业发展中起着怎样的作用?

4、光子芯片是否会是中国摆脱国外“卡脖子”的关键技术?是不是意味着我们可以绕过光刻机的环节?

精彩内容:

刚刚结束学校内部的一个学术会议,王兴军背着装着电脑的沉甸甸的双肩包匆匆赶来网易录制这期视频内容。之所以请来王兴军老师,是因为他以及团队研发的“由集成微腔光梳驱动的新型硅基光电子片上集成系统”,荣获了网易新闻揭晓“2022中国十大科技创新奖”,该项研发成果还登上了世界上最权威的杂志《Nature》,更重要的是这项研究成果解决了硅基激光器领域的世界难题,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。

王兴军告诉网易科技,硅光芯片最近20年非常热,是应对摩尔定律失效的一项颠覆性技术。硅光芯片是通过标准半导体工艺将硅光材料和器件集成在一起的集成光路,可以大规模集成传统光学系统所需的功能器件,极大提升片上信息传输和处理的速度和容量,可为下一代数据中心、通信系统、高性能计算、自动驾驶等领域带来变革性突破,是公认的现代信息系统的功能升级和产业布局的核心技术。

但是,硅基光电子集成的“硅光”芯片有个最大的问题,就是没有激光器,激光器其实就是“硅光”芯片的大脑,没有它,“硅光”就是无水之源,目前硅基激光器是还没有完全实现,所以也就是缺少硅光芯片的“大脑”。国际上包括哈佛大学、麻省理工学院、加州理工学院、哥利比亚等国际知名高校的多个团队,都在攻克该项技术。

“这是国际高科技竞争的战略高地。”

然而,这项战略高地,最终被北京大学教授,北京大学电子学院副院长,王兴军以及团队,经过三年时间攻克。该研究成果2022年5月18日在《自然》(Nature)杂志在线发表。

“我们研究的集成微腔光梳技术就是给硅光芯片提供了大脑。集成光梳和硅光的完美结合打通了光频梳从实验室走向产业化的最后一公里,从而可以真正让这项技术走向大规模应用。”王兴军如此总结道。

为什么这项世界性难题最终能由中国团队解决?王兴军表示,这要靠我们有最好的学生,最好的智慧,最好的头脑。除此之外还有团结协作、不放弃的精神头。

“疫情导致大家做实验的时间有限。记得三年前的春节期间,为了怕回家由于疫情赶不回学校,所以论文的几个主要作者都没有回家过年,大年三十还在实验室调试设备,只是大年初一休息了一天,大年初二又接着做实验了。”王兴军回忆道。

另外,还有实验设备条件限制。王兴军表示,由于实验室的条件有限,但又需要最先进的设备工艺,王兴军团队只能向设备代理商借,借用人家参加展览的样机。“给我们用的时间也非常有限,也导致我们实验的进展没有那么快。如果有更好的设备,我们的工作效率会更加大幅度提高,出成果也会更快。”王兴军表示。

对于这项技术,网上盛传其摆脱了国外“卡脖子”的情况,未来甚至将取代传统电子芯片。对此,王兴军给予了详尽的解答。

王兴军表示,目前光子芯片的制程不需要像集成电路一样需要十几纳米的制程,目前90nm的制程应该可以做出较好的光电子芯片,当然制程越高,芯片性能越高,但目前还不需要集成电路高制程的光刻机,所以应该还是不需要ASML高端的光刻机,可以说部分摆脱国外“卡脖子”的关键技术。

“但任何一个芯片制作的环节很多,不只是光刻机,还有其他的一些设备和技术还有卡脖子风险,但我们政府和科学家也一直在努力,我想会慢慢改观。”王兴军认为。

对于光子芯片与电子芯片的关系,王兴军表示光子芯片其实是一个比较宽泛的概念,它包括很多内涵,光其实离不开电,如激光器就是由电驱动出光,所以光子芯片原则上应该也包含光电子芯片,光和电互有优势,不能谁取代谁,未来应该是一个融合的过程,光电融合是未来光子芯片的的一个发展趋势。


以下为网易科技《逐梦星空》栏目对话北京大学教授,北京大学电子学院副院长,王兴军对话部分内容:

网易科技:王教授,最近您在忙哪些项目?哪个项目有可能又一次突出重围,对整个电子信息领域产生影响?

王兴军:我目前在承担科技部国家重点研发计划项目:面向规模集成的高效硅基光波导放大器和激光器,国家自然科学基金重点项目:硅基多材料体系融合的高性能通信光电子器件与集成系统研究,北京市重点研发计划:混合集成高功率光梳光源及硅光系统应用技术研究等项目的研究。这些项目都是围绕硅基光电子学中的核心芯片和系统开展研究,主要包括硅基光源、大带宽调制器、以及其在光通信、激光雷达、微波光子等系统应用。最近,我们团队经过刻苦攻关,又有一个从0到1的原创性突破,制备出一种全新硅基片上多通道混沌光源,并基于这种混沌光梳并行激光雷达架构,攻克了激光雷达抗干扰和高精度并行探测的难题,极大地降低未来激光雷达系统体积、复杂度、功耗和成本。3月13日,相关研究成果以“Breaking the temporal and frequency congestion of LiDAR by parallel chaos”为题发表在《Nature Photonics》上,该技术有可能重塑整个激光雷达生态系统。

网易科技:您和团队研发的“由集成微腔光梳驱动的新型硅基光电子片上集成系统”产生了很大的影响,网上报道也很多。您能否用普通读者能够理解的话来解释一下这项研究成果?

王兴军:简单来讲,光子芯片其实也是一个非常复杂的系统,它主要在一个芯片上包括很多个光子器件,在芯片上用光来传递信息。但目前硅基光电子集成“硅光”芯片最大的问题是没有激光器,激光器其实就是“硅光”芯片的大脑,没有它“硅光”就是无水之源,目前硅基激光器是还没有完全实现,所以也就是缺少硅光芯片的“大脑”,我们研究的集成微腔光梳技术就是给硅光芯片提供了大脑。

网易科技:看报道提到,研究团队历时三年协同攻关,想请教一下,三年时间算是比较长还是比较短?在这三年中,遇到了怎样的问题,如何克服的?遇到的最大的难题是什么?

王兴军:三年时间对于一个普通的科研成果有点长,但对于发表在Nature这样最有影响的期刊不算长,因为好的科研工作通常是需要长期积累的,3年,5年,甚至更长时间才能作出高水平成果。

遇到的困难主要包括三个方面,第一个当然是技术方面,这个系统非常复杂,从设计到材料、器件、芯片、封装、通信系统应用、微波光子系统应用等等,技术难题一个接一个,都是大家一起一点一点攻克的。第二个方面是疫情导致大家做实验的时间还是有限,记得三年前的春节期间,为了怕回家由于疫情赶不回学校,所以论文的几个主要作者都没有回家过年,大年三十还在实验室调试设备,只是大年初一休息了一天,大年初二又接着做实验了,最后我们自己实验室设备条件有限,好多的高速实验还是需要从代理商上借过来,而且给我们用的时间也非常有限,也导致我们实验的进展没有那么快。如果有更好的设备,我们的工作效率会更加大幅度提高,出成果也会更快。

网易科技:这项研究成果对团队来说意味着什么?对光电子领域来说又意味着什么?

王兴军:这项研究成果应该是我团队多年努力的一种回报吧,这么多年来,我们团队一直围绕这个硅基光电子芯片与信息系统这个国际科技前沿开展工作,期间也遇到很多困难,包括5年前我组里还只有3个学生,实验室也只有一个1/4光学平台,是我们一点一点努力得到同行认可,拿到一些项目再扩大队伍,慢慢发展到目前又20多个有战斗力的团队,应该是对我们努力奋斗的一种回报吧,其实这几年除了这个工作外,我们还有多项重要进展,包括最高精度为2mm的并行探测和大于30dB的激光雷达、1.04TOPS/mm2高算力密度片上光计算(Nature Communication 2023)、30nm极小粒径病毒检测(Nature Communication 2021)、36μm最低功率阈值光学频率梳光源(Nature Communication 2020)等多个国际领先成果。研究成果也获得2022年度中国十大科技创新奖、2022年度中国光学十大进展、2022年度中国光学十大社会影响力事件等荣誉。

网易科技:这项研究成果从实验室走向应用,还需要注意什么?需要多久?

王兴军:应该很快,后续主要是要研究芯片的可靠性和成品率,这个主要是工程化的一些内容,需要下游企业参与,如果有足够经费,2-3年就能产业化。

网易科技:国际上做该项研究的团队多吗?为什么你们能够实现攻克?

王兴军:目前竞争非常激烈, 国外有哈佛大学、麻省理工学院、加州理工学院、哥伦比亚、洛桑联邦理工学院等国际知名高校的多个团队。我想我们能做出来主要有最优秀的北大学生和我们自己团结的团队,团结一致,不计个人得失,一起攻关的结果。

网易科技:硅基光电子集成芯片技术是一个怎样的技术,在未来信息产业发展中,起着怎样的作用?

王兴军:硅基光电子集成芯片技术就是结合光的极高带宽、超快速率和高抗干扰特性以及微电子技术在大规模集成、低能耗、低成本等方面的优势,应用硅工艺平台,在同一硅衬底上同时制作若干微纳量级,以光子和电子为载体的信息功能器件,形成一个完整的具有综合功能的新型大规模光电集成芯片。

“硅光”研究是非常能体现基础理论、关键技术和系统应用全链条发展的一个新的学科方向。它既有硅基发光、片上损耗等最本质的科学问题,也有大规模硅基光电集成等需要攻克的关键核心技术,以及光通信、光传感、微波光子、光计算等产业的广泛应用前景。同时,它也是一个光学、电子、通信、材料、物理等多学科交叉融合不断发展的结果,是国际科技竞争向基础前沿前移的重要领域,是一个光电融合的颠覆性技术。

网易科技:大家提到的光子芯片与您的研究成果之前有怎样的关系?光子芯片是未来吗?与电子芯片是取代关系吗?

王兴军:其实我们研究的“硅光”芯片也属于光子芯片,光子芯片其实是一个比较宽泛的概念,它包括很多内涵,光其实离不开电,如激光器就是由电驱动出光,所以光子芯片原则上应该也包含光电子芯片,光和电互有优势,不能谁取代谁,我想未来应该是一个融合的过程,光电融合是未来光子芯片的的一个发展趋势。

网易科技:光子芯片是否会是中国摆脱国外“卡脖子”的关键技术?是不是意味着我们可以绕过光刻机的环节?

王兴军:目前光子芯片的制程不需要像集成电路一样需要十几纳米的制程,目前90nm的制程应该可以做出较好的光电子芯片,当然制程越高,芯片性能越高,但目前还不需要集成电路高制程的光刻机,所以应该还是不需要ASML高端的光刻机,所以可以部分摆脱国外“卡脖子”的关键技术,但任何一个芯片制作的环节很多,不只是光刻机,还有其他的一些设备和技术还有卡脖子风险,但我们政府和科学家也一直在努力,我想会慢慢改观。

网易科技:光子芯片目前全球的发展情况?中国的光子芯片研发处于怎样的阶段?在国际上处于怎样的地位?

王兴军:光电子在国家战略发展层面上占有重要地,应该来讲是国际高科技竞争的高地,中国的光子芯片研发一直紧跟国际先进水平,应该来讲没有落后很多,基本上在同一梯队。

网易科技:光子芯片实现真正的产业落地还面临着哪些问题?需要多久才能实现规模应用?

王兴军:有些已经落地,我觉得可能成本下降,规模如果上去,可能有更大应用。

网易科技:光子芯片和量子芯片,目前发展进展如何?

王兴军:个人感觉光子芯片已经产业化了,量子芯片应该还是在研究阶段。