給芯片上光子加車道，突破大規模集成瓶頸

你能否想象通過巧妙的安排，使得許多支足球隊同時在同一個球場上訓練陣型而互不干擾？中國一個科研團隊就為光電子芯片上的光波找到了這樣一種緊湊的方案。

光電子芯片是光通訊領域的尖端器件，一夫當關，將光纖傳輸過來的大容量光信號翻譯為伺服器、處理器能“讀懂”的電信號。

面對滾滾而來的數據流，尺寸小、功耗低的光電子芯片在帶寬方面壓力很大。

哈爾濱工業大學（深圳）副教授徐科、教授宋清海與上海交通大學研究員杜江兵、教授何祖源團隊合作，成功地設計出新型結構和優化算法，給光電子芯片增加“車道”，同時解決串擾和損耗的問題，為大規模集成做好鋪墊。

由中科院上海光學精密機械研究所和中國光學學會主辦的中國雷射雜誌社近日發布2019年度中國光學十大進展，上述“可密集集成和任意路由的模分複用光子芯片”作為應用研究類成果入選。

3月26日，徐科在接受澎湃新聞（www.thepaper.cn）記者專訪時表示，這項工作基於一種前沿的“模分複用”概念，並突破了關鍵的瓶頸。

“我們使模分複用光子芯片的大規模集成成為可能，”他說道。“目前我們演示了三個數據通道，最新的實驗結果完成了四個數據通道，未來我們還將在複用通道數上做進一步突破，同時降低芯片的功耗。”

光電轉換的關口

該團隊研究的半導體光電子芯片屬於近年來興起的通信芯片的一種。

光通信系統的基本原理是這樣的：發射端將高速數據流的電信號調製到雷射器輸出的光信號，通過光纖傳遞，接收端接收到光信號後再將其轉化為電信號，經調製解調後變為信息。

光電子芯片在其中承擔了光電轉換這一任務。據徐科介紹，大容量、高數據流的光電芯片，在5G前傳、數據中心、超級計算互連系統中都有重要應用。未來在量子計算、人工智能、生物傳感等其他領域，也可能見到它們的身影。

可以想象，光電子芯片的帶寬對於整個系統的速度來說相當關鍵。即使光纖傳輸速度再快，像是飛機飛行時間很短，但要是出站安檢時只有一排隊伍，也會拖慢整個行程。

增加通信的“車道”

模分複用的概念隨之誕生，它可以在不增加雷射器數量的情況下顯著提高芯片的並行處理能力。

“提到模分複用這個概念之前，首先要介紹一下波分複用。”徐科說道。波分複用早在1978年被提出，已經廣泛應用於乾線光纖傳輸系統中。

在每一個數據通道（波導）傳輸幾個到幾十個波長，每個波長加載不同的數據。由於波長之間互不干擾，可以通過增加波長通道數提高通信容量，這就是波分複用。

“而模分複用與波分複用類似，只是用光波的另一個物理量（導波模式）替代了波長，為複用技術增加了一個維度，是提高通信容量的一種新方法。”徐科表示。

他相信，隨著帶寬需求不斷快速增長，在波長資源飽和的時候，模分複用技術可進一步提高光子芯片的帶寬。

走向大規模集成

近年來，人們通過模分複用技術，在提升光電子芯片帶寬上做了很多研究。然而，一個關鍵的問題無法解決，就是多模光波導的損耗與串擾。

“這使得模分複用芯片無法像集成電路那樣大規模布線。”徐科說道。

針對這一難題，該課題組設計了離散化的波導超結構，是一種看起來有點像二維碼的新型光子結構，配合優化算法，能實現對光場的精細調控。

研究人員設計並製備了模式（解）複用器、多模彎曲波導、波導交叉等關鍵器件，尺寸僅為數微米，比傳統器件縮小了一個數量級，且與標準矽光流片工藝完全兼容。

傳輸波導可以在任意彎曲、交叉的情況下，保持高效率、低串擾的信號傳輸。

(a) 三模式複用和彎曲結構的顯微鏡照片; (b) 模式複用和解複用器件的顯微鏡照片; (c) 具有亞波長超結構的彎曲波導SEM照片; (d) 三模式複用和交叉結構的顯微鏡照片; (e) 級聯的波導交叉器件顯微鏡照片; (f) 具有亞波長超結構的波導交叉器件SEM照片。

這種微米量級的新型多模器件，使模分複用信號在片上進行低損耗、低串擾的（解）複用和任意的大規模互連成為可能，也為尖端光通信器件提供了一種新的技術選擇。

全球光通信器件市場規模近年來穩定增長，預期2020年收入將達到166億美元。中國約佔據30%的市場份額，但核心基礎器件的研發、製造能力較為薄弱。

工信部發布的《中國光電子器件產業技術發展路線圖（2018-2022年）》提出，確保2022年中低端光電子芯片國產化率超過60%，高端光電子芯片的國產化率突破20%。

“高端光電子芯片一直是發達國家爭先布局的上遊技術，而我國目前國產化程度還很低。”徐科表示。“我們必須深刻認識到必須突破關鍵核心芯片技術，擺脫‘缺芯少魂’困境。”