根據(jù)北大官網(wǎng)公開(kāi)的消息,北大王興軍教授研究團(tuán)隊(duì)歷時(shí)三年,成功取得了光子集成芯片和微系列領(lǐng)域的重大突破。

　　據(jù)悉,王興軍教授課題組和加州大學(xué)圣芭芭拉分校John E. Bowers教授課題組在《自然》(Nature)雜志在線發(fā)表文章“Microcomb-driven silicon photonic systems”,在世界上首次報(bào)道了由集成微腔光梳驅(qū)動(dòng)的新型硅基光電子片上集成系統(tǒng),表明了研究團(tuán)隊(duì)歷時(shí)3年協(xié)同攻關(guān),終于攻克了這一世界性難題。

　　(論文截圖)

　　據(jù)北京大學(xué)新聞網(wǎng)介紹顯示,王興軍領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)直接由半導(dǎo)體激光器泵浦集成微腔光頻梳,給硅基光電子集成芯片提供了所需的光源大腦,結(jié)合硅基光電子集成技術(shù)工業(yè)上成熟可靠的集成解決方案,完成大規(guī)模集成系統(tǒng)的高效并行化。

　　利用這種高集成度的系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)T比特速率微通信和亞GHz微波光子信號(hào)處理,提出高密度多維復(fù)用的微通信和微處理芯片級(jí)集成系統(tǒng)的全新架構(gòu),開(kāi)創(chuàng)了下一代多維硅光集成微系統(tǒng)子學(xué)科的發(fā)展。相關(guān)研究成果有望直接應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心、5/6G通信、自動(dòng)駕駛、光計(jì)算等領(lǐng)域,為下一代片上光電子信息系統(tǒng)提供了全新的研究范式和發(fā)展方向。

　　光子集成芯片的現(xiàn)狀與未來(lái)

　　眾所周知,傳統(tǒng)芯片的性能主要取決于芯片集成的晶體管數(shù)量多少,如果單個(gè)晶體管較小,那么構(gòu)成芯片所集成的晶體管數(shù)量就多,所以芯片的運(yùn)算能力較相對(duì)較強(qiáng),反之則較弱。

　　隨著摩爾定律的發(fā)展,傳統(tǒng)芯片越來(lái)越受到晶體管數(shù)量布局的挑戰(zhàn),從而誕生了光子集成芯片這一新概念。所謂的光子集成芯片,其實(shí)是采用頻率更高的光波來(lái)作為信息載體。相比于電子集成電路或電互聯(lián)技術(shù),光子集成電路與光互連展現(xiàn)出了更低的傳輸損耗、更寬的傳輸帶寬、更小的時(shí)間延遲、以及更強(qiáng)的抗電磁干擾能力。

　　此外,光互聯(lián)還可以通過(guò)使用多種復(fù)用方式(例如波分復(fù)用WDM、模分互用MDM等)來(lái)提高傳輸媒質(zhì)內(nèi)的通信容量。因此,建立在集成光路基礎(chǔ)上的片上光互聯(lián)被認(rèn)為是一種極具潛力的技術(shù)用以克服電子傳輸所帶來(lái)的瓶頸問(wèn)題。

　　但是,當(dāng)前光子集成芯片仍然存在器件尺寸較大、效率較低、功能單一等問(wèn)題,其原因在于傳統(tǒng)光波導(dǎo)在結(jié)構(gòu)和材料等方面仍存在局限性。各大科研團(tuán)也通過(guò)各種方式對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行了深度的研究和嘗試:

　　2016年,以色列的研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)在波導(dǎo)內(nèi)添加刻槽結(jié)構(gòu)引入額外相位,補(bǔ)償不同模式間的傳輸相位差,實(shí)現(xiàn)了集成化的模式轉(zhuǎn)換器;

　　2017年,美國(guó)哥倫比亞大學(xué)大學(xué)的學(xué)者利用集成了梯度超表面的超構(gòu)波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)了氮化硅波導(dǎo)的非對(duì)稱傳播;

　　2020年,美國(guó)賓夕法尼亞州立大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)將超表面制作硅波導(dǎo)上,實(shí)現(xiàn)了具有平面外光束偏轉(zhuǎn)和聚焦功能的片上集成光器件;同年,來(lái)自中國(guó)清華大學(xué)和美國(guó)麻省理工學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)利用超構(gòu)波導(dǎo)平臺(tái),實(shí)現(xiàn)了多功能的集成化波導(dǎo)耦合器、波長(zhǎng)與偏振解復(fù)用器、片上渦旋光束發(fā)射器等集成光器件設(shè)計(jì);

　　2021年,來(lái)自北京大學(xué)和清華大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)也分別綜述了微納結(jié)構(gòu)集成光芯片的研究進(jìn)展。華中科技大學(xué)和浙江大學(xué)的研究學(xué)者也報(bào)道了關(guān)于片上可重構(gòu)模式轉(zhuǎn)換器和集成化硅波導(dǎo)通信器件的研究。

　　可以看到,在過(guò)去數(shù)年里,光子集成技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)創(chuàng)造了許多重要里程碑。隨著摩爾定律的失效使電子芯片在計(jì)算速度和功耗方面遇到了極大的挑戰(zhàn),光子集成芯片以光子為信息的載體具有高速并行、低功耗的優(yōu)勢(shì),因此也被公眾認(rèn)為是未來(lái)高速、大數(shù)據(jù)量、人工智能計(jì)算處理的最具有前景的方案。

　　對(duì)于我國(guó)而言,這種新型量子芯片在制造原理上光量子芯片和傳統(tǒng)芯片有很大的區(qū)別,因?yàn)楣饬孔有酒饕蓴?shù)目龐大的光量子器件集成,而這些器件的制造雖然需要使用到微納米加工技術(shù),但是對(duì)加工設(shè)備的要求并不像加工傳統(tǒng)芯片那樣嚴(yán)格,只需要借助低端的光刻機(jī)就可以完成。

　　其次,光量子芯片跟傳統(tǒng)芯片相比優(yōu)勢(shì)格外明顯,使用光作為信息傳遞的載體,儲(chǔ)存的信息可以保存更長(zhǎng)的時(shí)間,而且光量子芯片對(duì)外界的抗干擾性更強(qiáng),兼容性更好,操控精度更加準(zhǔn)確,是未來(lái)芯片主流的發(fā)展方向。

　　最后,光量子芯片可通過(guò)一種動(dòng)態(tài)編程結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)芯片結(jié)構(gòu)的重新建立解決了定點(diǎn)搜索等復(fù)雜的算法問(wèn)題,顯示了其在實(shí)現(xiàn)特定量子計(jì)算應(yīng)用方面的巨大潛力。一旦光量子芯片成功商用,諸如7nm、5nm等制程工藝的研究將失去原有的意義,國(guó)內(nèi)芯片制造領(lǐng)域也將邁進(jìn)一個(gè)新的里程,將突破芯片制造被“卡脖子”的困境。