本报记者 张梅

光子集成被认为是21世纪具有颠覆性意义的技术之一。

2016年，中科院前瞻部署了由西安光机所牵头的“大规模光子集成芯片”B类先导专项。几年来，该项目已在光子集成芯片技术领域的材料体系、芯片集成工艺平台、光计算原型芯片等方面取得了重要进展，具备了大规模光子集成芯片从原理设计、芯片制备、芯片封测、系统验证的能力，部分成果逐步打破发达国家垄断。

什么是光子集成？它对经济社会发展有何意义？“大规模光子集成芯片”B类先导专项取得了哪些重要进展？日前，记者采访了中科院西安分院院长、“大规模光子集成芯片”B类先导专项首席科学家赵卫。

从电子到光子

1947年第一只晶体管的问世开启了人类历史上一个崭新而伟大的时代：电子技术作为信息社会科技进步的重要基石，是20世纪发展最迅速、应用最广泛的科学技术之一，推动了全球范围内的半导体电子工业发展。在经历了电子管、晶体管、集成电路、大规模集成电路等研究阶段后，1978年超大规模集成电路的研制成功，为微型计算机的诞生创造了条件，电子技术正式进入微电子时代。

在过去的半个世纪里，微电子芯片的集成规模提升了十亿倍以上，已广泛应用于计算机、移动通信、航空航天、原子能、海洋开发、生物工程以及工业生产等领域，使人类社会变得越来越便捷和智能。随着科技发展和社会进步，人类对信息的需求不断增长，也对信息获取和处理能力提出了更高的要求。

然而在后摩尔时代，进一步减小芯片线宽的难度越来越大，微电子技术面临着不可逾越的电互联导致的延时和功耗方面的限制，于是研究人员提出了利用光子作为信息载体来替代电子的设想，希望可以利用光子更高效地完成信息的传输。光子具有超高传输速度、超高并行性、超长传输距离和高抗扰性等显著优势，非常适合信号的通信和传输。通过光电子与微电子的融合，发挥光电子在信息高速传输和微电子在信息高效处理上的优势，可在实现信息高速传输的同时，有效降低传输与交互功耗。光子集成技术应运而生，它可以满足现代社会信息技术向高速、节能、智能发展的迫切需求。

“光子集成是将多种光学器件或光电器件集成在同一衬底上，光子集成芯片能够以更低的功耗和成本构建一个具有更多节点的全新网络结构，代表着现代光电子技术与微电子技术的前沿研究领域，其技术水平和产业能力已经成为衡量一个国家综合实力和国际竞争力的重要标志。”赵卫介绍。

困难和挑战

进入21世纪以来，美国、日本、德国等国家将光子集成提升到国家战略层面，围绕光子集成技术部署了许多重大的研究计划，投入了大量人力物力进行高端光电器件的研发，提升了各国信息领域的整体水平。

“我国也十分重视光子集成技术的发展。虽然我们在基础理论研究、系统架构研究、工艺控制能力、前沿应用探索等方面落后于发达国家，但均有一定技术积累。幸运的是，该领域尚未形成垄断和巨头，不存在装备上的壁垒，我们仍有赶超的机会和窗口。”赵卫说，“要想在光子集成技术领域实现快速突破，我们就必须正视其发展所面临的困难和挑战。”

其中最大的挑战是如何将多种不同材料的功能单元器件集成到一个芯片上。在这些器件中，有源器件功能的实现依赖于光与物质的相互作用，而无源器件要求将光能量的损失降到最低，尽量减小与物质的相互作用，这本就存在矛盾。此外，有源器件一般以三五族化合物半导体为主，而无源器件一般以硅和硅基化合物为主，实现机理和材料的差异成为多材料大规模光子集成技术发展必须克服的关键问题之一。

另一个挑战是如何保证光子集成技术的可持续性发展和应用扩展。我国光子集成产业起步相对较晚，尚未形成成熟稳定的芯片制备工艺能力。“这将直接影响光电子器件的尺寸大小和性能，不利于更大规模、更复杂的集成芯片的设计和制备，也就很难满足市场对更快、更小、更便宜的光电子器件与芯片的刚性需求。”他说。

2016年，中科院前瞻部署了“大规模光子集成芯片”B类先导专项，重点突破有源与无源功能器件在材料层面的不兼容性问题，选择合适的集成材料平台并突破材料异质集成、器件加工、集成工艺等一系列关键技术难题。

将科研优势转化为产业优势

围绕光电混合计算应用，该项目在高速光传输、光交换与全光计算原型光子集成芯片等方面取得系列进展，成功制备大规模调制器阵列芯片、大规模光交叉矩阵芯片、32通道波长路由芯片、多级全光神经网络芯片、16通道硅基集成激光器阵列芯片等多款高性能、高集成度光子芯片，并成功将可重构光交换技术应用于AI训练节点间互联网络，可有效提升深度学习算力。

面向未来光量子信息，该项目在量子光源制备等专用光子集成芯片方面取得前瞻性突破，同时基于自主研制的集成微腔芯片，在片上多光子纠缠源、高维量子系统及多级超纠缠簇态等方面取得重要进展，为复杂量子信息处理开辟了新的技术手段。

面向国民经济主战场，多项阶段性成果已实现产业转化，在光子集成技术应用领域实现自主可控。其中，以直调激光器为核心的频谱重构光子集成芯片成功替代进口外调式激光器芯片，打破了美日对高端激光器市场的垄断，助力华为、中兴、烽火等光通信企业实现用户接入带宽向千兆跨越；团队自主开发的面向大型数据中心的复用/解复用光子集成芯片，已累计向脸书、亚马逊、微软等国际领头数据中心运营商发货30万颗。

然而，在中美贸易持久战的大环境下，芯片产业面临的高端技术对外依赖度高、人才短缺、产业集中度不足等问题暴露无遗。核心技术买不来，得靠自立自强。

“要想使我国在关键技术领域实现自主可控，就必须让科研成果走出实验室，走向产业化，将科研优势转化为产业优势，为国民经济发展创造更大的价值。”赵卫介绍，团队也在积极推动先导专项以产业生态的形式落地，围绕科学发展和国民经济发展的共同需求，整合中科院和产业界的优势资源，在科学理论、材料体系、关键技术、工艺平台、产业应用等多方面组织攻关，占领光子集成技术领域制高点。

“我们希望为我国光子集成领域科技创新发挥带动和引领作用，支撑国家重大科技和国防建设发展，促进经济结构调整与战略新兴产业发展壮大。”赵卫表示。