根據北大官網公開的消息,北大王興軍教授研究團隊歷時三年,成功取得了光子集成芯片和微系列領域的重大突破。

　　據悉,王興軍教授課題組和加州大學圣芭芭拉分校John E. Bowers教授課題組在《自然》(Nature)雜志在線發表文章“Microcomb-driven silicon photonic systems”,在世界上首次報道了由集成微腔光梳驅動的新型硅基光電子片上集成系統,表明了研究團隊歷時3年協同攻關,終于攻克了這一世界性難題。

　　(論文截圖)

　　據北京大學新聞網介紹顯示,王興軍領導的研究團隊通過直接由半導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,結合硅基光電子集成技術工業上成熟可靠的集成解決方案,完成大規模集成系統的高效并行化。

　　利用這種高集成度的系統,實現T比特速率微通信和亞GHz微波光子信號處理,提出高密度多維復用的微通信和微處理芯片級集成系統的全新架構,開創了下一代多維硅光集成微系統子學科的發展。相關研究成果有望直接應用于數據中心、5/6G通信、自動駕駛、光計算等領域,為下一代片上光電子信息系統提供了全新的研究范式和發展方向。

　　光子集成芯片的現狀與未來

　　眾所周知,傳統芯片的性能主要取決于芯片集成的晶體管數量多少,如果單個晶體管較小,那么構成芯片所集成的晶體管數量就多,所以芯片的運算能力較相對較強,反之則較弱。

　　隨著摩爾定律的發展,傳統芯片越來越受到晶體管數量布局的挑戰,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,其實是采用頻率更高的光波來作為信息載體。相比于電子集成電路或電互聯技術,光子集成電路與光互連展現出了更低的傳輸損耗、更寬的傳輸帶寬、更小的時間延遲、以及更強的抗電磁干擾能力。

　　此外,光互聯還可以通過使用多種復用方式(例如波分復用WDM、模分互用MDM等)來提高傳輸媒質內的通信容量。因此,建立在集成光路基礎上的片上光互聯被認為是一種極具潛力的技術用以克服電子傳輸所帶來的瓶頸問題。

　　但是,當前光子集成芯片仍然存在器件尺寸較大、效率較低、功能單一等問題,其原因在于傳統光波導在結構和材料等方面仍存在局限性。各大科研團也通過各種方式對上述問題進行了深度的研究和嘗試:

　　2016年,以色列的研究團隊通過在波導內添加刻槽結構引入額外相位,補償不同模式間的傳輸相位差,實現了集成化的模式轉換器;

　　2017年,美國哥倫比亞大學大學的學者利用集成了梯度超表面的超構波導實現了氮化硅波導的非對稱傳播;

　　2020年,美國賓夕法尼亞州立大學的研究團隊通過將超表面制作硅波導上,實現了具有平面外光束偏轉和聚焦功能的片上集成光器件;同年,來自中國清華大學和美國麻省理工學院的研究團隊利用超構波導平臺,實現了多功能的集成化波導耦合器、波長與偏振解復用器、片上渦旋光束發射器等集成光器件設計;

　　2021年,來自北京大學和清華大學的研究團隊也分別綜述了微納結構集成光芯片的研究進展。華中科技大學和浙江大學的研究學者也報道了關于片上可重構模式轉換器和集成化硅波導通信器件的研究。

　　可以看到,在過去數年里,光子集成技術的發展已經創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算速度和功耗方面遇到了極大的挑戰,光子集成芯片以光子為信息的載體具有高速并行、低功耗的優勢,因此也被公眾認為是未來高速、大數據量、人工智能計算處理的最具有前景的方案。

　　對于我國而言,這種新型量子芯片在制造原理上光量子芯片和傳統芯片有很大的區別,因為光量子芯片主要由數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,但是對加工設備的要求并不像加工傳統芯片那樣嚴格,只需要借助低端的光刻機就可以完成。

　　其次,光量子芯片跟傳統芯片相比優勢格外明顯,使用光作為信息傳遞的載體,儲存的信息可以保存更長的時間,而且光量子芯片對外界的抗干擾性更強,兼容性更好,操控精度更加準確,是未來芯片主流的發展方向。

　　最后,光量子芯片可通過一種動態編程結構,實現芯片結構的重新建立解決了定點搜索等復雜的算法問題,顯示了其在實現特定量子計算應用方面的巨大潛力。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,國內芯片制造領域也將邁進一個新的里程,將突破芯片制造被“卡脖子”的困境。