上海交大周林杰：突破高端光器件需長期研發(fā)與投入

　　ICCSZ訊   目前單純發(fā)展微電子技術(shù)、光電子技術(shù)的弊端日益凸顯，微電子技術(shù)、光電子技術(shù)的緊密結(jié)合、相互滲透，必將推進(jìn)信息技術(shù)進(jìn)入新的發(fā)展階段，光集成技術(shù)也成為業(yè)界的焦點(diǎn)。另外，我國在高端光器件的發(fā)展一直落后國際，如何突破高端光器件市場也需要盡快找到解決之策。針對這一系列問題，記者特地采訪了上海交通大學(xué)電子工程系光纖技術(shù)研究所的周林杰博士，為讀者解疑答惑。

　　光和電未來必會融合

　　《通信世界》：光集成技術(shù)是未來光器件的主流發(fā)展方向，近年來一直是業(yè)內(nèi)關(guān)注和研究的焦點(diǎn)。光集成技術(shù)有哪些集成方式?

　　周林杰：光集成技術(shù)有不同的定義，廣義而言，把不同功能、材料、軟件、硬件、芯片、系統(tǒng)等整合在一起都可以叫做是集成。從芯片集成角度來看，它可以是單片集成、混合集成、光電集成等。單片集成是指在同一個芯片上實現(xiàn)某種功能和應(yīng)用，比如在Si、SiO2、InP上制作不同的光子器件利用波導(dǎo)連接形成光子回路。特定材料有它本身的物理限制，只能實現(xiàn)某幾類功能或者說它只在某些方面具有優(yōu)勢，因此有時候需要結(jié)合其他材料做混合集成才能彌補(bǔ)它的不足。特別是要實現(xiàn)比較復(fù)雜的功能時，往往需要不同材料的優(yōu)勢互補(bǔ)、互相支撐才能提供最強(qiáng)的功能。例如，硅波導(dǎo)器件尺寸小，適合做高密度無源和可調(diào)器件的集成，但硅本身在1550nm光通訊波段無法做高效探測和發(fā)光，因此光源和探測器等有源器件的制作需要引入如InP、Ge等其他材料來完成，這也是硅光電子學(xué)中一個比較熱門的研究方向。

　　集成還有另外一個重要趨勢是光電集成。微電子和光子器件研究傳統(tǒng)是在兩條路上發(fā)展：微電子專門研究以電子為載體的信號處理，包括邏輯運(yùn)算和存儲等，這也是電子的強(qiáng)項;而光器件則研究以光為媒介的光信號產(chǎn)生、傳輸和接收等，在信息傳輸容量和速度方面，光信號具有電信號無可比擬的優(yōu)勢。

　　光和電未來勢必會融合在一起，取長補(bǔ)短，既能發(fā)揮光的傳輸優(yōu)勢也能發(fā)揮電的處理優(yōu)勢。一個光電集成的例子就是未來多核光互連芯片，多處理器并行運(yùn)算大大提高了集成電路的性能，但同時處理器間的數(shù)據(jù)交換能力成為制約其性能進(jìn)一步提升的瓶頸，采用光波導(dǎo)可以提供大容量、高速、低功耗互連，為解決這樣的瓶頸提供了一個可靠的技術(shù)途徑。

　　《通信世界》：目前我國國內(nèi)光集成研究現(xiàn)狀如何?

　　周林杰：近幾年來通過各類國家項目的支持，國內(nèi)光集成取得了長足的進(jìn)步，在多波長激光器陣列、光子收發(fā)、光交換和路由、光延遲和存儲、全光信號處理、多維度光傳輸?shù)确矫娑既〉昧酥匾M(jìn)展。例如，我們課題組在陳建平教授帶領(lǐng)下，在光開關(guān)陣列、可調(diào)光延遲線和高速調(diào)制器等方面都做出了很有特色的工作：采用馬赫曾德干涉儀和微環(huán)開關(guān)矩陣，實現(xiàn)了無阻塞16×16光開關(guān)芯片，其中包含了上百個具有熱光和電光控制的光交換單元，能實現(xiàn)納秒量級開關(guān)切換和Tb/s交換容量;采用7級級聯(lián)光開關(guān)和波導(dǎo)延遲線結(jié)構(gòu)，獲得了納秒量級延時，調(diào)節(jié)精度可達(dá)到10皮秒;與華為共同研制開發(fā)的硅基高速IQ調(diào)制器，能實現(xiàn)QPSK、16QAM等高階調(diào)制，具有100Gb/s以上速率，可在1000公里光纖上實現(xiàn)無誤碼傳輸。然而，這些光集成還處于小規(guī)模實驗室研發(fā)階段，在大規(guī)模集成芯片開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用方面與發(fā)達(dá)國家還存在較大差距。另外，在光電子芯片制作方面，國內(nèi)也還沒有形成規(guī)模化，沒有一個能打通上下游實現(xiàn)集成芯片設(shè)計、制備和測試的成熟研發(fā)平臺。

　　當(dāng)然，光集成發(fā)展并不是一朝一夕能完成，這需要長期研究積累、科研經(jīng)費(fèi)投入、軟硬件環(huán)境改善、團(tuán)結(jié)合作協(xié)同創(chuàng)新等，任重而道遠(yuǎn)!

　　硅光集成將成重點(diǎn)集成方向

　　《通信世界》：光集成技術(shù)多種多樣，在您看來，您認(rèn)為哪種或哪些技術(shù)將成為未來的主流方向?原因是什么?

　　周林杰：硅光集成我認(rèn)為是未來比較看好的發(fā)展方向之一。像前面提到的，硅光集成既具有靈活性和包容性，可以和其他材料進(jìn)行混合集成，又能與微電子結(jié)合實現(xiàn)光電集成，可以滿足未來對片上系統(tǒng)集成的需求。

　　硅光的優(yōu)點(diǎn)也比較明顯，主要有以下幾個方面：第一，在近紅外光通訊波段，硅材料本身損耗非常小，為光集成提供了一個前提條件。現(xiàn)在硅波導(dǎo)損耗還沒有做到像石英波導(dǎo)損耗那么小，主要是由于工藝制備引起的，未來工藝條件改進(jìn)可以解決這個問題;第二，硅波導(dǎo)的折射率非常高，因此硅波導(dǎo)和硅光器件的尺寸可以非常小，一般單元器件尺寸在微米量級，這使等高密度大規(guī)模光子集成成為可能;第三，硅光器件制備可以采用集成電路工藝設(shè)備來完成，相比于其他InP、LiNbO3、polymer等材料具有更低廉、穩(wěn)定和成熟的制備流程。CMOS電路的各種制備工藝如光刻、刻蝕、摻雜、淀積、氧化等都可以直接用來制作硅光子集成器件，而且光波導(dǎo)器件的尺寸遠(yuǎn)大于晶體管尺寸，對工藝要求并不是特別高，只需要前幾代的CMOS設(shè)備就可以完成硅光芯片低廉化生產(chǎn);第四，采用硅材料的天然優(yōu)勢之一就是硅材料既可以用來做波導(dǎo)也可以用來做微電子器件，這樣就可以將集成電路和光子回路集成在一起，做光電混合集成，為集成光路提供電路驅(qū)動和智能化控制。

　　當(dāng)然，硅材料并不是萬能的，有些功能它無法完成，需要其他材料來彌補(bǔ)，因而在特定應(yīng)用下特別是需要光源和探測功能時，混合集成也是必要的技術(shù)選擇。不同材料可以通過外延生長或鍵合的方式集成在一起，外延生長需要考慮到不同材料間間隔失配問題，而鍵合需要考慮對準(zhǔn)、鍵合材料和工藝對光電器件性能影響等問題。這些問題可以通過設(shè)計和工藝的創(chuàng)新加以解決。以硅材料(通常為絕緣體上硅，SOI)為基底，輔助以其他材料，能使硅光集成技術(shù)更加具有多樣性，為未來多場合廣泛應(yīng)用提供用武之地。

　　光電器件應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛

　　《通信世界》：近些年來，光電器件的專業(yè)化程度在不斷深化，目前，光器件的應(yīng)用可大致分為哪些主要的領(lǐng)域?麻煩您能具體介紹下不同領(lǐng)域的應(yīng)用情況。

　　周林杰：光電器件的應(yīng)用主要在光通訊、光互連、光子信息處理、光計算、微波信號處理、光傳感、量子通信、納米操控等多種領(lǐng)域。

　　光通訊中需要用到多種功能，如光信號發(fā)射和接受，光路交路中的信號處理，光信號傳輸中的放大等，所采用的光電器件種類繁多，從有源的激光器、探測器、放大器到高速調(diào)制器、光開關(guān)到無源的分路器、濾波器、合波/分波器等，它們都有廣泛的應(yīng)用。隨著光通訊朝高容量、高速度、低功耗、高集成度方向發(fā)展，對光電器件的性能指標(biāo)、穩(wěn)定性、耐用性等提出了更高的要求。

　　光互連用于短距離光學(xué)鏈路(比如數(shù)據(jù)中心、超級計算機(jī))的建立，主要用到了包含光電轉(zhuǎn)換的收發(fā)模塊，包括激光器、調(diào)制器、探測器以及輔助驅(qū)動電路等。相比于長距離光通訊，光互連對器件的性能指標(biāo)要求較低，但對成本控制要求更高，而硅光器件正適合這方面的應(yīng)用。

　　光子信息處理包含的內(nèi)容很廣：光信號經(jīng)過遠(yuǎn)距離傳輸后信號弱化需要進(jìn)行再生和時鐘恢復(fù);光信號調(diào)制方式多樣，如幅度調(diào)制、相位調(diào)制、頻率調(diào)制等，不同編碼各有各的優(yōu)勢，它們之間需要轉(zhuǎn)換;分波復(fù)用系統(tǒng)中，采用多波長增加了系統(tǒng)傳輸容量，光信號需要進(jìn)行波長轉(zhuǎn)換，所有這些功能的實現(xiàn)都需要采用光電器件進(jìn)行線性和非線性高速信號處理。

　　雖然復(fù)雜計算并不是光器件的優(yōu)勢(至少目前還不是)，但在某些運(yùn)算如矩陣乘法、傅里葉變換、邏輯運(yùn)算、微積分計算等方面可以發(fā)揮光器件的高速、并行、低功耗等特點(diǎn)，滿足特殊場合的應(yīng)用需求。

　　微波與光子技術(shù)的融合也是未來一個重要發(fā)展方向，它能充分利用光波低損耗傳輸、寬帶處理和分布式接入的特點(diǎn)實現(xiàn)高精細(xì)微波信號的產(chǎn)生、傳輸和處理等功能，主要應(yīng)用于未來寬帶無線通信與空天信息網(wǎng)絡(luò)中。

　　光傳感和檢測也是一個非常大的應(yīng)用領(lǐng)域，市場規(guī)模龐大。傳感實現(xiàn)往往通過溫度、應(yīng)力、濃度等檢測目標(biāo)參數(shù)的改變引起光電器件中折射率的改變，從而在檢測光信號中能探知這種變化。基于微量試劑的檢測需要用到微流控芯片，它能使檢測系統(tǒng)更加小型化、易便攜、低成本，這也是近幾年國際上比較熱門的研究領(lǐng)域。

　　光器件和芯片也可以應(yīng)用于量子信號處理，比如通過四波混頻來產(chǎn)生糾纏光子源，采用高效波導(dǎo)探測器進(jìn)行單光子檢測，采用集成光路實現(xiàn)量子干涉和糾纏操控等。

　　除此之外，光器件往更小尺寸發(fā)展，可以結(jié)合光子晶體、等離子波導(dǎo)、超材料等技術(shù)，實現(xiàn)更高密度的集成和更靈活的光波操控。例如，通過對介電常數(shù)和磁導(dǎo)率的靈活控制，能實現(xiàn)常規(guī)器件無法實現(xiàn)的功能，像高分辨成像、隱形、超透射、完美吸收等。

　　突破高端光器件需長期研發(fā)與投入

　　《通信世界》：據(jù)統(tǒng)計，我國的通信光電子器件產(chǎn)業(yè)規(guī)模已經(jīng)占據(jù)全球份額的15%以上。但是，大多數(shù)器件都集中于中低端，在您看來，我國應(yīng)如何突破高端光器件市場?

　　周林杰：高端光器件在技術(shù)含量方面比中低端器件更高，需要長期的研究積累和投入，才能取得引領(lǐng)世界領(lǐng)先的技術(shù)。

　　首先，這亟需建立面向高端光器件和芯片的綜合研發(fā)團(tuán)隊，該平臺由政府、企業(yè)、研究所和大學(xué)共同聯(lián)合建立，集中國內(nèi)各優(yōu)勢單位，強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，資源共享。政府和企業(yè)提供研發(fā)資助，研究院所和大學(xué)研發(fā)核心技術(shù)和培養(yǎng)科研勞動力，在現(xiàn)有資源及未來產(chǎn)出利益分配上形成統(tǒng)一的資源和利益一體化。

　　其次，亟需建立先進(jìn)工藝平臺，為高端光器件研發(fā)提供硬件配套支持。高端高器件的研發(fā)離不開最先進(jìn)的工藝設(shè)備，目前國內(nèi)工藝設(shè)備比較分散，需要整合成完整的工藝鏈，統(tǒng)一管理，避免重復(fù)建設(shè)，發(fā)揮工藝設(shè)備效能的最大化。

　　最后，亟需加大高端器件方面的科研投入，掌握具有自足知識產(chǎn)權(quán)的器件設(shè)計和工藝技術(shù)，才能突破國外對高端器件和芯片的壟斷。

　　產(chǎn)業(yè)化構(gòu)建產(chǎn)學(xué)研良好合作模式

　　《通信世界》：目前，光子器件與集成技術(shù)的發(fā)展正在經(jīng)歷從科研到產(chǎn)業(yè)化的轉(zhuǎn)化期，在您看來，應(yīng)如何構(gòu)建“產(chǎn)、學(xué)、研”良好的合作模式?

　　周林杰：產(chǎn)學(xué)研合作不僅是企業(yè)、大學(xué)和研究院所三方面力量的結(jié)合，而更是需要三者之間互相配合、互相支持、優(yōu)勢互補(bǔ)，從而形成合力，共同完成新技術(shù)從探索、研發(fā)到新產(chǎn)品開發(fā)的全鏈條發(fā)展。

　　在我看來，有四個方面的措施可以加快構(gòu)建產(chǎn)學(xué)研良好合作模式。

　　加快產(chǎn)學(xué)研制度建設(shè)。任何高效合作模式都離不開成熟健全的制度保障。產(chǎn)學(xué)研合作中勢必涉及到各方的利益分配，而利益分配是否合理直接影響到了合作的成效。制度建設(shè)可以規(guī)范合作機(jī)制、建立信任、照顧各方利益，做到合作方共贏共榮的局面。

　　設(shè)立共同研發(fā)中心?，F(xiàn)實中大學(xué)科研和企業(yè)需求脫節(jié)，大學(xué)學(xué)術(shù)研究以追求高精尖前沿探索為主，而產(chǎn)業(yè)需求則需要在某個具體技術(shù)上尋求突破并不斷完善改進(jìn)，兩者缺乏有效溝通，科研和產(chǎn)業(yè)發(fā)展脫節(jié)。設(shè)立共同研發(fā)中心可以拉近兩者距離，高校和科研院所提供科研所需人才和科研設(shè)備，企業(yè)提供科研經(jīng)費(fèi)，使科研人員有穩(wěn)定科研經(jīng)費(fèi)來源，保障長期合作，這樣才能使科研人員更加集中精力于科研活動，加快科技轉(zhuǎn)換進(jìn)程。

　　加強(qiáng)技術(shù)轉(zhuǎn)讓和專利認(rèn)可。大學(xué)和研究所研發(fā)的技術(shù)需要通過技術(shù)轉(zhuǎn)讓給企業(yè)，才能實現(xiàn)知識從實驗室到現(xiàn)實生產(chǎn)力的轉(zhuǎn)變。技術(shù)轉(zhuǎn)讓可以保證科技成果發(fā)明人的權(quán)益，也是企業(yè)對科研創(chuàng)新活動的支持和認(rèn)可。

　　面向產(chǎn)學(xué)研轉(zhuǎn)變科研評價體系。目前大學(xué)和科研院所科研評價所追求的項目經(jīng)費(fèi)、論文數(shù)量和論文引用等并不能衡量科技成果對實際產(chǎn)業(yè)發(fā)展的貢獻(xiàn)，而應(yīng)該建立以產(chǎn)學(xué)研為價值取向的科研激勵與科研成果評價機(jī)制，才能激發(fā)科研人員從事產(chǎn)學(xué)研合作的熱情和積極性。

　　《通信世界》：國內(nèi)的光子器件與集成企業(yè)應(yīng)如何把握轉(zhuǎn)化期?

　　周林杰：國內(nèi)的光子器件與集成企業(yè)應(yīng)該把握現(xiàn)在科研產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)化的良好機(jī)遇，為產(chǎn)業(yè)升級做準(zhǔn)備。

　　首先，應(yīng)加強(qiáng)與高校和科研院所的密切聯(lián)系和合作。高校和科研院所進(jìn)行的科研領(lǐng)先于企業(yè)發(fā)展，通常是國際上最先進(jìn)最前沿的技術(shù)，企業(yè)應(yīng)加強(qiáng)溝通，尋找適合自己未來產(chǎn)業(yè)升級的技術(shù)，加強(qiáng)研發(fā)投入，使實驗室技術(shù)盡快孵化為可實用的創(chuàng)新產(chǎn)品。

　　其次，需大力吸納優(yōu)秀科研人員，為產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型和新技術(shù)開發(fā)儲備人才。光子器件科研產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)化除了需要高校和科研院配合和扶持外，企業(yè)本身也需要專職人才隊伍，吸收最新科研成果，保證產(chǎn)品的技術(shù)含量。

　　最后，應(yīng)從產(chǎn)品收益中分配固定經(jīng)費(fèi)用于新科技產(chǎn)品的培育，做到產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新的可持續(xù)性發(fā)展。