国内可编程拓扑光子芯片达新高度，加速布局光子芯片时代

电子发烧友网报道（文/李宁远）光子芯片，近年来受到了越来越多关注，这也是随着人工智能应用快速的发展，算力的暴增急需高效能的互联技术来应对，传统的电子芯片在应用端出现了越来越多的制约，限制了向更高数据速率发展。
 
随着算力需求的继续增长，电信号在传输损耗、功耗等方面会进一步受到制约。硅光子技术是各国都在大力研发的赛道，更大容量、更高速率、更高集成度的光芯片解决方案，能将芯片发展带入下一个发展阶段。
 
近日，北京大学物理学院现代光学研究所“极端光学创新研究团队”与合作者提出并实现了一种基于大规模集成光学的完全可编程拓扑光子芯片。相关研究成果以“可编程拓扑光子芯片”为题，发表于《Nature Materials》期刊。
 
该芯片在光学性能上达到了新高度，对未来的光通信、光计算等领域的发展有着重大的意义，其巨大的潜力为未来的光芯片应用提供了广阔的空间。
 
通用拓扑光子芯片快速编程实现更多功能
 
集成拓扑光子学、集成量子光学等研究课题，一直是国家先进光子集成领域的重要方向。拓扑光子学在光通信、光场维度调控、光子集成芯片以及光量子计算等研究领域具有广阔的科学研究意义和应用潜力。
 
极端光学创新研究团队通过在硅芯片上大规模集成可重构的光学微环腔阵列，在11mm×7mm内单片集成了2712个元件，首次实现了一种任意可编程的光学人造原子晶格，并且可以独立且精确调控每个人工原子及原子－原子间耦合，进而在单一芯片上验证了包括一系列拓扑光子实验在内的研究。
 
根据《Nature》上的介绍，研究团队通过控制光的拓扑相位开发了强大的光子器件，并在单一芯片上使用拓扑光子器件进行更复杂的控制实现了高水平的可编程性。这种完全可编程的拓扑光子芯片，大规模集成了硅光子纳米波导电路和微环谐振器，并使用CMOS工艺制造。
  
在该通用芯片上对人造原子进行单独编程，可以对整芯片快速重新编程实现多功能。该工作成果拓宽了拓扑光子学边界，使光子芯片首次具备了强可重构与可编程性，为发展拓扑光子技术提供了一种全新途径。
 
在通信互连、光信息处理以及量子信息处理上，完全可编程拓扑光子芯片带来极大的应用潜力。如在光通信互联上，和与传统的线性光学结构不同，传统的线性光电路只允许经典的正向操作，而该芯片在大规模光学谐振中具有独特的反向操作，可替代传统光通信，提升携带数据的效率，在光通信领域用来构造超稳定的光学传输系统。
 
该集成拓扑光子芯片被论文评审团评价为，“是领域内重大的技术突破，代表了最前沿的研究成果，也是迄今为止最为全面全能的可编程拓扑光子器件”。
 
研究团队则表示以大规模硅基集成光子技术为基础，结合先进的异质异构集成和光电共封装技术，是拓扑光子学重要的发展方向，该团队后期将重点研究可相互作用的光学拓扑量子芯片。
 
被寄予厚望的光子芯片，可重构可编程特性再添助力
 
光子芯片中不论是硅光芯片还是光量子芯片，虽然目前硅光芯片成熟度更高一些，但二者都是芯片技术发展下一阶段中的重要方向，这一点已经得到了国内外的一致认可。国内外产业链上下游在光子芯片细分的材料、封装等赛道上都在为率先突围探索出可行路径。
 
光子芯片领域国内不久前就有诸多突破性进展，如国家信息光电子创新中心和鹏城实验室的光电融合联合团队在硅光互连芯粒上的突破，充分利用了硅光与CMOS封装工艺兼容的特点，攻克了硅基光电三维堆叠封装工艺技术，构建3D芯粒解决了电芯片与光芯片间高密度、高带宽电互联的困难，显著降低射频信号在光电芯片互连过程中的严重衰减，实现了单片单向互连带宽2Tb/s的超高性能。
 
中科院上海微系统所团队则是在钽酸锂异质集成晶圆LTOI高性能光子芯片制备领域取得突破性进展，实现了可批量制造的钽酸锂集成光子芯片，助力了光子芯片的低成本和规模化制造，让光子集成电路有机会在单个芯片上结合更多光学器件和功能。
 
北大现代光学研究所基于大规模集成光学的完全可编程拓扑光子芯片，建立了拓扑光子学前沿研究与硅基光子学成熟工艺的桥梁，为促进拓扑光子学物理概念向光子芯片器件应用的转化提供了实例，对未来的光通信、光计算等领域的发展有着重大的意义。
 
尤其是其可重构可编程性，对光子器件更是意义重大，可重构可编程拓扑光子学物理概念向光子芯片器件应用转化，将赋予光子器件更多功能。目前光子器件、芯片的开发不仅复杂、缓慢而且成本高昂，可重构可编程特性的引入将大幅提高灵活性，并提高其使用的可持续性以及多样性。
 
对于光量子计算，可重构可编程特性更是不可或缺，这将改变现在固定光路的光量子计算方式，使光路的重新配置成为可能，在数字电子技术面临更大局限的未来，可编程特性将支持进行宽带低损耗的光计算和量子信息处理，更通用的光量子计算也将以该特性为基础建立。因此北大现代光学研究所也表示后续会以光学量子芯片为主要研究方向。
 
除了这些国内研究机构，国内芯片产业链上的厂商也对光子芯片这一赛道寄予厚望。从华为海思、长光华芯到华工科技、中际旭创、仕佳光子等等产业链上的厂商都在积极推进光芯片发展。
 
除了光芯片是替代电子芯片的大趋势外，光子芯片更看重外延设计与制备环节不依赖先进工艺也是重要原因。根据《光子时代：光子产业发展白皮书》数据，我国光子产业发展水平与世界处于并跑阶段，在光子基础理论研究和技术发展方面具有一定的优势。光子芯片是国产芯片突破的重要方向。
 
小结
 
光子芯片是半导体行业的革新，是后摩尔时代的新赛道。即便目前光子芯片产业发展尚未成熟，但是众多科研机构与行业厂商持续地耕耘突破，正在拉开国产光子芯片时代的帷幕。