Интервью с Чжан Сяогуаном из Пекинского университета почты и телекоммуникаций: тяжелое положение и будущее фотонных чипов

В последние годы, в связи с быстрым ростом глобального трафика, сценарии применения Интернета, искусственного интеллекта и облачных вычислений продолжают расширяться, поскольку фотонные чипы, являясь одной из будущих тенденций в области высокоскоростной связи, также открыли золотой период развития. Как и ее «предшественник», оптическая схема также находится в процессе миниатюризации, снижения мощности и снижения затрат, что требует интеграции, появился интегрированный оптический чип (PIC) и стал важной частью современной индустрии связи. нельзя игнорировать. Чтобы дополнительно прояснить затруднительное положение и будущее интегрированной технологии, Википедия провела личный разговор с профессором Чжан Сяогуаном из Школы электронной инженерии Пекинского университета почты и телекоммуникаций (BUPT), обсудив прошлое и настоящее. жизнь фотонных чипов.
В начале разговора профессор Чжан Сяогуан сразу перешел к делу: «Технология интеграции чипов сейчас очень развита и широко используется в различных электронных устройствах, таких как сотовые телефоны, компьютеры, устройства для умного дома и т. д. все они используют технологию интеграции чипов. Однако в китайской технологии интеграции чипов все еще есть недостатки, и интегрированные оптические чипы являются одной из трудностей».

Интегрированный оптический чип — это функциональная схема, образованная микрочипом, содержащим два или более фотонных компонента, отсюда и название «фотонный чип». Фотонный чип обладает преимуществами высокоскоростного параллелизма и низкого энергопотребления, а его скорость вычислений и скорость передачи данных в тысячу раз выше, чем у электронных чипов, в то время как его энергопотребление составляет всего одну девяносто тысячную от энергопотребления электронных чипов, и его структурные требования также ниже, как правило, на уровне сотен нанометров, что снижает зависимость от передовых процессов, и он считается наиболее подходящей базовой технологией для решения узких мест в развитии арифметических способностей.
С точки зрения принципа работы фотонные чипы используют фотоны для передачи, восприятия, обработки и доставки информации. Волноводы используются для управления и направления света, а благодаря полному внутреннему отражению фотонные чипы сравнимы с проводами, используемыми для передачи электрических сигналов. Лазерный источник обеспечивает свет, необходимый для управления компонентами, подобно переключателю в электрической цепи. Благодаря волноводным соединениям несколько компонентов могут быть интегрированы и изготовлены на одной подложке, создавая надежные и миниатюрные решения. Компоненты фотонных схем могут быть пассивными и активными: пассивные компоненты включают переключатели и мультиплексоры, а активные компоненты включают детекторы и лазеры.
По сравнению с электронными чипами, сложность интеграции фотонных чипов в основном связана с их дискретной природой. С производственной точки зрения производство фотонных интегрированных чипов — дело непростое. Фотонные устройства имеют трехмерную структуру, гораздо более сложную, чем двумерная структура полупроводниковой интеграции. Для интеграции в чип лазеров, детекторов, модуляторов и других устройств необходимо многократно наносить и травить на несколько тонкопленочных диэлектрических слоев различные материалы, например фосфид индия, что очень требовательно к оборудованию и технологическим требованиям.
«Однако я по-прежнему уверен, что смогу преодолеть эти трудности внутри страны». Профессор Чжан Сяогуан сказал: «В отрасли уже существует тенденция к интеграции на основе кремния, поскольку этот вид системной интеграции уже относительно зрел, а отечественные исследования кремниевых оптических чипов в основном синхронизированы с мировыми. Но как это сделать? использовать кремний в качестве подложки оптических компонентов и реализовать технологию массового производства, внутри все еще остается много трудностей, и теперь некоторые устройства, которые работают лучше в нашем экспериментальном процессе, все еще должны полагаться на импорт».
По мнению профессора Чжан Сяогуана, международная индустрия микросхем развивалась десятилетиями. Европа, США, Япония и другие страны в индустрии оптических чипов начали раньше, ведущие технологии. В Соединенных Штатах уже давно создан «Национальный институт фотонных интегрированных производственных инноваций», чтобы создать платформу для разработки и подготовки фотонных интегрированных устройств; Европейский Союз реализует программу «Горизонт 2020», уделяя особое внимание развертыванию исследовательских проектов в области оптоэлектронной интеграции; Япония для реализации «Программы перспективных исследований и разработок», «Программы перспективных исследований и разработок». Реализация Японии «Программы перспективных исследований и разработок», развертывание проектов разработки технологий оптоэлектронных термоядерных систем. Зарубежные компании, производящие оптические чипы, имеют преимущество первопроходца за счет накопления основных технологий и производственных процессов и постепенно реализуют замкнутый цикл отрасли, создавая высокие отраслевые барьеры.
Отечественные производители оптических чипов, как правило, имеют возможности внутренней обработки в дополнение к эпитаксии пластин, эпитаксиальная технология ядра оптического чипа не является зрелой, высококачественная эпитаксиальная пластина для международных закупок эпитаксиальных заводов, что ограничивает разработку высококачественных оптических чипов. Лазерный чип, например, Китай может масштабировать массовое производство 10G и следующих лазерных чипов с низкой и средней скоростью, но лазерный чип 25G только у небольшого количества поставщиков, которые реализуют пакетную поставку, лазерный чип 25G или более скорости, большинство поставщиков все еще находится на стадии исследований и разработок или мелкосерийного пробного производства.
Во время предыдущего позднего запуска отечественных технологий исследования по интеграции отечественных чипов больше стоят на высоте готовых результатов исследований зарубежных стран по развитию и инновациям, с изменениями в международной форме отечественного высокого уровня. Технологическая индустрия в области технологий получает все больше и больше ограничений, но также заставляет все больше людей осознавать важность технологической самостоятельности. Китай запустил «крупномасштабный фотонный интегрированный чип» еще в 2016 году, стратегические пилотные научные и технологические специальные проекты Китайской академии наук, способствующие энергичному развитию отечественных независимых инноваций.
«Однако самое главное для достижения страной настоящего промышленного прорыва — это построение системы, — подчеркнул в конце беседы профессор Чжан Сяогуан, — с точки зрения фактического производства, наиболее важным Шагом к достижению самообеспеченности является создание общей промышленной системы, в частности, формирование полного набора технологических процессов, если принцип можно понять в первую очередь, то необходимо создать систему. принцип дела все может пройти, поскольку незрелый процесс не может гарантировать выход продукта, независимые инновации все еще остаются только на бумаге».