電子發(fā)燒友網報道（文/李寧遠）光子芯片，近年來受到了越來越多關注，這也是隨著人工智能應用快速的發(fā)展，算力的暴增急需高效能的互聯(lián)技術來應對，傳統(tǒng)的電子芯片在應用端出現了越來越多的制約，限制了向更高數據速率發(fā)展。

隨著算力需求的繼續(xù)增長，電信號在傳輸損耗、功耗等方面會進一步受到制約。硅光子技術是各國都在大力研發(fā)的賽道，更大容量、更高速率、更高集成度的光芯片解決方案，能將芯片發(fā)展帶入下一個發(fā)展階段。

近日，北京大學物理學院現代光學研究所“極端光學創(chuàng)新研究團隊”與合作者提出并實現了一種基于大規(guī)模集成光學的完全可編程拓撲光子芯片。相關研究成果以“可編程拓撲光子芯片”為題，發(fā)表于《Nature Materials》期刊。

該芯片在光學性能上達到了新高度，對未來的光通信、光計算等領域的發(fā)展有著重大的意義，其巨大的潛力為未來的光芯片應用提供了廣闊的空間。

通用拓撲光子芯片快速編程實現更多功能

集成拓撲光子學、集成量子光學等研究課題，一直是國家先進光子集成領域的重要方向。拓撲光子學在光通信、光場維度調控、光子集成芯片以及光量子計算等研究領域具有廣闊的科學研究意義和應用潛力。

極端光學創(chuàng)新研究團隊通過在硅芯片上大規(guī)模集成可重構的光學微環(huán)腔陣列，在11mm×7mm內單片集成了2712個元件，首次實現了一種任意可編程的光學人造原子晶格，并且可以獨立且精確調控每個人工原子及原子－原子間耦合，進而在單一芯片上驗證了包括一系列拓撲光子實驗在內的研究。

根據《Nature》上的介紹，研究團隊通過控制光的拓撲相位開發(fā)了強大的光子器件，并在單一芯片上使用拓撲光子器件進行更復雜的控制實現了高水平的可編程性。這種完全可編程的拓撲光子芯片，大規(guī)模集成了硅光子納米波導電路和微環(huán)諧振器，并使用CMOS工藝制造。

在該通用芯片上對人造原子進行單獨編程，可以對整芯片快速重新編程實現多功能。該工作成果拓寬了拓撲光子學邊界，使光子芯片首次具備了強可重構與可編程性，為發(fā)展拓撲光子技術提供了一種全新途徑。

在通信互連、光信息處理以及量子信息處理上，完全可編程拓撲光子芯片帶來極大的應用潛力。如在光通信互聯(lián)上，和與傳統(tǒng)的線性光學結構不同，傳統(tǒng)的線性光電路只允許經典的正向操作，而該芯片在大規(guī)模光學諧振中具有獨特的反向操作，可替代傳統(tǒng)光通信，提升攜帶數據的效率，在光通信領域用來構造超穩(wěn)定的光學傳輸系統(tǒng)。

該集成拓撲光子芯片被論文評審團評價為，“是領域內重大的技術突破，代表了最前沿的研究成果，也是迄今為止最為全面全能的可編程拓撲光子器件”。

研究團隊則表示以大規(guī)模硅基集成光子技術為基礎，結合先進的異質異構集成和光電共封裝技術，是拓撲光子學重要的發(fā)展方向，該團隊后期將重點研究可相互作用的光學拓撲量子芯片。

被寄予厚望的光子芯片，可重構可編程特性再添助力

光子芯片中不論是硅光芯片還是光量子芯片，雖然目前硅光芯片成熟度更高一些，但二者都是芯片技術發(fā)展下一階段中的重要方向，這一點已經得到了國內外的一致認可。國內外產業(yè)鏈上下游在光子芯片細分的材料、封裝等賽道上都在為率先突圍探索出可行路徑。

光子芯片領域國內不久前就有諸多突破性進展，如國家信息光電子創(chuàng)新中心和鵬城實驗室的光電融合聯(lián)合團隊在硅光互連芯粒上的突破，充分利用了硅光與CMOS封裝工藝兼容的特點，攻克了硅基光電三維堆疊封裝工藝技術，構建3D芯粒解決了電芯片與光芯片間高密度、高帶寬電互聯(lián)的困難，顯著降低射頻信號在光電芯片互連過程中的嚴重衰減，實現了單片單向互連帶寬2Tb/s的超高性能。

中科院上海微系統(tǒng)所團隊則是在鉭酸鋰異質集成晶圓LTOI高性能光子芯片制備領域取得突破性進展，實現了可批量制造的鉭酸鋰集成光子芯片，助力了光子芯片的低成本和規(guī)?；圃欤尮庾?a target="_blank">集成電路有機會在單個芯片上結合更多光學器件和功能。

北大現代光學研究所基于大規(guī)模集成光學的完全可編程拓撲光子芯片，建立了拓撲光子學前沿研究與硅基光子學成熟工藝的橋梁，為促進拓撲光子學物理概念向光子芯片器件應用的轉化提供了實例，對未來的光通信、光計算等領域的發(fā)展有著重大的意義。

尤其是其可重構可編程性，對光子器件更是意義重大，可重構可編程拓撲光子學物理概念向光子芯片器件應用轉化，將賦予光子器件更多功能。目前光子器件、芯片的開發(fā)不僅復雜、緩慢而且成本高昂，可重構可編程特性的引入將大幅提高靈活性，并提高其使用的可持續(xù)性以及多樣性。

對于光量子計算，可重構可編程特性更是不可或缺，這將改變現在固定光路的光量子計算方式，使光路的重新配置成為可能，在數字電子技術面臨更大局限的未來，可編程特性將支持進行寬帶低損耗的光計算和量子信息處理，更通用的光量子計算也將以該特性為基礎建立。因此北大現代光學研究所也表示后續(xù)會以光學量子芯片為主要研究方向。

除了這些國內研究機構，國內芯片產業(yè)鏈上的廠商也對光子芯片這一賽道寄予厚望。從華為海思、長光華芯到華工科技、中際旭創(chuàng)、仕佳光子等等產業(yè)鏈上的廠商都在積極推進光芯片發(fā)展。

除了光芯片是替代電子芯片的大趨勢外，光子芯片更看重外延設計與制備環(huán)節(jié)不依賴先進工藝也是重要原因。根據《光子時代：光子產業(yè)發(fā)展白皮書》數據，我國光子產業(yè)發(fā)展水平與世界處于并跑階段，在光子基礎理論研究和技術發(fā)展方面具有一定的優(yōu)勢。光子芯片是國產芯片突破的重要方向。

小結

光子芯片是半導體行業(yè)的革新，是后摩爾時代的新賽道。即便目前光子芯片產業(yè)發(fā)展尚未成熟，但是眾多科研機構與行業(yè)廠商持續(xù)地耕耘突破，正在拉開國產光子芯片時代的帷幕。