在当前错综复杂的国际环境下,科技自主创新已成为中国维护国家安全和发展利益的战略选择。而在科技创新的各个领域中,半导体芯片无疑是重中之重。近日,中国科研人员在光学芯片制造技术领域取得重大突破,成功研发出一种低成本、高性能的光学芯片量产新方法,这无疑将进一步增强大陆芯片产业的自主创新实力,助力半导体产业的自主可控发展之路。
需求旺盛催生技术创新
所谓光学芯片,是指利用光信号而非传统电信号来传输和处理数据信息的一种全新芯片类型。与传统电子芯片相比,光学芯片在信号传输速率、抗干扰能力等方面具有独特优势,被视为是继电子芯片之后的"下一代芯片"。
由于具备上述优势,光学芯片在通信、计算、遥感等多个领域都有着广阔的应用前景,市场需求旺盛。以通信领域为例,在5G和未来6G时代,视频通讯、超高清图像传输等新兴应用对网络带宽提出了更高要求,光纤网络和光互连技术必将大行其道,从而催生了对光学芯片的巨大需求。
而在计算领域,随着人工智能、大数据等新兴技术的发展,传统电子芯片在运算速度和能效方面也面临严峻挑战,发展新型光子计算芯片以突破瓶颈已成为攻关重点。除此之外,在激光雷达、精密测量等光学系统领域,高性能光学芯片同样扮演着不可或缺的作用。
但令人遗憾的是,由于相关基础理论和制造工艺的制约,长期以来光学芯片一直被视为是"卡脖子"技术,制约了大陆芯片产业的整体发展进程。面对迫切需求,中国科研人员在光学芯片领域攻坚克难、自主创新,最终取得了这一技术重大突破。
钽酸锂开辟光子芯片新路径
这项光学芯片制造技术新突破,关键在于利用了一种名为钽酸锂(LiTaO3)的新型光子材料。钽酸锂是一种无机非线性光学晶体材料,具有优良的光学性能、热稳定性和电光性能,被广泛应用于光电器件、精密测量仪器等领域。
从理论上讲,钽酸锂完全可以成为制造光学芯片的优质材料。但传统工艺对钽酸锂晶体的生长条件要求非常苛刻,导致无法实现批量低成本生产。如果将钽酸锂材料应用于光学芯片制造,将彻底解决生产成本高昂的难题。
经过多年努力,中国科研团队终于突破了这一瓶颈制约,研发出一种全新的钽酸锂平片技术。与传统晶体生长技术不同,该技术采用了类似硅片拉制的原理和工艺,可以批量化、低成本地制造出钽酸锂光波导平片,从而为光学芯片生产提供了坚实的材料基础。
与此同时,科研人员还创新性地将钽酸锂与硅基光子集成技术相结合,研发出新型钽酸锂-硅光子集成芯片。该芯片不仅具备钽酸锂优异的光学性能,还可以与现有硅基芯片工艺和器件有效对接,降低了技术迁移和产业化的门槛,实现了光电集成的高度融合。
业内专家表示,这种基于钽酸锂的全新光学芯片技术路线,可以从根本上解决目前规模化生产的材料和工艺障碍。可以预见,未来基于钽酸锂的集成光路芯片将在超高速光互连网络、精密测量和光子计算等领域大显身手。
完善自主可控产业链条
光学芯片制造技术的突破,将极大提升大陆在光子集成电路和芯片领域的自主创新能力,为构建完整的自主可控半导体产业链增添重要的一环。
事实上,近年来中国在集成电路、半导体等核心技术领域展现出了坚定的自立自强决心。在芯片制造环节,中芯国际、长江存储等国产厂商的先进制程能力持续突破;在芯片设计方面,instrinsic、紫光展锐等本土企业也取得长足进展;产业链上游的关键材料和设备领域虽然仍存在短板,但已开始向自主可控迈进。
而光学芯片技术的重大突破,将使得大陆在高端芯片自主可控方面更加全面系统。传统上,光子集成电路一直被视为芯片技术的新赛道。攻克了光学芯片量产的"卡脖子"难题,就为这个新赛道的产业化和规模应用扫清了障碍,与之前在存储芯片、射频芯片等领域的进展形成良好互补。
对于整个芯片产业链来说,这一突破无疑将产生连锁推动作用。上游钽酸锂片材料的规模化生产,将催生新的钽酸锂制备设备和工艺的开发;中游光电集成制造环节,需要与现有硅基生产线进行融合,对原有工艺和设备都提出了新的要求;下游终端产品方面,也将衍生出大量新兴应用场景。
值得注意的是,与此同时国内还在光子集成电路设计工具软件、芯片封装测试等其他环节加大了投入和部署。因此,一个从材料、设备、制造到设计、封测全流程覆盖的光子集成电路产业链正在全面形成。相比单一环节,环环相扣的完整产业链能更好保障产品质量和供给,避免"卡脖子"风险。
进一步来看,光学芯片产业链的成形对于带动其他半导体产业链条也将产生溢出效应。一是先进制造工艺和设备的技术成果可以复用于其他芯片领域;二是光子集成电路与当前的电子芯片产品形成互补,有助于构建出更为先进和高性能的异构系统;三是光电耦合产品将催生全新的应用场景和需求,推动整个半导体产业向纵深发展。
因此,我们可以预见,在光学芯片产业链的建设和完善过程中,中国半导体产业的整体实力也必将持续增强,自主可控水平不断提高,正朝着 构建本土完整生态体系的战略目标稳步迈进。
产业应用潜力可期
当前,工程化产品研发已是中国科技人员的重点工作,光学芯片也正进入从原理性突破向应用产品开发转换的关键阶段。基于钽酸锂材料的各项光子集成电路核心器件都在同步开发和测试,如窄线宽波导、高速光电探测器、新型硅光耦合器等。
与此同时,面向下一代数据中心、云计算的超高速光互连集成芯片,面向先进激光雷达的硅基导光设计,面向车规级应用的抗辐射光电路等,一系列前沿应用场景集成芯片的研发工作也已全面展开。
这些系统级芯片产品在未来将广泛应用于5G/6G通信、精密制导、人工智能芯片等领域,拥有巨大的市场前景。以5G/6G通信场景为例,光纤宽带接入技术愈发成为主流,而光学芯片的引入不仅可以提供极高的传输带宽,还可大幅降低系统功耗。这将为千兆乃至万兆无线宽带应用铺平道路。
在精密制导领域,钽酸锂光学芯片的低损耗和超宽带特性可应用于新型激光雷达系统, 为自动驾驶汽车、机载制导等提供高精度的目标探测和测距能力。而在AI芯片方面,光子集成电路的并行计算优势可帮助打破传统芯片的算力上限,释放算力潜能。这些都将成为光学芯片在未来的主要应用领域。