新突破！中国成功开发光子芯片新材料

戍天九思原创第728期

最近，笔者又看到一条振奋人心的消息。据5月9日《科技日报》报道，近日，中国科学院上海微系统与信息技术研究所科研团队在钽酸锂异质集成晶圆及高性能光子芯片领域取得突破性进展，成功开发出可批量制造的新型“光学硅”芯片。相关研究成果8日在线发表于《自然》杂志。

▲中国科学院上海微系统与信息技术研究所发布

中国新开发的钽酸锂比传统铌酸锂更适合制作光子芯片

此前，铌酸锂俗有“光学硅”之称，是制作光子芯片的主要材料，也是突破“后摩尔时代”算力瓶颈的希望所在。

论文共同通讯作者、中国科学院上海微系统所研究员欧欣说：“与铌酸锂类似，钽酸锂也可以被称为‘光学硅’，我们与合作者研究证明，单晶钽酸锂薄膜同样具有优异的电光转换特性，甚至在某些方面比铌酸锂更具优势。”，更重要的是，硅基钽酸锂异质晶圆的制备工艺与绝缘体上硅晶圆制备工艺更加接近，因此钽酸锂薄膜可实现低成本和规模化制造，具有极高的应用价值。

　　此次，科研团队采用基于“万能离子刀”的异质集成技术，通过离子注入结合晶圆键合的方法，制备了高质量硅基钽酸锂单晶薄膜异质晶圆。同时，与合作团队联合开发了超低损耗钽酸锂光子器件微纳加工方法，成功制备出钽酸锂光子芯片。

　　欧欣表示，钽酸锂光子芯片展现出极低光学损耗、高效电光转换等特性，有望为突破通信领域速度、功耗、频率和带宽四大瓶颈问题提供解决方案，并在低温量子、光计算、光通信等领域催生革命性技术。

中国光子芯片研发后发优势明显

美国是光子芯片研发起步最早也是发展最好的国家，早在1991年美国便成立了“美国光电子产业振兴会”，中国2010年才开始入局光子芯片赛道。目前，全球光子芯片产业链已逐渐成熟，美国、中国和日本的市场份额分别为45%、40%和8%。其中，中国主要占据中低端光电芯片市场，全球10大光电芯片中国占5个。如2023年5月美国发射的美洲星3号卫星带宽容量高达1000Gbps，2023年2月中国发射的中星26号卫星带宽容量只有100Gbps。但是，中国光子芯片研发后发优势明显，今年来更是捷报频传。

★据2月20日中国光谷报道，全球首片8寸硅光薄膜铌酸锂光电集成晶圆已在武汉九峰山实验室下线。目前，全球铌酸锂芯片研发主要集中在3英寸、4英寸、6英寸晶圆上，武汉这次突破8英寸晶圆是一个了不起的开始。

★据3月1日《中国科学报》报道，香港城市大学副教授王骋团队与香港中文大学研究人员合作，开发出新一代铌酸锂光子芯片，不仅速度比传统电子处理器快1000倍，能够实现67GHz的超宽带宽处理和96.6%的高精度计算，而且能耗更低。相关研究成果2月29日发表于《自然》。

▲集成微波光子处理芯片效果图

★据4月12日《新华财经》报道，4月11日，由南京大学祝世宁院士团队领衔的南智先进光电集成技术研究院铌酸锂光子芯片产线启动仪式在江北新区举行。该产线配备3.5亿元规模设备、5000平方米超净间，工艺覆盖整个产业链的核心环节，月产能可达1000片晶圆。

★据4月12日新华社报道，针对大规模光电智能计算难题，清华大学电子工程系副教授方璐课题组、自动化系戴琼海院士课题组，首创分布式广度光计算架构，研制大规模干涉-衍射异构集成芯片太极，实现160 TOPS/W的通用智能计算，为高性能算力探索新灵感、新架构、新路径。相关科研成果发表于最新一期的国际期刊《科学》。

总之，中美两国均展现出了显著的进展和竞争态势。中国在材料科学和量产能力上领先，美国则在基础研究和特定应用上具有优势。

光子芯片何时会取代硅基芯片？

据专家预测，光子芯片要完全取代硅基芯片可能需要10年左右。但是，在美国对华芯片战的大背景下，中国光子芯片研发和普及速度可能会更快。目前，光子芯片研发仍面临一些挑战。

首先，光子芯片尺寸还不够小，这使得它在某些需要高度集成的应用场景中并不适用。此外，光子芯片和电子芯片的混合集成技术还不够成熟，这也限制了其在实际应用中的广泛推广。

其次，光子芯片制造成本相对较高，这在一定程度上影响了其市场竞争力。虽然随着技术的进步和产量的增加，制造成本可能会逐渐降低，但目前在成本方面仍然无法与硅基芯片相媲美。

再次，光子芯片在整体性能上仍无法替代硅基芯片。硅基芯片在逻辑运算、存储和信号处理等方面具有强大的能力，这使得它在许多应用场景中仍然占据主导地位。虽然光子芯片在某些方面具有优势，但在整体性能上目前仍然无法完全替代硅基芯片。

笔者认为，今年清华大学发明的太极芯片新架构和中科院上海分院开发的钽酸锂芯片新材料，为中国光子芯片发展提供了新途径新可能，也将大大加速中国光子芯片取代硅基芯片的步伐，甚至实现芯片赛道换道超车。