國家信息光電子創(chuàng )新中心牽頭完成的《硅基光電子集成技術(shù)前沿報告》在CICC 2020成功發(fā)布

  12月5日，由中國通信學(xué)會(huì )光通信委員會(huì )組織編審、國家信息光電子創(chuàng )新中心牽頭完成的《硅基光電子集成技術(shù)前沿報告》，在四川成都舉行的“2020中國信息通信大會(huì )”上正式發(fā)布，獲得熱烈反響。

  信息光電子芯片作為通信系統的“心臟”，是信息通信的核心和基石。硅基光電子集成技術(shù)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)：硅光技術(shù))是信息光電子領(lǐng)域光電子和微電子融合的新興技術(shù)，其基于硅材料并借鑒大規模集成電路工藝中已成熟的CMOS工藝進(jìn)行光器件制造，同時(shí)具有低成本、低功耗、微小尺寸和“與集成電路工藝一體化”等優(yōu)勢。建立健全硅光產(chǎn)業(yè)鏈，是我國占據全球信息通信價(jià)值鏈尖端的“關(guān)鍵一招”，能有效提升我國信息光電子制造能力，對緩解我國信息通信高端光電子芯片“卡脖子”困境、推動(dòng)“數字中國”和“兩個(gè)強國”建設等都具有重要意義。

  在此背景下，中國通信學(xué)會(huì )聯(lián)合國家信息光電子創(chuàng )新中心，由學(xué)會(huì )副理事長(cháng)余少華院士牽頭編寫(xiě)“硅光技術(shù)能否促成光電子和微電子融合?”成功入選2020年中國科協(xié)十大工程技術(shù)難題。8月15日，中國科協(xié)在“第二十二屆”中國科協(xié)年會(huì )閉幕式上正式全球發(fā)布。

  鑒于國家部委領(lǐng)導、業(yè)內技術(shù)專(zhuān)家等都非常關(guān)心硅光技術(shù)現狀、難點(diǎn)和未來(lái)發(fā)展，中國通信學(xué)會(huì )聯(lián)合國家信息光電子創(chuàng )新中心等單位組織專(zhuān)家進(jìn)行研討，并凝練形成“2020硅基光電子集成技術(shù)前沿報告”一份。該報告系統地介紹了硅光技術(shù)誕生背景、技術(shù)定義與特點(diǎn)、國內外發(fā)展現狀等幾方面情況，在此基礎上針對微電子與光電子融合技術(shù)難題和挑戰，提出了硅光芯片技術(shù)發(fā)展趨勢預測和相關(guān)政策建議。

  新聞背景

  全球硅光技術(shù)和產(chǎn)業(yè)得益于大容量數據通信場(chǎng)景日益增加以及新需求、新應用不斷涌現，經(jīng)過(guò)20余年快速發(fā)展，已逐漸從學(xué)術(shù)研究驅動(dòng)轉變?yōu)槭袌?chǎng)需求驅動(dòng)。同時(shí)，硅光芯片前所未有的光電融合能力，給未來(lái)芯片性能的飛躍帶來(lái)無(wú)限的可能性。

  在信息通信領(lǐng)域，已基本建立了面向數據中心、光纖傳輸、5G承載網(wǎng)、光接入等市場(chǎng)的一系列硅光產(chǎn)品解決方案。根據行業(yè)調查機構的預測，2020年硅光模塊市場(chǎng)將達到7.4億美元，預計至2024年僅100G-400G硅光模塊市場(chǎng)容量即可達到55億美元，在整個(gè)光通信模塊市場(chǎng)占比達到1/3以上。

  在量子領(lǐng)域，研究人員通過(guò)在硅光芯片上集成數百個(gè)光量子器件已研制出集成度最復雜的光量子芯片，實(shí)現了高維度、高精度、高穩定性和可編程的量子糾纏、量子操控、量子傳輸和量子測量。

  在傳感領(lǐng)域，MIT、Voyant Photonics等多個(gè)團隊推出基于硅基光學(xué)相控陣(OPA)芯片的全固態(tài)激光雷達(LiDAR)，具有集成度高、掃描速度快、體積小、成本低等優(yōu)勢，可以用作無(wú)人駕駛、無(wú)人機及機器人的“眼睛”，成為下一代激光雷達的重要革新。

  在人工智能(AI)領(lǐng)域，AI處理器芯片需進(jìn)行的高通量、大規模矩陣運算可由硅光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )運算單元來(lái)完成，研究顯示光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )芯片比傳統電子計算機有兩個(gè)數量級速度提升，且功耗降低達三個(gè)數量級。

  在新型微處理器領(lǐng)域，美國Intel、Ayar Labs、GlobalFoundries等國外研發(fā)機構正在致力于實(shí)現硅光芯片與高性能微電子芯片的融合，并已驗證了集成硅光I/O芯片的新一代FPGA、CPU和ASIC芯片，預計可將處理下的吞吐速率提升100倍，同時(shí)能耗降低至1/10，為“超越摩爾”開(kāi)辟了新路徑。

  “十三五”期間，我國硅光產(chǎn)業(yè)鏈不斷完善、基礎研究不斷取得突破、技術(shù)標準相繼形成、產(chǎn)品解決方案日趨完善。技術(shù)研發(fā)方面，通過(guò)各類(lèi)國家計劃(973、863、NSFC 等)累計投入幾十億元，十三五也啟動(dòng)了“光電子與微電子器件與集成”重點(diǎn)專(zhuān)項。其中很多項目圍繞持硅基光電子方面支持，國內單位在硅基激光器/調制器/探測器等高性能單元器件、硅光片上復用技術(shù)、硅光量子芯片、硅光芯片傳輸功能研究和系統應用驗證等核心技術(shù)方面取得重要進(jìn)展，部分硅光技術(shù)基礎研究也已接近國際一流水平;產(chǎn)業(yè)化應用方面，國內企業(yè)已建立了用于數據中心、光纖傳輸、5G承載網(wǎng)、光接入等場(chǎng)景的一系列硅光產(chǎn)品解決方案，部分關(guān)鍵產(chǎn)品已基于自主研發(fā)實(shí)現了產(chǎn)業(yè)化突破。以國家信息光電子創(chuàng )新中心為例，近年來(lái)多次在硅光技術(shù)上取得突破。2018年，創(chuàng )新中心正式投產(chǎn)我國首款100Gb/s硅光芯片，標志著(zhù)國內硅光芯片規模產(chǎn)業(yè)化“從零到一”突破。2019年，中國信科集團聯(lián)合創(chuàng )新中心，基于自主硅光芯片和特種光纖完成我國首個(gè)Pb/s光傳輸系統實(shí)驗。2020年，創(chuàng )新中心成功研制出首款800G硅光發(fā)射機樣機，為未來(lái)數據中心光模塊提供解決方案。目前，華為、阿里巴巴、海信、亨通Rockley、賽勒光電等國內企業(yè)也相繼展示自主研制的硅光產(chǎn)品。在硅光芯片制造方面，重慶聯(lián)合微電子、中科院微電子所、上海微技術(shù)工業(yè)研究院等單位正在致力于8英寸硅光工藝線(xiàn)的建設。以上進(jìn)展標志著(zhù)我國已基本構建起從設計仿真、芯片制造、封裝測試到系統應用的硅光技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈條。