<p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><b style="font-size:22px;"> 代 序</b></p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><b style="font-size:22px;"> 光子芯片已量产</b></p><p class="ql-block"><b style="font-size:22px;"> 无意劲打老美脸</b></p><p class="ql-block"><b style="font-size:22px;"> 科学技术日日新</b></p><p class="ql-block"><b style="font-size:22px;"> 巨龙腾飞翔蓝天</b></p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><b style="font-size:22px;"> </b><b style="font-size:20px;">岩石 北京2024年4月22日</b></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;"><span class="ql-cursor"></span></b></p> <p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><b style="font-size:22px;"> 点击播放视频</b></p><p class="ql-block"><b style="font-size:22px;"> 《光子芯片量产》</b></p><p class="ql-block"><br></p> <p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><b style="font-size:22px;"> 点击播放视频</b></p><p class="ql-block"><b style="font-size:22px;"> 《冲刺科技前沿》</b></p><p class="ql-block"><b style="font-size:22px;"></b></p><p class="ql-block"><b style="font-size:22px;"><span class="ql-cursor"></span></b></p> <p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><b style="font-size:22px;"> 一，</b></p> <p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;">实锤了！顶刊《nature》刊文证实中国在光芯片领域取得了重大突破！</b></p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;">黑科技研究所</b></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;">2024-05-11 </b></p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;">“走向科学”微信公众号</b></p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;">看破迷雾，人生就会更淡定从容近年来，江湖上一直传言中国可能在光芯片领域实现弯道超车，彻底摆脱芯片被卡脖子的窘境，但官方一直没有正式消息，喧嚣过去后一切归于平静。</b></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;">但5月8日，平地一声惊雷，中国光芯片成果正式对全世界官宣了！</b></p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;">刚刚中国科学院上海微系统与信息技术研究所联合瑞士洛桑联邦理工学院，在钽酸锂异质集成晶圆及高性能光子芯片制备领域取得突破性进展，相关成果以《可大规模制造的钽酸锂集成光子芯片》（Lithium tantalate photonic integrated circuits for volume manufacturing）为题，发表在顶刊《自然》，论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07369-1</b></p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;">自然</b></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;">探索内容~关于期刊~与我们一起发布v</b></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;">自然 › 文章 › 文章</b></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;">文章开放获取发布时间：2024年5月8日</b></p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;">用于批量制造的钽酸锂光子集成电路</b></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;">Chengli Wang, Zihan Li, Johann Riemensberger, Grigory Lihachev, Mikhail Churaev, Wil Kao, Xinru Ji, Junyin Zhang, Terence Blesin, Alisa Davydova, Yang_Chen, Kai Huang, Xi Wang, Xin Ou M & Tobias J.</b></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;">自然（2024）</b></p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;">见论文首页照片：</b></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;"></b></p> <p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;"><span class="ql-cursor"></span>为能看懂文章，走向科学小编先介绍一下光芯片当前的发展背景：</b></p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;">随着全球集成电路产业发展进入“后摩尔时代”，集成电路芯片性能提升的难度和成本越来越高，人们迫切需要寻找新的技术方案。以硅光技术和薄膜铌酸锂光子技术为代表的集成光电技术成为应对此瓶颈问题的颠覆性技术。</b></p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;">其中，铌酸锂被称为光子时代的“光学硅”材料，因其自身机械性能稳定、易加工、耐高温、抗腐蚀、原材料来源丰富、价格低廉、易生长成大晶体的优点，被广泛应用于高性能滤波器、电光器件、全息存储、3D全息显示、非线性光学器件、光量子通信等领域。</b></p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;">那么这篇nature文章到底发现了什么新成果呢？</b></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;"></b></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;">研究人员nature这篇文章主要证明了：</b></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;">单晶钽酸锂薄膜同样具有优异的电光转换特性，且在双折射、透明窗口范围、抗光折变、频率梳产生等方面更具优势。</b></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;"></b></p> <p class="ql-block"><b style="font-size:20px;">照片展示的是声学级（黑色）和光学级（白色）钽酸锂(LiTaO3)晶圆</b></p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;">硅基钽酸锂异质晶圆（LTOI）的制备工艺与绝缘体上的硅（SOI）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</b></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;">硅基钽酸锂异质晶圆（LTOI）的制备工艺与绝缘体上的硅（SOI）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</b></p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><b style="font-size:22px;">1. 超越传统材料的特性。</b></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;"></b></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;">钽酸锂不仅具有优异的电光效应，还展现出低损耗和高双折射率的特性。这意味着它可以实现对光波导的超宽频带色散工程，是生成电光频率梳的理想选择，为信息传输打开了前所未有的宽带门扉。</b></p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><b style="font-size:22px;">2. 革命性的量子桥梁。</b></p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;">对于量子计算而言，如何高效地将微波光子与超导量子比特对接是一大挑战。而钽酸锂凭借其远低于铌酸锂的介电损耗，为单个微波光子的量子转换提供了几乎无与伦比的介质，为解决量子计算机的热瓶颈问题带来了曙光。</b></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;"><span class="ql-cursor"></span></b></p> <p class="ql-block"><b style="font-size:20px;">钽酸锂异质集成晶圆及高性能光子芯片示意图</b></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;"></b></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;">材料虽好，但方便大规模制造吗？</b></p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><b style="font-size:22px;">制造方法：</b></p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;">研究团队采用基于“万能离子刀”的异质集成技术，通过氢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。</b></p> <p class="ql-block"><b style="font-size:20px;">（a）硅基钽酸锂异质晶圆（b）薄膜钽酸锂光学波导制备工艺及波导的扫描透镜显微镜（SEM）</b></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;"></b></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;">这种材料能够经过验证的应用有哪些呢？</b></p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;">结合晶圆级流片工艺，研究人员探索了钽酸锂材料内低双折射对于模式交叉的有效抑制，并验证了可以应用于整个通信波段的钽酸锂光子微腔谐振器。</b></p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;">钽酸锂光子芯片不仅展现出与铌酸锂薄膜相当的电光调制效率，同时基于钽酸锂光子芯片，研究团队首次在X切型电光平台中成功产生了孤子光学频率梳，结合其电光可调谐性质，有望在激光雷达、精密测量等方面实现大规模应用。</b></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;"><span class="ql-cursor"></span></b></p> <p class="ql-block"><b style="font-size:20px;">（a）薄膜钽酸锂电光调制器；（b）首次实现X切型钽酸锂上的克尔孤子光频梳</b></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;"><span class="ql-cursor"></span></b></p> <p class="ql-block"><b style="font-size:20px;">8英寸硅基薄膜钽酸锂晶圆制备</b></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;"><span class="ql-cursor"></span></b></p> <p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;">据悉，该团队孵化的上海新硅聚合半导体有限公司已经具备异质晶圆量产能力，并开发出8英寸异质集成材料技术。</b></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;">中国科学院上海微系统所研究员欧欣说：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。</b></p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;">在此，为我国相关科研人员辛勤努力取得的科研成果点赞，能在顶级科学刊物《自然》上发表，说明全世界顶级科学机构对这项科研成果的充分肯定。</b></p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;">不断地看到科技领域被美国制裁、封锁、卡脖子的新闻，着实让人胸闷，有朝一日，如果听到美国在高科技领域屈辱地被中国掐脖子了，那该是什么感觉？</b></p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;">吃惊？窃喜？至少被卡脖子N年的胸闷感觉会一扫而光吧。</b></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;">一万年太久，只争朝夕!</b></p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;"></b></p> <p class="ql-block"><b style="font-size:22px;"> 二，</b></p> <p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;">中国科学院光子芯片横空出世，A股唯一上市公司，有望开启10倍上涨！</b></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;">综合上述利好政策，经过深度复盘整个市场，为大家整理出三家核心龙头企业，尤其是最后一家，潜力无限利好！！！</b></p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;">第一家：亨通光电</b></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;">第二家：光迅科技</b></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;">第三家：最具有潜力</b></p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;">公司作为华为光子芯片材料的A股独家供应商，享有寡头垄断优势。股价亲民，仅十余元，却已吸引364家机构争相布局。</b></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;">技术面显现突破迹象，均线系统呈多头排列，市场回暖之际，或将迎来爆发式增长。</b></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;">想要知道是哪家公司的朋友，点头像进入主页，小信封处发送“ 7 ”，自动显答案。</b></p> <p class="ql-block"><b style="font-size:22px;"> </b></p><p class="ql-block"><b style="font-size:22px;"></b></p><p class="ql-block"><b style="font-size:22px;"><span class="ql-cursor"></span> 三，</b></p> <p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;">光芯片，用光突破计算瓶颈</b></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;">2024年7月16日</b></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;">光芯片，用光突破计算瓶颈</b></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;">芯片，又叫做集成电路，在指甲盖大小的空间中，能够包含数十亿的电子元件，形成了极其复杂的电路结构。芯片被用于数据的处理、存储、控制、通信和感知等各个方面，计算机、手机、汽车等设备都依赖芯片来处理数据，执行算法和运行软件程序。面对各种各样的需求，人们制造出了数十万种芯片。</b></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;">近期，由中国科学院上海微系统与信息技术研究所（上海微系统所）、瑞士洛桑联邦理工学院组成的合作团队在国际上另辟蹊径，在高性能光子芯片制备领域取得了突破性进展，研发了可批量制造的新型光子芯片，相关成果及论文发表在了著名国际期刊《自然》上。</b></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;"></b></p> <p class="ql-block"><b style="font-size:20px;">芯片内部结构示意 （图片来源：veer图库）</b></p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;">众多芯片中，光芯片大不一样</b></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;">芯片依赖电子在集成电路中的运行来实现各种复杂的功能，芯片内部存在非常多的导线供电子穿梭。光芯片则是利用光在集成光路中的传输来实现各种复杂的功能，光芯片主要由发光器件（产生光），光波导（引导光传播的装置）组成。</b></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;"><span class="ql-cursor"></span></b></p> <p class="ql-block"><b style="font-size:20px;">光芯片结构示意，条纹结构为光波导组成的光芯片单元 （图片来源：VLC Photonics）</b></p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;">光波导是光在从一种介质传播到另一种介质时偶尔会发生的全反射现象。比如，当光从水传播到空气时，只要光与介质分界面所成角度到达特定范围，就会发生全反射现象，利用该现象能够制成引导光波前进的结构就叫做光波导。</b></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;"><span class="ql-cursor"></span></b></p> <p class="ql-block"><b style="font-size:20px;">光线在玻璃当中不断全反射 （图片来源：wikipedia）</b></p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;"><span class="ql-cursor"></span></b></p> <p class="ql-block"><b style="font-size:20px;">通信光缆中的光波导纤维，由玻璃制成 （图片来源：veer图库）</b></p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;">现有芯片的种类和功能已经很完善了，为什么还要用光子芯片来替代传统芯片呢？这是因为芯片的性能已经无法满足人们在高速通信和人工智能方面的需求。</b></p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><b style="font-size:22px;">光子芯片的特点</b></p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;">与传统芯片对比，光子芯片如同光纤通信线路对比传统的通信电缆。光纤能够传输更多的数据量，一根光纤所传输的数据量相当于数十根传统信号电缆。</b></p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;">光纤传输中的光信号能够在长距离传输时保持较高的质量，相比之下信号电缆需要消耗更多的能量，且信号质量也会下降。光子芯片在传输速度，能耗方面相比于传统的芯片也有很大的优势。</b></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;"></b></p> <p class="ql-block"><b style="font-size:20px;">金属制成的通信电缆 （图片来源：veer图库）</b></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;"><span class="ql-cursor"></span></b></p> <p class="ql-block"><b style="font-size:20px;">光纤（光波导）制成的通信光缆 （图片来源：veer图库）</b></p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><b style="font-size:22px;">速度快：</b></p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;">光的传播速度是自然界中最快的，光在真空中每秒能够传播299792.458千米（传播一个马拉松的距离，光只需要0.0001407秒），相比之下，电信号在电路中的传输速度大约是光速的三分之二到四分之三，随着电路温度的升高，速度还会下降。</b></p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;">微信、支付宝应用的用户数目多达数亿，使用这些软件所产生的数据量是巨大的。海量数据被上传至软件公司建立的数据中心进行处理，数据中心由众多高性能计算机（又叫服务器）组成，服务器之间需要快速交换大量数据。</b></p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;">把服务器比作水缸，水缸间需要通信芯片作为“水管”，将水缸连接在一起，如果水管太细（通信芯片速度无法满足需求），那么水缸的水就无法及时流入或排出，个别水缸水溢出时，也就发生了服务器崩溃（软件没法用了）。光芯片的出现，能够使得服务器之间以及数据中心与外界进行快速的数据交换。</b></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;"></b></p> <p class="ql-block"><b style="font-size:20px;">光通信芯片及其结构显微图 （图片来源：参考文献2）</b></p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><b style="font-size:22px;">能耗低：</b></p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;">传统芯片进行运算时，电子在电路中运动会产热，高性能运算芯片的耗电量非常高，目前是制约芯片算力的主要原因。芯片的功耗增加一百倍，性能只能提高十倍，大部分的能量都被用于驱动散热部件。为了散热，微软将他们的数据中心建在了海底，利于海水冷却电子设备。</b></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;"><span class="ql-cursor"></span></b></p> <p class="ql-block"><b style="font-size:20px;">被打捞出来检修的水下数据中心 （图片来源：microsoft）</b></p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;">当前，训练人工智能大模型也面临着芯片性能和电力消耗的制约，为了解决这一问题，当前有两种思路。一是光芯片与传统芯片的混合集成，传统芯片作为单个的计算单元，光芯片负责计算单元之间的高速通信桥梁，建立集群运算，有效提高运算速度，同时功耗的增加也在可接受范围内。二是设计制造光计算芯片，突破传统的微电子处理器芯片性能瓶颈。</b></p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><b style="font-size:22px;">结语</b></p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;">总而言之，光芯片作为继传统微电子芯片后，信息技术的又一重要支撑，光子芯片在功耗，速度，尺寸等方面都极具潜力。</b></p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;">从华人科学家、光纤之父高锟在1966年提出光纤用于长距离通信的理念，到1970年代末光纤开始商业化推广，经历了二十余年，光纤的传输损耗也降低为最初的1%。同样地，光子芯片的实用化与商业化势在必行。</b></p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><b style="font-size:22px;">参考文献：</b></p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;">[1] Wang C , Li Z , Riemensberger J ,et al.Lithium tantalate photonic integrated circuits for volume manufacturing[J].Nature, 2024, 629(8013):784-790.</b></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;">[2] Meister S ,Bülent Franke, Eichler H J ,et al.Photonic Integrated Circuits for Optical Communication[J].Optik & Photonik, 2012, 7(2):59-62.</b></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;">[3]S.O.Kasap.光电子学与光子学[专著] : 原理与实践 : Optoelectronics and photonics : principles and practices[M].电子工业出版社,2016.</b></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;"></b></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;">出品：科普中国</b></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;">作者：海里的咸鱼（中国科学院长春光机所光学硕士）</b></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;">监制：中国科普博览</b></p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;"><span class="ql-cursor"></span></b></p> <p class="ql-block">本文素材选自网络，谢谢各位原作者。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><br></p> <p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">.</p> <p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">.</p> <p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">.</p>