上海交大周林杰：突破高端光器件需长期研发与投入

　　ICCSZ讯   目前单纯发展微电子技术、光电子技术的弊端日益凸显，微电子技术、光电子技术的紧密结合、相互渗透，必将推进信息技术进入新的发展阶段，光集成技术也成为业界的焦点。另外，我国在高端光器件的发展一直落后国际，如何突破高端光器件市场也需要尽快找到解决之策。针对这一系列问题，记者特地采访了上海交通大学电子工程系光纤技术研究所的周林杰博士，为读者解疑答惑。

　　光和电未来必会融合

　　《通信世界》：光集成技术是未来光器件的主流发展方向，近年来一直是业内关注和研究的焦点。光集成技术有哪些集成方式?

　　周林杰：光集成技术有不同的定义，广义而言，把不同功能、材料、软件、硬件、芯片、系统等整合在一起都可以叫做是集成。从芯片集成角度来看，它可以是单片集成、混合集成、光电集成等。单片集成是指在同一个芯片上实现某种功能和应用，比如在Si、SiO2、InP上制作不同的光子器件利用波导连接形成光子回路。特定材料有它本身的物理限制，只能实现某几类功能或者说它只在某些方面具有优势，因此有时候需要结合其他材料做混合集成才能弥补它的不足。特别是要实现比较复杂的功能时，往往需要不同材料的优势互补、互相支撑才能提供最强的功能。例如，硅波导器件尺寸小，适合做高密度无源和可调器件的集成，但硅本身在1550nm光通讯波段无法做高效探测和发光，因此光源和探测器等有源器件的制作需要引入如InP、Ge等其他材料来完成，这也是硅光电子学中一个比较热门的研究方向。

　　集成还有另外一个重要趋势是光电集成。微电子和光子器件研究传统是在两条路上发展：微电子专门研究以电子为载体的信号处理，包括逻辑运算和存储等，这也是电子的强项;而光器件则研究以光为媒介的光信号产生、传输和接收等，在信息传输容量和速度方面，光信号具有电信号无可比拟的优势。

　　光和电未来势必会融合在一起，取长补短，既能发挥光的传输优势也能发挥电的处理优势。一个光电集成的例子就是未来多核光互连芯片，多处理器并行运算大大提高了集成电路的性能，但同时处理器间的数据交换能力成为制约其性能进一步提升的瓶颈，采用光波导可以提供大容量、高速、低功耗互连，为解决这样的瓶颈提供了一个可靠的技术途径。

　　《通信世界》：目前我国国内光集成研究现状如何?

　　周林杰：近几年来通过各类国家项目的支持，国内光集成取得了长足的进步，在多波长激光器阵列、光子收发、光交换和路由、光延迟和存储、全光信号处理、多维度光传输等方面都取得了重要进展。例如，我们课题组在陈建平教授带领下，在光开关阵列、可调光延迟线和高速调制器等方面都做出了很有特色的工作：采用马赫曾德干涉仪和微环开关矩阵，实现了无阻塞16×16光开关芯片，其中包含了上百个具有热光和电光控制的光交换单元，能实现纳秒量级开关切换和Tb/s交换容量;采用7级级联光开关和波导延迟线结构，获得了纳秒量级延时，调节精度可达到10皮秒;与华为共同研制开发的硅基高速IQ调制器，能实现QPSK、16QAM等高阶调制，具有100Gb/s以上速率，可在1000公里光纤上实现无误码传输。然而，这些光集成还处于小规模实验室研发阶段，在大规模集成芯片开发和产业化应用方面与发达国家还存在较大差距。另外，在光电子芯片制作方面，国内也还没有形成规模化，没有一个能打通上下游实现集成芯片设计、制备和测试的成熟研发平台。

　　当然，光集成发展并不是一朝一夕能完成，这需要长期研究积累、科研经费投入、软硬件环境改善、团结合作协同创新等，任重而道远!

　　硅光集成将成重点集成方向

　　《通信世界》：光集成技术多种多样，在您看来，您认为哪种或哪些技术将成为未来的主流方向?原因是什么?

　　周林杰：硅光集成我认为是未来比较看好的发展方向之一。像前面提到的，硅光集成既具有灵活性和包容性，可以和其他材料进行混合集成，又能与微电子结合实现光电集成，可以满足未来对片上系统集成的需求。

　　硅光的优点也比较明显，主要有以下几个方面：第一，在近红外光通讯波段，硅材料本身损耗非常小，为光集成提供了一个前提条件。现在硅波导损耗还没有做到像石英波导损耗那么小，主要是由于工艺制备引起的，未来工艺条件改进可以解决这个问题;第二，硅波导的折射率非常高，因此硅波导和硅光器件的尺寸可以非常小，一般单元器件尺寸在微米量级，这使等高密度大规模光子集成成为可能;第三，硅光器件制备可以采用集成电路工艺设备来完成，相比于其他InP、LiNbO3、polymer等材料具有更低廉、稳定和成熟的制备流程。CMOS电路的各种制备工艺如光刻、刻蚀、掺杂、淀积、氧化等都可以直接用来制作硅光子集成器件，而且光波导器件的尺寸远大于晶体管尺寸，对工艺要求并不是特别高，只需要前几代的CMOS设备就可以完成硅光芯片低廉化生产;第四，采用硅材料的天然优势之一就是硅材料既可以用来做波导也可以用来做微电子器件，这样就可以将集成电路和光子回路集成在一起，做光电混合集成，为集成光路提供电路驱动和智能化控制。

　　当然，硅材料并不是万能的，有些功能它无法完成，需要其他材料来弥补，因而在特定应用下特别是需要光源和探测功能时，混合集成也是必要的技术选择。不同材料可以通过外延生长或键合的方式集成在一起，外延生长需要考虑到不同材料间间隔失配问题，而键合需要考虑对准、键合材料和工艺对光电器件性能影响等问题。这些问题可以通过设计和工艺的创新加以解决。以硅材料(通常为绝缘体上硅，SOI)为基底，辅助以其他材料，能使硅光集成技术更加具有多样性，为未来多场合广泛应用提供用武之地。

　　光电器件应用领域十分广泛

　　《通信世界》：近些年来，光电器件的专业化程度在不断深化，目前，光器件的应用可大致分为哪些主要的领域?麻烦您能具体介绍下不同领域的应用情况。

　　周林杰：光电器件的应用主要在光通讯、光互连、光子信息处理、光计算、微波信号处理、光传感、量子通信、纳米操控等多种领域。

　　光通讯中需要用到多种功能，如光信号发射和接受，光路交路中的信号处理，光信号传输中的放大等，所采用的光电器件种类繁多，从有源的激光器、探测器、放大器到高速调制器、光开关到无源的分路器、滤波器、合波/分波器等，它们都有广泛的应用。随着光通讯朝高容量、高速度、低功耗、高集成度方向发展，对光电器件的性能指标、稳定性、耐用性等提出了更高的要求。

　　光互连用于短距离光学链路(比如数据中心、超级计算机)的建立，主要用到了包含光电转换的收发模块，包括激光器、调制器、探测器以及辅助驱动电路等。相比于长距离光通讯，光互连对器件的性能指标要求较低，但对成本控制要求更高，而硅光器件正适合这方面的应用。

　　光子信息处理包含的内容很广：光信号经过远距离传输后信号弱化需要进行再生和时钟恢复;光信号调制方式多样，如幅度调制、相位调制、频率调制等，不同编码各有各的优势，它们之间需要转换;分波复用系统中，采用多波长增加了系统传输容量，光信号需要进行波长转换，所有这些功能的实现都需要采用光电器件进行线性和非线性高速信号处理。

　　虽然复杂计算并不是光器件的优势(至少目前还不是)，但在某些运算如矩阵乘法、傅里叶变换、逻辑运算、微积分计算等方面可以发挥光器件的高速、并行、低功耗等特点，满足特殊场合的应用需求。

　　微波与光子技术的融合也是未来一个重要发展方向，它能充分利用光波低损耗传输、宽带处理和分布式接入的特点实现高精细微波信号的产生、传输和处理等功能，主要应用于未来宽带无线通信与空天信息网络中。

　　光传感和检测也是一个非常大的应用领域，市场规模庞大。传感实现往往通过温度、应力、浓度等检测目标参数的改变引起光电器件中折射率的改变，从而在检测光信号中能探知这种变化。基于微量试剂的检测需要用到微流控芯片，它能使检测系统更加小型化、易便携、低成本，这也是近几年国际上比较热门的研究领域。

　　光器件和芯片也可以应用于量子信号处理，比如通过四波混频来产生纠缠光子源，采用高效波导探测器进行单光子检测，采用集成光路实现量子干涉和纠缠操控等。

　　除此之外，光器件往更小尺寸发展，可以结合光子晶体、等离子波导、超材料等技术，实现更高密度的集成和更灵活的光波操控。例如，通过对介电常数和磁导率的灵活控制，能实现常规器件无法实现的功能，像高分辨成像、隐形、超透射、完美吸收等。

　　突破高端光器件需长期研发与投入

　　《通信世界》：据统计，我国的通信光电子器件产业规模已经占据全球份额的15%以上。但是，大多数器件都集中于中低端，在您看来，我国应如何突破高端光器件市场?

　　周林杰：高端光器件在技术含量方面比中低端器件更高，需要长期的研究积累和投入，才能取得引领世界领先的技术。

　　首先，这亟需建立面向高端光器件和芯片的综合研发团队，该平台由政府、企业、研究所和大学共同联合建立，集中国内各优势单位，强强联合，资源共享。政府和企业提供研发资助，研究院所和大学研发核心技术和培养科研劳动力，在现有资源及未来产出利益分配上形成统一的资源和利益一体化。

　　其次，亟需建立先进工艺平台，为高端光器件研发提供硬件配套支持。高端高器件的研发离不开最先进的工艺设备，目前国内工艺设备比较分散，需要整合成完整的工艺链，统一管理，避免重复建设，发挥工艺设备效能的最大化。

　　最后，亟需加大高端器件方面的科研投入，掌握具有自足知识产权的器件设计和工艺技术，才能突破国外对高端器件和芯片的垄断。

　　产业化构建产学研良好合作模式

　　《通信世界》：目前，光子器件与集成技术的发展正在经历从科研到产业化的转化期，在您看来，应如何构建“产、学、研”良好的合作模式?

　　周林杰：产学研合作不仅是企业、大学和研究院所三方面力量的结合，而更是需要三者之间互相配合、互相支持、优势互补，从而形成合力，共同完成新技术从探索、研发到新产品开发的全链条发展。

　　在我看来，有四个方面的措施可以加快构建产学研良好合作模式。

　　加快产学研制度建设。任何高效合作模式都离不开成熟健全的制度保障。产学研合作中势必涉及到各方的利益分配，而利益分配是否合理直接影响到了合作的成效。制度建设可以规范合作机制、建立信任、照顾各方利益，做到合作方共赢共荣的局面。

　　设立共同研发中心。现实中大学科研和企业需求脱节，大学学术研究以追求高精尖前沿探索为主，而产业需求则需要在某个具体技术上寻求突破并不断完善改进，两者缺乏有效沟通，科研和产业发展脱节。设立共同研发中心可以拉近两者距离，高校和科研院所提供科研所需人才和科研设备，企业提供科研经费，使科研人员有稳定科研经费来源，保障长期合作，这样才能使科研人员更加集中精力于科研活动，加快科技转换进程。

　　加强技术转让和专利认可。大学和研究所研发的技术需要通过技术转让给企业，才能实现知识从实验室到现实生产力的转变。技术转让可以保证科技成果发明人的权益，也是企业对科研创新活动的支持和认可。

　　面向产学研转变科研评价体系。目前大学和科研院所科研评价所追求的项目经费、论文数量和论文引用等并不能衡量科技成果对实际产业发展的贡献，而应该建立以产学研为价值取向的科研激励与科研成果评价机制，才能激发科研人员从事产学研合作的热情和积极性。

　　《通信世界》：国内的光子器件与集成企业应如何把握转化期?

　　周林杰：国内的光子器件与集成企业应该把握现在科研产业化转化的良好机遇，为产业升级做准备。

　　首先，应加强与高校和科研院所的密切联系和合作。高校和科研院所进行的科研领先于企业发展，通常是国际上最先进最前沿的技术，企业应加强沟通，寻找适合自己未来产业升级的技术，加强研发投入，使实验室技术尽快孵化为可实用的创新产品。

　　其次，需大力吸纳优秀科研人员，为产业转型和新技术开发储备人才。光子器件科研产业化转化除了需要高校和科研院配合和扶持外，企业本身也需要专职人才队伍，吸收最新科研成果，保证产品的技术含量。

　　最后，应从产品收益中分配固定经费用于新科技产品的培育，做到产业创新的可持续性发展。