Інтерв’ю з Чжан Сяогуаном з Пекінського університету пошти та телекомунікацій: важке становище та майбутнє фотонних мікросхем

В останні роки, зі швидким зростанням глобального трафіку, Інтернету, штучного інтелекту та сценаріїв застосування хмарних обчислень продовжує збільшуватися, як одна з майбутніх тенденцій у високошвидкісному зв’язку, фотонні чіпи також започаткували золотий період розвитку. Як і його "попередник", оптична схема також у мініатюризації, зниженні потужності та низькій вартості вимог виклику до інтеграції, інтегрований оптичний чіп (PIC) виник і став важливою частиною сучасної індустрії зв'язку не можна ігнорувати. Щоб детальніше прояснити скрутне становище та майбутнє інтегрованої технології, Wikipedia провела особисту розмову з професором Чжан Сяогуаном із Школи електронної інженерії Пекінського університету пошти та телекомунікацій (BUPT), обговорюючи минуле та сьогодення життя фотонних чіпів.
На початку розмови професор Чжан Сяогуан перейшов до суті: «Технологія інтеграції чіпів зараз дуже зріла і широко використовується в різних електронних пристроях, таких як мобільні телефони, комп’ютери, пристрої для розумного дому тощо. усі використовують технологію інтеграції чіпів. Однак у китайській технології інтеграції чіпів все ще є недоліки, і інтегровані оптичні чіпи є однією з труднощів».

Інтегрований оптичний чіп — це функціональна схема, утворена мікрочіпом, що містить два або більше фотонних компонентів, звідси й назва фотонний чіп. Фотонний чіп має переваги високошвидкісного паралелізму та низького енергоспоживання, а його швидкість обчислення та швидкість передачі в тисячу разів перевищують, ніж у електронних чіпів, тоді як його енергоспоживання становить лише одну дев’яностотисячну від споживання енергії електронних чіпів, і його структурні вимоги також нижчі, як правило, на рівні сотень нанометрів, таким чином зменшуючи залежність від передових процесів, і це вважається найбільш прийнятною базовою технологією для вирішення вузького місця розвитку арифметичної потужності.
З точки зору принципу роботи, фотонні чіпи використовують фотони для передачі, сприйняття, обробки та доставки інформації. Хвилеводи використовуються для керування та спрямування світла, а завдяки повному внутрішньому відображенню фотонні чіпи можна порівняти з дротами, які використовуються для передачі електричних сигналів. Лазерне джерело забезпечує світло, необхідне для керування компонентами, подібно до перемикача в ланцюзі. Завдяки хвилеводним з’єднанням можна інтегрувати та виготовляти кілька компонентів на одній підкладці, створюючи надійні та мініатюрні рішення. Компоненти в фотонних схемах можуть бути пасивними та активними, до пасивних компонентів належать перемикачі та мультиплексори, а до активних – детектори та лазери.
Порівняно з електронними чіпами, складність інтеграції фотонних чіпів в основному пов’язана з їх дискретною природою. З виробничої точки зору, виробництво фотонних інтегрованих чіпів не є простою справою. Фотонні пристрої мають тривимірну структуру, набагато складнішу, ніж двовимірна структура напівпровідникової інтеграції. Щоб інтегрувати лазери, детектори, модулятори та інші пристрої в чіп, необхідно багаторазово наносити та травити на кілька тонкоплівкових діелектричних шарів різних матеріалів, таких як фосфід індію, що є дуже вимогливим до обладнання та вимогам процесу.
«Однак я все ще впевнений у подоланні цих труднощів усередині країни». Професор Чжан Сяогуан сказав: «У промисловості вже існує тенденція до інтеграції на основі кремнію, оскільки цей вид системної інтеграції вже відносно зрілий, а вітчизняні дослідження кремнієвих оптичних чіпів в основному синхронізовані зі світовими. Але як це зробити? використовувати кремній як підкладку для оптичних компонентів і реалізувати технологію масового виробництва, все ще є багато труднощів усередині, і тепер деякі пристрої, які працюють краще в нашому експериментальному процесі, все ще повинні покладатися на імпорт».
На думку професора Чжан Сяогуана, міжнародна індустрія чіпів розвивалася десятиліттями. Європа, Сполучені Штати, Японія та інші країни в галузі оптичних чіпів почали раніше, передові технології. Сполучені Штати давно заснували «Національний інститут фотонних інтегрованих виробничих інновацій» для створення платформи для розробки та підготовки фотонних інтегрованих пристроїв; Європейський Союз для реалізації програми «Горизонт 2020», зосереджуючись на розгортанні дослідницьких проектів оптоелектронної інтеграції; Японія здійснити «Програму передових досліджень і розробок», «Програму передових досліджень і розробок». Реалізація Японією "Програми передових досліджень і розробок", розгортання проектів розвитку технологій оптоелектронної системи синтезу. Іноземні компанії, що займаються виробництвом оптичних чіпів, мають перевагу першоджерела завдяки накопиченню основних технологій і виробничих процесів і поступово реалізують замкнутий цикл галузі, щоб встановити високі галузеві бар’єри.
Вітчизняні виробники оптичних чіпів, як правило, мають можливості внутрішньої обробки на додаток до епітаксії пластин, технологія епітаксійної обробки ядра оптичного чіпа не є зрілою, епітаксіальна пластина високого класу для міжнародних закупівель епітаксійних установок, що обмежує розвиток високоякісних оптичних чіпів. Лазерний чіп, наприклад, Китай може масштабувати масове виробництво 10G і наступного лазерного чіпа з низькою та середньою швидкістю, але 25G лазерний чіп лише невелика кількість постачальників, щоб реалізувати серійне постачання, 25G або більша швидкість лазерного чіпа більшість постачальників все ще перебуває на стадії досліджень і розробок або маломасштабного пробного виробництва.
Під час попереднього пізнього початку вітчизняної технології дослідження вітчизняної інтеграції чіпів більше стоять на висоті готових результатів досліджень іноземних країн для розробки та інновацій, зі змінами в міжнародній формі внутрішнього високого -технологічна галузь у сфері технологій отримує все більше і більше обмежень, але також змушує більше людей усвідомлювати важливість технологічної самостійності. Китай запустив «великомасштабний фотонний інтегрований чіп» ще в 2016 році, стратегічні пілотні наукові та технологічні спеціальні проекти Китайської академії наук, які сприяють енергійному розвитку внутрішніх незалежних інновацій.
«Однак найважливіше для країни для досягнення справжніх промислових проривів полягає в побудові системи, - наголосив наприкінці виступу професор Чжан Сяогуан, - з точки зору реального виробництва, найважливіше кроком до досягнення самозабезпеченості є встановлення загальної промислової системи, зокрема, формування повного набору процесу, якщо принцип можна зрозуміти в першу чергу, тоді необхідно встановити систему. принцип випадку всіх може пройти, оскільки незрілий процес не може гарантувати вихід продукту, незалежні інновації все ще лише на папері».