記者6日從中國科學技術大學獲悉，該校孫海定教授課題組與武漢大學劉勝院士團隊合作，在國際上首次提出了新型三電極光電PN結二極管結構，構筑載流子調制新方法，實現了第三端口外加電場對二極管光電特性的有效調控。相關研究成果日前在線發表于期刊《自然?電子學》。

光電二極管作為光電子集成芯片中必需的基本元件，已被廣泛應用于LED、激光器、探測器等。然而，無論是作為發光單元還是探測單元的光電二極管，均需配置相應的外部驅動電路來實現電信號和光信號之間的轉換。這一傳統模式極大地限制了整個光電系統的信號傳輸速度和帶寬，也不可避免地增大了系統體積和復雜度，限制了整個光電技術的集成與發展。

研究人員通過在P型區域引入“第三電極”，將傳統的光電二極管與一個“金屬-氧化物-半導體”結構進行巧妙而又緊湊的片上器件集成。這種三端二極管減少了光通信系統中對外部偏置器電路的需求，實現了更小體積、更寬帶寬的光通信系統。

此外，團隊還基于該新型光電二極管構建了光通信系統和可重構光電邏輯門系統，展示了該器件在光通信和光邏輯運算中的巨大應用潛力。

研究人員表示，由于該器件結構和制作工藝十分簡單，該新型場效應調控光電二極管架構的提出，可被廣泛應用于其他由各種半導體材料制成的有源光電子集成芯片和器件平臺上，對推動下一代高速和多功能光電子集成芯片的發展有著重要價值。


什么是光電子集成芯片？

光電子集成芯片是一種由光電子器件、微電子器件以及微機械器件等多種元器件所組合而成的芯片。它主要依靠半導體制造技術，將電子、光子、熱子等不同形式的信息處理器件集成到一起。這種芯片具有高速、高效、低功耗、體積小等特點，因此被廣泛應用于通信、計算機及控制等領域。

具體來說，光電子集成芯片是將發射或接收光信號的有源光器件（如激光器、調制器、探測器或光放大器）、無源光器件（如光波導或光耦合器）與相關的驅動電路、放大電路、信號處理電路、監測控制電路等電子器件集成在同一芯片上，完成某一特定功能或子系統功能。

隨著現代科技的發展，光電子集成芯片的應用范圍也越來越廣泛。它不僅在通信領域得到廣泛應用，如合成孔徑雷達、飛行器通信等，還在圖像處理、智能家居、醫療器械等領域被廣泛運用。此外，光電子集成芯片在日常生活中也隨處可見，如手機、電腦、智能手環等等。

21世紀以來，光子芯片經歷了從單元器件到規模化集成的飛速發展，在超高速通信、高性能計算、大容量光互連和高精度光學傳感等領域展現出巨大的優勢，學術界和工業界達成共識：光電集成芯片有望延續摩爾定律，利用光電集成芯片進行信息交互是突破電子計算機發展瓶頸的關鍵技術和有效途徑，有望緩解甚至解決我國“芯片之痛”。

光電集成芯片應用前景

硅光芯片融合了先進的微電子加工工藝和光子學前沿理論，在硅基芯片上集成激光器、光波導、光調制器和光探測器等光子信息組件，以光子作為信息載體，實現信息的傳遞、交互與計算等。

相較于傳統電子技術，硅光技術在信息處理的速度和能效方面呈現顯著的優勢，為摩爾定律延續提供有力支撐。近年來，硅光信息技術在全球范圍內受到了高度關注與重視，美國、歐盟等西方發達國家和地區紛紛將光電集成技術列入國家發展的戰略性規劃之中。

我國與國際同步在硅光技術領域完成了戰略布局且持續投入，從國家層面的“十三五”到“十四五”規劃，對集成電路、新一代人工智能技術均明確了發展目標與戰略需求，科技部、中國科學院等科技國家隊也先后部署相關的先導專項、重大科技項目，包括建設先進的光電芯片制造工藝平臺、光電芯片的前瞻性探索，并完善光電芯片的產業生態鏈，以解決我國光電信息產業的無“芯”之痛，提升我國在光電產業中的話語權。

在海量數據處理和人工智能對算力需求爆發性增長的今天，硅光技術在現代信息技術中扮演著至關重要的角色，將為多領域帶來顛覆性的技術革新。人工智能技術應用的關鍵是算力的提升，在高性能計算機架構中，采用與具體應用模式相匹配的加速器系統結構是提高計算能效比、降低功耗的有效途徑。

最典型的成功例子是通過流式計算應用與圖形處理器芯片的匹配，實現數量級的能效提升。但面對諸如類腦計算、深度學習、智能感知等領域應用時，運用基于馮·諾依曼結構的電子計算機進行匹配加速明顯效果不佳，而光學神經網絡在這方面展示出了獨特的優勢。光矩陣運算具備時間和空間并行性、傳播容量大等特性。

光神經網絡的深度學習算法可以直接映射，而不僅僅是簡單地對神經網絡進行模擬，通過結合光計算通路的無電容效應特性，基于光矩陣運算的神經網絡計算機的能效可以得到極大提升，從而突破功耗墻的束縛。

在信息傳輸和交互方面，大數據時代的數據中心對超低延時、超高傳輸速率和更低能耗的信息交互需求不斷增長，光電集成技術可在信息交互容量、器件體積、數據傳輸能效等方面實現數量級的優化。

在衛星激光通信與深空探索中，光電集成芯片有望顛覆傳統的通信終端，建立更快、更強、更穩的星地、星間太空高速路，加快“空天地一體化”的發展步伐。硅光技術通過光傳電控的技術思路，為新型光電混合超級計算帶來了巨大的想象空間，為實現超高算力開辟了新的路徑。

智能駕駛時代的到來對汽車感知能力提出了苛刻的需求，而硅光技術有望對汽車激光雷達系統產生變革，建立起更安全、高效的智能駕駛系統。此外，硅光技術在高精度、高靈敏度的生物傳感、精準醫療診斷與健康監測等領域具有重大的應用潛力。


光芯片國產化率分析

光芯片是現代通信技術的核心組件之一，其國產化率直接關系到我國通信技術的發展水平和國家安全。近年來，我國在光芯片研發和生產方面取得了一些進展，但與國際先進水平相比，仍存在一定差距。本文將從以下幾個方面對光芯片的國產化率進行分析。


一、光芯片的重要性

光芯片是利用半導體工藝在芯片上實現光子器件的功能，其優點在于可以實現高速、低損耗、高可靠性的信息傳輸。在現代通信領域，光芯片的應用已經越來越廣泛，尤其是在5G、數據中心、衛星通信等領域，光芯片的作用尤為重要。因此，提高光芯片的國產化率，對于提升我國通信技術的整體水平和國家安全具有重要意義。


二、國內光芯片生產現狀及問題

目前，我國的光芯片生產主要集中在一些大型國有企業和科研院所，如華為、中興通訊、中國科學院等。這些企業和單位在光芯片研發和生產方面取得了一些進展，但在生產過程中仍然存在一些問題。例如，生產工藝不夠成熟、生產線自動化程度低、原材料依賴進口等等。這些問題的存在導致了我國光芯片的國產化率較低，無法滿足國內市場的需求。

三、提高光芯片國產化率的措施

為了提高光芯片的國產化率，需要采取以下措施：

1. 加強科研投入，提高研發水平。我國應該加大對光芯片相關科研項目的投入，提高科研院所和企業的研發能力，推動技術進步。

2. 提高生產線自動化程度。生產工藝的自動化程度直接影響到生產效率和產品質量。因此，我國應該引進先進的自動化生產設備，提高生產線自動化程度，降低人為因素對產品質量的影響。

光芯片市場競爭格局光芯片市場一直以來都是眾多企業和研究機構關注的焦點。隨著技術的不斷進步，光芯片已經成為許多領域中不可或缺的一部分。然而，隨著市場規模的不斷擴大，光芯片市場的競爭格局也在不斷變化。

在光芯片市場中，按照應用領域可以分為電信、數據中心、消費電子、航空航天、醫療等多個領域。在這些領域中，電信和數據中心是光芯片市場最大的兩個應用領域。在這兩個領域中，光芯片的應用主要集中在傳輸和分發兩個方面。因此，這兩個領域對于光芯片的性能和技術要求非常高，同時也具有非常大的市場潛力。