記者6日從中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲悉，該校孫海定教授課題組與武漢大學(xué)劉勝院士團(tuán)隊(duì)合作，在國(guó)際上首次提出了新型三電極光電PN結(jié)二極管結(jié)構(gòu)，構(gòu)筑載流子調(diào)制新方法，實(shí)現(xiàn)了第三端口外加電場(chǎng)對(duì)二極管光電特性的有效調(diào)控。相關(guān)研究成果日前在線發(fā)表于期刊《自然?電子學(xué)》。

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(yīng)用于LED、激光器、探測(cè)器等。然而，無論是作為發(fā)光單元還是探測(cè)單元的光電二極管，均需配置相應(yīng)的外部驅(qū)動(dòng)電路來實(shí)現(xiàn)電信號(hào)和光信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換。這一傳統(tǒng)模式極大地限制了整個(gè)光電系統(tǒng)的信號(hào)傳輸速度和帶寬，也不可避免地增大了系統(tǒng)體積和復(fù)雜度，限制了整個(gè)光電技術(shù)的集成與發(fā)展。

研究人員通過在P型區(qū)域引入“第三電極”，將傳統(tǒng)的光電二極管與一個(gè)“金屬-氧化物-半導(dǎo)體”結(jié)構(gòu)進(jìn)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(tǒng)中對(duì)外部偏置器電路的需求，實(shí)現(xiàn)了更小體積、更寬帶寬的光通信系統(tǒng)。

此外，團(tuán)隊(duì)還基于該新型光電二極管構(gòu)建了光通信系統(tǒng)和可重構(gòu)光電邏輯門系統(tǒng)，展示了該器件在光通信和光邏輯運(yùn)算中的巨大應(yīng)用潛力。

研究人員表示，由于該器件結(jié)構(gòu)和制作工藝十分簡(jiǎn)單，該新型場(chǎng)效應(yīng)調(diào)控光電二極管架構(gòu)的提出，可被廣泛應(yīng)用于其他由各種半導(dǎo)體材料制成的有源光電子集成芯片和器件平臺(tái)上，對(duì)推動(dòng)下一代高速和多功能光電子集成芯片的發(fā)展有著重要價(jià)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(jī)械器件等多種元器件所組合而成的芯片。它主要依靠半導(dǎo)體制造技術(shù)，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(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于通信、計(jì)算機(jī)及控制等領(lǐng)域。

具體來說，光電子集成芯片是將發(fā)射或接收光信號(hào)的有源光器件（如激光器、調(diào)制器、探測(cè)器或光放大器）、無源光器件（如光波導(dǎo)或光耦合器）與相關(guān)的驅(qū)動(dòng)電路、放大電路、信號(hào)處理電路、監(jiān)測(cè)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(tǒng)功能。

隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，光電子集成芯片的應(yīng)用范圍也越來越廣泛。它不僅在通信領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，如合成孔徑雷達(dá)、飛行器通信等，還在圖像處理、智能家居、醫(yī)療器械等領(lǐng)域被廣泛運(yùn)用。此外，光電子集成芯片在日常生活中也隨處可見，如手機(jī)、電腦、智能手環(huán)等等。

21世紀(jì)以來，光子芯片經(jīng)歷了從單元器件到規(guī)模化集成的飛速發(fā)展，在超高速通信、高性能計(jì)算、大容量光互連和高精度光學(xué)傳感等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢(shì)，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界達(dá)成共識(shí)：光電集成芯片有望延續(xù)摩爾定律，利用光電集成芯片進(jìn)行信息交互是突破電子計(jì)算機(jī)發(fā)展瓶頸的關(guān)鍵技術(shù)和有效途徑，有望緩解甚至解決我國(guó)“芯片之痛”。

光電集成芯片應(yīng)用前景

硅光芯片融合了先進(jìn)的微電子加工工藝和光子學(xué)前沿理論，在硅基芯片上集成激光器、光波導(dǎo)、光調(diào)制器和光探測(cè)器等光子信息組件，以光子作為信息載體，實(shí)現(xiàn)信息的傳遞、交互與計(jì)算等。

相較于傳統(tǒng)電子技術(shù)，硅光技術(shù)在信息處理的速度和能效方面呈現(xiàn)顯著的優(yōu)勢(shì)，為摩爾定律延續(xù)提供有力支撐。近年來，硅光信息技術(shù)在全球范圍內(nèi)受到了高度關(guān)注與重視，美國(guó)、歐盟等西方發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)紛紛將光電集成技術(shù)列入國(guó)家發(fā)展的戰(zhàn)略性規(guī)劃之中。

我國(guó)與國(guó)際同步在硅光技術(shù)領(lǐng)域完成了戰(zhàn)略布局且持續(xù)投入，從國(guó)家層面的“十三五”到“十四五”規(guī)劃，對(duì)集成電路、新一代人工智能技術(shù)均明確了發(fā)展目標(biāo)與戰(zhàn)略需求，科技部、中國(guó)科學(xué)院等科技國(guó)家隊(duì)也先后部署相關(guān)的先導(dǎo)專項(xiàng)、重大科技項(xiàng)目，包括建設(shè)先進(jìn)的光電芯片制造工藝平臺(tái)、光電芯片的前瞻性探索，并完善光電芯片的產(chǎn)業(yè)生態(tài)鏈，以解決我國(guó)光電信息產(chǎn)業(yè)的無“芯”之痛，提升我國(guó)在光電產(chǎn)業(yè)中的話語權(quán)。

在海量數(shù)據(jù)處理和人工智能對(duì)算力需求爆發(fā)性增長(zhǎng)的今天，硅光技術(shù)在現(xiàn)代信息技術(shù)中扮演著至關(guān)重要的角色，將為多領(lǐng)域帶來顛覆性的技術(shù)革新。人工智能技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵是算力的提升，在高性能計(jì)算機(jī)架構(gòu)中，采用與具體應(yīng)用模式相匹配的加速器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是提高計(jì)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(jì)算應(yīng)用與圖形處理器芯片的匹配，實(shí)現(xiàn)數(shù)量級(jí)的能效提升。但面對(duì)諸如類腦計(jì)算、深度學(xué)習(xí)、智能感知等領(lǐng)域應(yīng)用時(shí)，運(yùn)用基于馮·諾依曼結(jié)構(gòu)的電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行匹配加速明顯效果不佳，而光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在這方面展示出了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。光矩陣運(yùn)算具備時(shí)間和空間并行性、傳播容量大等特性。

光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的深度學(xué)習(xí)算法可以直接映射，而不僅僅是簡(jiǎn)單地對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行模擬，通過結(jié)合光計(jì)算通路的無電容效應(yīng)特性，基于光矩陣運(yùn)算的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)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(shù)據(jù)時(shí)代的數(shù)據(jù)中心對(duì)超低延時(shí)、超高傳輸速率和更低能耗的信息交互需求不斷增長(zhǎng)，光電集成技術(shù)可在信息交互容量、器件體積、數(shù)據(jù)傳輸能效等方面實(shí)現(xiàn)數(shù)量級(jí)的優(yōu)化。

在衛(wèi)星激光通信與深空探索中，光電集成芯片有望顛覆傳統(tǒng)的通信終端，建立更快、更強(qiáng)、更穩(wěn)的星地、星間太空高速路，加快“空天地一體化”的發(fā)展步伐。硅光技術(shù)通過光傳電控的技術(shù)思路，為新型光電混合超級(jí)計(jì)算帶來了巨大的想象空間，為實(shí)現(xiàn)超高算力開辟了新的路徑。

智能駕駛時(shí)代的到來對(duì)汽車感知能力提出了苛刻的需求，而硅光技術(shù)有望對(duì)汽車激光雷達(dá)系統(tǒng)產(chǎn)生變革，建立起更安全、高效的智能駕駛系統(tǒng)。此外，硅光技術(shù)在高精度、高靈敏度的生物傳感、精準(zhǔn)醫(yī)療診斷與健康監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域具有重大的應(yīng)用潛力。


光芯片國(guó)產(chǎn)化率分析

光芯片是現(xiàn)代通信技術(shù)的核心組件之一，其國(guó)產(chǎn)化率直接關(guān)系到我國(guó)通信技術(shù)的發(fā)展水平和國(guó)家安全。近年來，我國(guó)在光芯片研發(fā)和生產(chǎn)方面取得了一些進(jìn)展，但與國(guó)際先進(jìn)水平相比，仍存在一定差距。本文將從以下幾個(gè)方面對(duì)光芯片的國(guó)產(chǎn)化率進(jìn)行分析。


一、光芯片的重要性

光芯片是利用半導(dǎo)體工藝在芯片上實(shí)現(xiàn)光子器件的功能，其優(yōu)點(diǎn)在于可以實(shí)現(xiàn)高速、低損耗、高可靠性的信息傳輸。在現(xiàn)代通信領(lǐng)域，光芯片的應(yīng)用已經(jīng)越來越廣泛，尤其是在5G、數(shù)據(jù)中心、衛(wèi)星通信等領(lǐng)域，光芯片的作用尤為重要。因此，提高光芯片的國(guó)產(chǎn)化率，對(duì)于提升我國(guó)通信技術(shù)的整體水平和國(guó)家安全具有重要意義。


二、國(guó)內(nèi)光芯片生產(chǎn)現(xiàn)狀及問題

目前，我國(guó)的光芯片生產(chǎn)主要集中在一些大型國(guó)有企業(yè)和科研院所，如華為、中興通訊、中國(guó)科學(xué)院等。這些企業(yè)和單位在光芯片研發(fā)和生產(chǎn)方面取得了一些進(jìn)展，但在生產(chǎn)過程中仍然存在一些問題。例如，生產(chǎn)工藝不夠成熟、生產(chǎn)線自動(dòng)化程度低、原材料依賴進(jìn)口等等。這些問題的存在導(dǎo)致了我國(guó)光芯片的國(guó)產(chǎn)化率較低，無法滿足國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的需求。

三、提高光芯片國(guó)產(chǎn)化率的措施

為了提高光芯片的國(guó)產(chǎn)化率，需要采取以下措施：

1. 加強(qiáng)科研投入，提高研發(fā)水平。我國(guó)應(yīng)該加大對(duì)光芯片相關(guān)科研項(xiàng)目的投入，提高科研院所和企業(yè)的研發(fā)能力，推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步。

2. 提高生產(chǎn)線自動(dòng)化程度。生產(chǎn)工藝的自動(dòng)化程度直接影響到生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。因此，我國(guó)應(yīng)該引進(jìn)先進(jìn)的自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備，提高生產(chǎn)線自動(dòng)化程度，降低人為因素對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響。

光芯片市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)格局光芯片市場(chǎng)一直以來都是眾多企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)關(guān)注的焦點(diǎn)。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，光芯片已經(jīng)成為許多領(lǐng)域中不可或缺的一部分。然而，隨著市場(chǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，光芯片市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)格局也在不斷變化。

在光芯片市場(chǎng)中，按照應(yīng)用領(lǐng)域可以分為電信、數(shù)據(jù)中心、消費(fèi)電子、航空航天、醫(yī)療等多個(gè)領(lǐng)域。在這些領(lǐng)域中，電信和數(shù)據(jù)中心是光芯片市場(chǎng)最大的兩個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域。在這兩個(gè)領(lǐng)域中，光芯片的應(yīng)用主要集中在傳輸和分發(fā)兩個(gè)方面。因此，這兩個(gè)領(lǐng)域?qū)τ诠庑酒男阅芎图夹g(shù)要求非常高，同時(shí)也具有非常大的市場(chǎng)潛力。