Interview met Zhang Xiaoguang van de Beijing University of Post and Telecommunications: het lot en de toekomst van fotonische chips

De afgelopen jaren, met de snelle groei van het mondiale verkeer, het internet, de kunstmatige intelligentie en de toepassingsscenario's van cloud computing, blijven de toepassingsscenario's toenemen. Als een van de toekomstige trends in hogesnelheidscommunicatie hebben fotonische chips ook een gouden ontwikkelingsperiode ingeluid. Net als zijn "voorganger"-circuit is het optische circuit ook in de miniaturisatie, vermogensreductie en lage kosteneisen van de roep om integratie ontstaan, en is het een belangrijk onderdeel geworden van de moderne communicatie-industrie kan niet genegeerd worden. Om de hachelijke situatie en de toekomst van de geïntegreerde technologie verder te verduidelijken, had Wikipedia een persoonlijk gesprek met prof. Zhang Xiaoguang van de School of Electronic Engineering, Beijing University of Posts and Telecommunications (BUPT), waarin hij het verleden en het heden besprak levensduur van fotonische chips.
Aan het begin van het gesprek kwam prof. Zhang Xiaoguang meteen ter zake: "Chipintegratietechnologie is nu erg volwassen en wordt veel gebruikt in verschillende elektronische apparaten, zoals mobiele telefoons, computers, smart home-apparaten, enzovoort. Ze maken allemaal gebruik van chipintegratietechnologie. Er zijn echter nog steeds tekortkomingen in de Chinese chipintegratietechnologie, en geïntegreerde optische chips zijn een van de problemen."

Een geïntegreerde optische chip is een functioneel circuit dat wordt gevormd door een microchip die twee of meer fotonische componenten bevat, vandaar de naam fotonische chip. De fotonische chip heeft de voordelen van hoge snelheid parallellisme en een laag stroomverbruik, en de rekensnelheid en transmissiesnelheid zijn duizend keer die van elektronische chips, terwijl het stroomverbruik slechts een negentigduizendste is van dat van elektronische chips, en de structurele vereisten zijn ook lager, doorgaans op honderd nanometerniveau, waardoor de afhankelijkheid van geavanceerde processen wordt verminderd, en het wordt beschouwd als de meest geschikte onderliggende technologie voor het oplossen van het knelpunt in de ontwikkeling van rekenkracht.
Wat het werkingsprincipe betreft, gebruiken fotonische chips fotonen om informatie te verzenden, te detecteren, te verwerken en af ​​te leveren. Golfgeleiders worden gebruikt om het licht te controleren en te richten, en door totale interne reflectie zijn fotonische chips vergelijkbaar met draden die worden gebruikt om elektrische signalen over te brengen. Een laserbron levert het licht dat nodig is om de componenten aan te drijven, vergelijkbaar met een schakelaar in een circuit. Via golfgeleiderverbindingen kunnen meerdere componenten worden geïntegreerd en gefabriceerd op één enkel substraat, waardoor robuuste en geminiaturiseerde oplossingen ontstaan. Componenten in fotonische circuits kunnen passief en actief zijn, met passieve componenten zoals schakelaars en multiplexers en actieve componenten zoals detectoren en lasers.
Vergeleken met elektronische chips is de moeilijkheid bij het integreren van fotonische chips vooral te wijten aan hun discrete aard. Vanuit productieoogpunt is de productie van fotonische geïntegreerde chips niet eenvoudig. Fotonische apparaten hebben een driedimensionale structuur, veel complexer dan de tweedimensionale structuur van de halfgeleiderintegratie. Om lasers, detectoren, modulators en andere apparaten in de chip te integreren, is het noodzakelijk om herhaaldelijk meerdere dunne-film diëlektrische lagen van verschillende materialen, zoals indiumfosfide, af te zetten en te etsen, wat zeer veeleisend is voor de apparatuur en procesvereisten.
"Ik heb er echter nog steeds vertrouwen in dat ik deze moeilijkheden in eigen land kan overwinnen." Prof. Zhang Xiaoguang zei: "Er is al een trend in de richting van op silicium gebaseerde integratie in de industrie, omdat dit soort systeemintegratie al relatief volwassen is en het binnenlandse onderzoek naar optische siliciumchips in principe is gesynchroniseerd met de wereld. Maar hoe kunnen we dit doen?" Als we silicium gebruiken als substraat voor optische componenten en de technologie massaproductie realiseren, zijn er nog steeds veel problemen aan de binnenkant, en nu moeten sommige apparaten die beter presteren in ons experimentele proces nog steeds afhankelijk zijn van import."
Volgens prof. Zhang Xiaoguang is de internationale chipindustrie al tientallen jaren ontwikkeld. Europa, de Verenigde Staten, Japan en andere landen in de optische chipindustrie zijn eerder begonnen met toonaangevende technologie. De Verenigde Staten hebben al lang het "National Institute for Photonic Integrated Manufacturing Innovation" opgericht om een ​​platform te creëren voor de ontwikkeling en voorbereiding van fotonische geïntegreerde apparaten; de Europese Unie om het "Horizon 2020"-programma uit te voeren, waarbij de nadruk ligt op de inzet van onderzoeksprojecten op het gebied van opto-elektronische integratie; Japan gaat het "Advanced Research and Development Program", het "Advanced Research and Development Program" implementeren. De Japanse implementatie van het "Advanced Research and Development Program", de inzet van ontwikkelingsprojecten voor opto-elektronische fusiesystemen. Overzeese optische chipbedrijven hebben een first-mover-voordeel, door de accumulatie van kerntechnologieën en productieprocessen, en geleidelijk de gesloten kringloop van de industrie te realiseren, om hoge industriële barrières te creëren.
Binnenlandse optische chipfabrikanten hebben over het algemeen de back-end verwerkingsmogelijkheden naast wafer-epitaxie, optische chip-epitaxie-technologie is nog niet volwassen, high-end epitaxiale wafer voor internationale epitaxiale fabrieksinkoop, waardoor de ontwikkeling van high-end optische chip wordt beperkt. Laserchip, China kan bijvoorbeeld de massaproductie van 10G en de volgende laserchips met lage en gemiddelde snelheid opschalen, maar 25G-laserchips zijn slechts een klein aantal leveranciers om de batchverzending te realiseren, 25G of meer laserchips, de meeste leveranciers zijn nog in de R&D- of kleinschalige proefproductiefase.
Ten tijde van de vorige late start van de binnenlandse technologie, staat het binnenlandse onderzoek naar chipintegratie meer op het hoogtepunt van de kant-en-klare onderzoeksresultaten van buitenlandse landen om zich te ontwikkelen en te innoveren, met de veranderingen in de internationale vorm van de binnenlandse hoge -de tech-industrie op het gebied van technologie heeft steeds meer beperkingen gekregen, maar doet ook steeds meer mensen beseffen hoe belangrijk technologische zelfredzaamheid is. China lanceerde al in 2016 de "grootschalige fotonische geïntegreerde chip", de strategische pilot-wetenschappelijke en technologische speciale projecten van de Chinese Academie van Wetenschappen, die de krachtige ontwikkeling van binnenlandse onafhankelijke innovatie bevorderden.
“Het allerbelangrijkste voor het land om echte industriële doorbraken te bereiken ligt echter in de opbouw van het systeem”, benadrukte prof. Zhang Xiaoguang aan het einde van de lezing, “vanuit het oogpunt van de daadwerkelijke productie is het belangrijkste De stap om zelfredzaamheid te bereiken is het opzetten van het algehele industriële systeem, in het bijzonder de vorming van een complete reeks processtromen. Als het principe in de eerste plaats kan worden begrepen, dan is het noodzakelijk om het systeem op te zetten. principe van het geval van iedereen kan doorkomen, omdat het onvolwassen proces de productopbrengst niet kan garanderen, onafhankelijke innovatie bestaat nog steeds alleen op papier.