哈工大解决光电子芯片的数据容量和芯片尺寸难题

3月20日，中国激光杂志社公布了“2019年度中国光学十大进展”，量子秘钥分发、光子芯片、智能激光器、全色激光显示等20项重大光学科技成果入选（基础研究类与应用研究类各10项）。其中，哈工大（深圳）徐科、宋清海课题组牵头完成的“可密集集成和任意路由的模分复用光子芯片”入选应用研究类十大进展。这是一项前瞻性的研究，主要解决了光电子芯片的数据容量和芯片尺寸问题，为未来的数字技术发展奠定了基础。

基于 “二维码”结构的片上弯曲波导和交叉器件

“可密集集成和任意路由的模分复用光子芯片”成果发表在《自然·通讯》上。哈工大（深圳）博士研究生刘英杰为论文第一作者，徐科副教授、宋清海教授、姚勇教授和上海交大杜江兵副研究员为共同通讯作者，哈工大（深圳）为第一单位和通讯单位。

徐科副教授介绍，光电子芯片是高速通信系统的关键收发器件，在数据中心、5G、超级计算机等领域有重要应用。

基于 “二维码”结构的片上弯曲波导和交叉器件

为什么光电子芯片会被“委以重任”？徐科解释道：“现在大数据对网络带宽的需求非常高，而且持续快速增长，需要光通信网络作为支撑。光纤作为传输介质容量很大，但是到了数据中心或者终端，转换成电就遇到瓶颈了。光电子芯片一个很重要的应用就是在这个地方进行高速、大容量的光电转换，将传输光纤中的光信号转换成服务器、处理器能接收的电信号。”

光电子芯片是将多个元器件高度集成的，具有尺寸小、功耗低的优点，但它同时也有“软肋”——芯片上的多模光波导容易受到串扰和损耗的限制，很难做到紧凑、密集，从而导致芯片的集成度不够，数据通道数上不去，研究成果就是解决了这个问题。

课题组及科研合作团队基于一种“二维码”光子结构和优化算法，通过对波导有效折射率的精准调控，设计并制备了片上基于模分复用的关键功能性器件。模分复用是一种面向未来大通量并行信号处理与传输的新技术，但一直受到串扰和损耗的困扰，导致芯片集成规模受限。研究人员通过“二维码”新型光子结构和优化算法成功解决了这一问题，实现了尺寸仅为数微米的关键元件，比传统器件缩小了一个数量级，器件制作与标准硅光流片工艺完全兼容。这一突破使得光电子芯片的布线密度和集成规模得到了显著提升，支持更大的芯片带宽。

“我们的工作就是要解决模分复用芯片的布线过程中损耗高、串扰大导致芯片集成密度和规模受限的问题。解决了该问题，更大规模集成的模分复用芯片就成为可能了，也意味着芯片的数据容量可以得以显著提升。”徐科说。

那么，这项成果什么时候才能影响到我们的生活呢？

“目前的技术手段已经基本可以很好地满足日常的需求，暂时还不会用到这一项技术。只是一些特定的场合会使用到这一技术，比如超级计算机或者一些特定的网络节点对带宽有非常高的需求，可能会选择模式和波长复用结合的方法。”

徐科介绍，“模分复用是学术界提出的一个超前概念，目前商用产品还没有必要用到它。我们做的就是把难题提前解决掉，使模分复用成为一种可供选择的技术手段，为未来的科技发展扫清障碍。”

“我们的研究瞄准前沿，当前不一定会用到，但是某一天需要的时候这个技术一定要有。”徐科说，这就是科研工作者的眼光和担当。