Интервю с Zhang Xiaoguang от Пекинския университет за пощи и телекомуникации: тежкото положение и бъдещето на фотонните чипове

През последните години, с бързия растеж на глобалния трафик, интернет, изкуственият интелект и сценариите за приложения за облачни изчисления продължават да се увеличават, като една от бъдещите тенденции във високоскоростната комуникация, фотонните чипове също поставиха началото на златен период на развитие. Подобно на своя "предшественик" верига, оптичната верига също е в миниатюризацията, намаляването на мощността и изискванията за ниска цена на призива за интеграция, интегриран оптичен чип (PIC) се появи и се превърна във важна част от съвременната комуникационна индустрия не може да се пренебрегне. За да изясни допълнително затрудненото положение и бъдещето на интегрираната технология, Wikipedia проведе разговор лице в лице с проф. Джан Сяогуанг от Училището по електронно инженерство, Пекинския университет за пощи и телекомуникации (BUPT), обсъждайки миналото и настоящето живот на фотонни чипове.
В началото на разговора проф. Джан Сяогуанг стигна точно до въпроса: „Технологията за интегриране на чипове вече е много зряла и се използва широко в различни електронни устройства, като мобилни телефони, компютри, интелигентни домашни устройства и т.н. всички използват технология за интегриране на чипове. Все още обаче има недостатъци в технологията за интегриране на чипове в Китай, а интегрираните оптични чипове са една от трудностите."

Интегрираният оптичен чип е функционална верига, образувана от микрочип, съдържащ два или повече фотонни компонента, откъдето идва и името фотонен чип. Фотонният чип има предимствата на високоскоростен паралелизъм и ниска консумация на енергия, а неговата скорост на изчисление и скорост на предаване са хиляди пъти по-високи от тези на електронните чипове, докато консумацията на енергия е само една деветдесет хилядна от тази на електронните чипове, и нейните структурни изисквания също са по-ниски, обикновено на ниво сто нанометра, като по този начин се намалява зависимостта от усъвършенствани процеси и се счита за най-подходящата основна технология за решаване на пречките в развитието на аритметичната мощност.
По отношение на принципа на работа фотонните чипове използват фотони за предаване, усещане, обработка и доставяне на информация. Вълноводите се използват за контрол и насочване на светлината, а чрез пълно вътрешно отражение фотонните чипове са сравними с проводниците, използвани за предаване на електрически сигнали. Лазерен източник осигурява светлината, необходима за задвижване на компонентите, подобно на превключвател във верига. Чрез вълноводни връзки множество компоненти могат да бъдат интегрирани и произведени върху един субстрат, създавайки здрави и миниатюризирани решения. Компонентите във фотонните вериги могат да бъдат пасивни и активни, като пасивните компоненти включват превключватели и мултиплексори, а активните компоненти включват детектори и лазери.
В сравнение с електронните чипове, трудността при интегрирането на фотонни чипове се дължи главно на тяхната дискретна природа. От гледна точка на производството, производството на фотонни интегрирани чипове не е лесно нещо. Фотонните устройства имат триизмерна структура, много по-сложна от двуизмерната структура на полупроводниковата интеграция. За да се интегрират лазери, детектори, модулатори и други устройства в чипа, е необходимо многократно да се отлагат и ецват върху множество тънкослойни диелектрични слоеве от различни материали, като индиев фосфид, което е много взискателно за оборудването и изискванията на процеса.
„Въпреки това, все още съм уверен, че ще преодолея тези трудности на вътрешния пазар.“ Проф. Zhang Xiaoguang каза: „В индустрията вече има тенденция към интеграция, базирана на силиций, тъй като този вид системна интеграция вече е сравнително зряла и вътрешните изследвания на силициевите оптични чипове са основно синхронизирани със света. Но как да използвайки силиций като субстрат на оптични компоненти и реализирайки масовото производство на технологията, все още има много трудности отвътре и сега някои от устройствата, които се представят по-добре в нашия експериментален процес, все още трябва да разчитат на внос."
Според проф. Zhang Xiaoguang международната индустрия за чипове се развива от десетилетия. Европа, Съединените щати, Япония и други страни в индустрията за оптични чипове започнаха по-рано, водещи технологии. Съединените щати отдавна са създали „Национален институт за фотонни интегрирани производствени иновации“, за да създадат платформа за разработване и подготовка на фотонни интегрирани устройства; Европейският съюз да изпълни програмата „Хоризонт 2020“, като се фокусира върху разгръщането на изследователски проекти за оптоелектронна интеграция; Япония да изпълни „Програма за напреднали изследвания и развитие“, „Програма за напреднали изследвания и развитие“. Изпълнението на Япония на „Програмата за напреднали изследвания и развитие“, внедряването на проекти за развитие на технологиите за оптоелектронна система за синтез. Отвъдморските компании за оптични чипове имат предимство на първи, чрез натрупването на основни технологии и производствени процеси и постепенно реализират затворения цикъл на индустрията, за да установят високи индустриални бариери.
Вътрешните производители на оптични чипове обикновено разполагат с възможности за бек-енд обработка в допълнение към епитаксията на вафли, епитаксиалната технология на ядрото на оптичния чип не е зряла, епитаксиалните вафли от висок клас за международни доставки на епитаксиални инсталации, ограничавайки развитието на оптични чипове от висок клас. Лазерен чип, например, Китай може да мащабира масовото производство на 10G и следния лазерен чип с ниска и средна скорост, но 25G лазерен чип само малък брой доставчици за реализиране на партидната доставка, 25G или повече лазерен чип повечето от доставчиците са все още в стадий на научноизследователска и развойна дейност или опитно производство в малък мащаб.
По време на предишния късен старт на местната технология, вътрешните изследвания за интегриране на чипове са повече в разгара на готовите резултати от изследвания на чужди държави за развитие и иновации, с промените в международната форма на вътрешния висок -технологичната индустрия в областта на технологиите получава все повече и повече ограничения, но също така кара повече хора да осъзнаят важността на технологичната самостоятелност. Китай стартира "мащабния фотонен интегриран чип" още през 2016 г., стратегическите пилотни научни и технологични специални проекти на Китайската академия на науките, насърчаващи енергичното развитие на вътрешните независими иновации.
„Въпреки това, най-важното за страната да постигне истински пробив в индустрията е изграждането на системата“, подчерта проф. Джан Сяогуанг в края на разговора, „от гледна точка на действителното производство, най-важното стъпка за постигане на самостоятелност е да се установи цялостната промишлена система, по-специално формирането на пълен набор от процеси, ако принципът може да бъде разбран на първо място, тогава е необходимо да се установи системата. принципът на случая на всички може да премине, тъй като незрелият процес не може да гарантира добива на продукта, независимите иновации все още са само на хартия."