文/傅耀威 孟憲佳（科技部高技術(shù)研究發(fā)展中心 西北大學(xué)）

       光電子集成芯片技術(shù)正處于高速發(fā)展時(shí)期。全球都投入了大量資源進(jìn)行高端光電子器件的研發(fā)，在有關(guān)基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題、關(guān)鍵技術(shù)、示范應(yīng)用、產(chǎn)業(yè)推廣等方面均有重大進(jìn)展和突破。本文對(duì)光電子集成芯片技術(shù)國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)進(jìn)行了梳理分析，并提出了我國(guó)進(jìn)一步發(fā)展的對(duì)策建議。
一、關(guān)于光電子集成芯片技術(shù)
       光電子集成芯片技術(shù)是將光電材料和功能微結(jié)構(gòu)集成在單一芯片上2，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的新技術(shù)。發(fā)展與微電子集成電路類似的光電子集成芯片技術(shù)，是光電子器件技術(shù)正在面臨著的一次里程碑式變革。
       目前的光子器件總體處于“單個(gè)晶體管”時(shí)代，信息系統(tǒng)的能耗和容量問(wèn)題仍然沒(méi)有得到有效的解決。光電子集成芯片技術(shù)具有低功耗、高速率、高可靠、小體積等突出的優(yōu)點(diǎn)，必將在光傳輸、光信息處理與交換、光接入以及光與無(wú)線融合等領(lǐng)域的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，是突破信息網(wǎng)絡(luò)所面臨的速率和能耗兩大技術(shù)瓶頸的必由之路。光電子集成芯片技術(shù)在傳感、計(jì)算、生物、醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域也有著廣泛的應(yīng)用前景。
二、國(guó)際發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)
       當(dāng)前，光電子集成芯片技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)特點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)層面：
       1. 芯片與器件層面：光電子集成化
       集成化是光電子技術(shù)發(fā)展的必由之路，這已經(jīng)是光電子科學(xué)技術(shù)發(fā)展已經(jīng)證明了的事實(shí)，也是學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界的共識(shí)。只有集成才能夠支撐未來(lái)信息系統(tǒng)對(duì)速率帶寬、能耗體積以及智能可調(diào)控等發(fā)展需求。然而，光電子集成與基于單一硅材料的微電子集成有著巨大的差別，涉及異質(zhì)（材料）、異構(gòu)、異速、異維等關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。
       2. 功能模塊層面：可重構(gòu)智能化
       隨著各種信息應(yīng)用的動(dòng)態(tài)化和復(fù)雜化，為了支撐信息傳輸、交換及處理的智能化需求，光電子功能模塊必須具備可重構(gòu)的能力，在對(duì)系統(tǒng)性能沒(méi)有影響的情況下完成所需要的快速功能轉(zhuǎn)換（例如波長(zhǎng)、偏振、頻段等）?！翱烧{(diào)試”“可編程”“可重構(gòu)”等關(guān)鍵詞將成為絕大多數(shù)高性能光電子模塊的基本特征。
       3. 系統(tǒng)應(yīng)用層面：多維信號(hào)調(diào)控
       為了適應(yīng)現(xiàn)代信息社會(huì)對(duì)帶寬需求的高速增長(zhǎng)，核心光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)所面臨的信號(hào)維度已經(jīng)不是傳統(tǒng)的單一維度（如波長(zhǎng)WDM、幅度OOK等），而是越來(lái)越復(fù)雜的維度組合（波長(zhǎng)、偏振、模式、軌道角動(dòng)量等等），各種復(fù)用技術(shù)如波分復(fù)用技術(shù)(WDM)、時(shí)分復(fù)用技術(shù)(TDM)、偏振復(fù)用技術(shù)(PDM)、正交頻分復(fù)用技術(shù)(OFDM)、空分復(fù)用技術(shù)(SDM)和各種高階調(diào)制格式如PSK、QPSK、QAM等已被廣泛應(yīng)用于光纖通信系統(tǒng)中，因此，高效的信號(hào)調(diào)控機(jī)制（包括產(chǎn)生、傳輸、交換、處理、接收等）將成為下一階段的研究重點(diǎn)。
       光電子器件及集成技術(shù)正處于高速發(fā)展時(shí)期，進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，國(guó)際上圍繞光電子技術(shù)部署了許多重大的研究計(jì)劃，投入了大量的人力物力進(jìn)行高端光電子器件的研發(fā)，在光電子的基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題、關(guān)鍵技術(shù)、示范應(yīng)用、產(chǎn)業(yè)推廣等方面均有重大進(jìn)展和突破，有力支撐了各國(guó)信息領(lǐng)域整體水平的提升。
       歐盟在前期5th Framework項(xiàng)目PICCO基礎(chǔ)上部署了6th Framework項(xiàng)目PICMOS和ePIXnet，在7th Framework中部署了HELIOS、PhotonFAB和ERA-NET-PLUS等項(xiàng)目，而“Horizon 2020”計(jì)劃更是集中部署了光電子集成研究項(xiàng)目，旨在實(shí)現(xiàn)基于半導(dǎo)體材料或二維晶體材料的光電混合集成芯片。
       日本先后實(shí)施了世界最尖端IT國(guó)家重點(diǎn)研究開發(fā)項(xiàng)目——光電子元器件技術(shù)開發(fā)項(xiàng)目，TIA項(xiàng)目（筑波納米技術(shù)革新平臺(tái)），下一代高效率網(wǎng)絡(luò)器件技術(shù)開發(fā)項(xiàng)目等等，目前正在實(shí)施的First Program（先端研究開發(fā)計(jì)劃）部署了“光電子融合系統(tǒng)技術(shù)開發(fā)項(xiàng)目”。
       美國(guó)更是集中精力開展光電子技術(shù)研究，尤其以DARPA和NSF資助了多個(gè)重大研究計(jì)劃，包括HPC/UHPC、EPIC、UNIC、POEM和MURI等計(jì)劃。2014年10月美國(guó)總統(tǒng)奧巴馬宣布光子集成技術(shù)國(guó)家戰(zhàn)略，聯(lián)邦政府結(jié)合社會(huì)資本投入6.5億美元打造光子集成器件研發(fā)制備平臺(tái)。
       無(wú)論是美國(guó)NRC報(bào)告《Optics and Photonics：Essential Technologies for Our Nation》（2012年）和美國(guó)國(guó)家納米技術(shù)計(jì)劃組織（NNI）發(fā)布的《2020及未來(lái)納米電子器件發(fā)展計(jì)劃》（2010年），還是歐洲的《Towards 2020- Photonics Driving Economic Growth in Europe》（2013年）和 “電子器件與系統(tǒng)”計(jì)劃（ECSEL）（2014年），以及其它國(guó)家繁多的研究報(bào)告，都明確了光電子與微電子技術(shù)對(duì)未來(lái)信息產(chǎn)業(yè)和國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重大作用，并指出了當(dāng)前和未來(lái)五到十年內(nèi)光電子與微電子研究的趨勢(shì)。
三、我國(guó)發(fā)展現(xiàn)狀與水平
       “十二五”期間我國(guó)在多波長(zhǎng)激光器陣列、超高速長(zhǎng)距離光傳輸、高速光調(diào)制器、大規(guī)模光交換芯片，以及全光信號(hào)處理芯片等光電子集成芯片相關(guān)技術(shù)方面取得了重要進(jìn)展。
       在研發(fā)層面上的光電子單元器件部分指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到國(guó)際水平，如70Gb/s硅基調(diào)制器，40Gb/s鍺硅探測(cè)器，24GHz模擬直調(diào)激光器，高效光柵耦合器及波分復(fù)用器等，而光電子器件集成芯片技術(shù)與發(fā)達(dá)國(guó)家還存在較大差距；尤其是在高端光電子芯片及器件的研發(fā)方面能力嚴(yán)重不足，包括芯片制備和標(biāo)準(zhǔn)化工藝。我國(guó)光通信系統(tǒng)整機(jī)和設(shè)備制造能力已經(jīng)位居世界前列，例如自主整機(jī)產(chǎn)品已占全球光網(wǎng)絡(luò)的五分之二，光接入設(shè)備占全球的四分之三，光纖光纜占全球的二分之一。但我國(guó)光電子器件產(chǎn)業(yè)缺乏核心技術(shù)，設(shè)計(jì)和制造能力不足，高端光電器件和芯片主要依賴進(jìn)口。
       圖1給出了國(guó)際權(quán)威機(jī)構(gòu)（Ovum）對(duì)寬帶光網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和光電子器件企業(yè)情況。從圖中可見(jiàn)，我國(guó)光網(wǎng)絡(luò)設(shè)備供應(yīng)商企業(yè)華為、中興和烽火在全世界分別排第1、第2和第5位，僅僅這三家公式占全球市場(chǎng)40%以上，處于國(guó)際領(lǐng)先水平。
       在已經(jīng)廣泛使用的寬帶光網(wǎng)絡(luò)的核心傳輸和交換設(shè)備中，光電子器件的成本比重分別達(dá)到70%和60%，在目前正在進(jìn)行商業(yè)化的超100G光網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中，光電子器件的成本比重超過(guò)80%。然而我國(guó)光電子器件需求和產(chǎn)能嚴(yán)重失調(diào)，目前我國(guó)僅有武漢光迅、海信多媒體、華美光電和中科光芯等企業(yè)具有一定規(guī)模的光器件生產(chǎn)能力。在全球前10位的光電子器件供應(yīng)商中，我國(guó)僅有光迅排第5位（占全球市場(chǎng)份額5%）。高端光芯片95%從日本和美國(guó)進(jìn)口，2014年光電子器件綜合國(guó)產(chǎn)化率僅為13%（主要集中在中低端器件）。以光電子收發(fā)器件為例，速率為2.5Gb/s、10Gb/s和100Gb/s的光電子收發(fā)器件需求為37、44和29億元，國(guó)產(chǎn)化率分別為30%、4%和空白。
       總體來(lái)講，我國(guó)光電子器件技術(shù)還處于跟跑階段，制約我國(guó)光電子技術(shù)發(fā)展的突出問(wèn)題包括光電子器件加工設(shè)備研發(fā)實(shí)力薄弱，缺乏標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化的光電子器件工藝平臺(tái)，以及芯片模塊化封裝和測(cè)試分析技術(shù)落后等，導(dǎo)致國(guó)內(nèi)自主芯片和工藝裝備一直處于十分落后的狀態(tài)，差距有逐漸擴(kuò)大的風(fēng)險(xiǎn)。
四、我國(guó)進(jìn)一步發(fā)展對(duì)策建議
       對(duì)應(yīng)我國(guó)當(dāng)前光電子集成芯片技術(shù)發(fā)展面臨巨大的挑戰(zhàn)，提出對(duì)策建議如下：
       1.加強(qiáng)器件技術(shù)研發(fā)和生產(chǎn)，迅速提高國(guó)產(chǎn)化率。盡快啟動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“光電子器件與集成”重點(diǎn)專項(xiàng)，并加大中央財(cái)政資金投入，加快基礎(chǔ)和技術(shù)創(chuàng)新。制定促進(jìn)光電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展的相關(guān)政策，光電子企業(yè)享有與集成電路企業(yè)相同的產(chǎn)業(yè)政策、稅收政策和人才政策，快速提升光電子器件的國(guó)產(chǎn)化率。
       2.優(yōu)化光電子產(chǎn)業(yè)生態(tài)，構(gòu)建長(zhǎng)效戰(zhàn)略合作機(jī)制。加強(qiáng)光電子器件生產(chǎn)制造裝備研發(fā)，建立光電子芯片公益性光電子器件工藝加工平臺(tái)，為高端光電子芯片研發(fā)和生產(chǎn)提供技術(shù)支撐和服務(wù)。建立光電子器件設(shè)計(jì)和制備技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化體系，增強(qiáng)產(chǎn)業(yè)群體國(guó)際話語(yǔ)權(quán)。鼓勵(lì)建立光電子器件產(chǎn)業(yè)協(xié)作聯(lián)盟，整合產(chǎn)業(yè)中分散的研發(fā)力量，完善創(chuàng)新體系與產(chǎn)業(yè)生態(tài)環(huán)境。
       3.加強(qiáng)國(guó)際合作，實(shí)現(xiàn)我國(guó)光電子器件跨越發(fā)展。利用加拿大以及荷蘭、意大利、西班牙、德國(guó)等歐洲國(guó)家在光子集成芯片等高端光電子器件方面的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，迅速提升未來(lái)網(wǎng)絡(luò)急需的集成光電子器件研發(fā)能力。加大光電子器件產(chǎn)業(yè)核心人才引進(jìn)力度，繼續(xù)推動(dòng)出臺(tái)針對(duì)的相關(guān)人才回國(guó)就業(yè)和創(chuàng)業(yè)支持政策。

注：
1 本報(bào)告為科技創(chuàng)新戰(zhàn)略研究專項(xiàng)項(xiàng)目“重點(diǎn)科技領(lǐng)域發(fā)展熱點(diǎn)跟蹤研究”(編號(hào)：ZLY2015072）成果之一。
2 即將多個(gè)光電子分立器件，如激光器、光調(diào)制器、光探測(cè)器、光放大器和解復(fù)用器等，通過(guò)合理的優(yōu)化、設(shè)計(jì)、工藝加工和封裝，集成到單一芯片上。
           本文特約編輯：姜念云