【众妙之门】中科创星 | 给信息技术加上一个“光速”引擎
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《给信息技术加上一个“光速”引擎》
俗话说，天下武功，唯快不破。而宇宙中速度最快的，就是“光”。
就拿光纤来说，它就是利用光的速度来传输信息的。我们现在上网的速度之所以能这么快，很大程度上要归功于光纤技术。通过光纤，信息几乎可以瞬间传遍全球，这就是光的速度给我们带来的便利。不仅如此，像液晶显示器（LCD）、有机发光二极管（OLED）和量子点LED（QLED）这些显示技术，也是通过控制光的发射或传输来呈现图像的。
但是，人类想要的，远不于此。随着信息技术的不断进步，我们不仅希望用光来显示和传输信息，还梦想着能用光来进行计算。这样的技术一旦实现，将为我们带来前所未有的计算速度和效率。
目前，人类处理信息的主流“武器”还是电芯片，也就是我们常说的集成电路。这些芯片是由大量的电子元件构成的，比如晶体管、电容和电感等等。
而在这些元件中，晶体管扮演着非常关键的角色。你可以把晶体管想象成一个可以调节的电流开关，它能够根据输入电压的变化来精确地控制输出电流的强弱，这样的功能使得晶体管在处理信息时非常高效。
以场效应管（FET）为例，如图左所示，场效应管主要由源极（Source，S）、漏极（Drain，D）和栅极（Gate，G）组成，通过改变栅极电压来控制源极和漏极之间的导电沟道。当它的一个部分（栅极）上的电压达到一定的水平时，就会在另外两个部分（源极和漏极）之间形成一个可以让电流通过的通道。
通道一旦形成，电流就能在源极和漏极之间顺畅流动了。打个比方，这就类似于闸门控制水流。两者都具有开关功能，可以控制流体（水或电流）的流动，并且都可以调节流动的大小。
下图右侧是四种常见的场效应管类型，分别是N-沟道加强型、P-沟道加强型、N-沟道耗散型、P-沟道耗散型。四种场效应管各有优劣，实际运用中选择时取决于具体的电路设计要求、工作条件和性能需求等因素。
别看晶体管的工作原理很“简单”，但现如今，我们身边的许多电子产品都离不开它。比如说，我们的智能手机、电脑、平板电脑，甚至是家里的智能冰箱和洗衣机，这些设备里面都装有成千上万的晶体管。
就像现在，你在用智能手机或是电脑阅读这篇文章时，晶体管就在“幕后”快速地开关，确保信息能够顺利传输。可以说，没有晶体管，现代电子设备就无法实现如此复杂的功能。
不过，随着科技的不断发展，晶体管的体积已经缩小到了纳米级别。在这个尺度上，一些我们平时不会注意到的物理现象，比如量子效应，开始变得显著。
举个例子，电子可能会通过一种叫做隧穿效应的方式穿过它们本不应该穿过的障碍，这可能会导致电流泄漏。这种泄露会让晶体管的行为变得难以预测，进而影响整个芯片的性能。
同时，设计一款高性能的芯片是一项复杂的任务，设计者需要考虑电路的布局、信号的传输、散热等多个方面。这对设计人员的技术水平和他们使用的工具提出了很高标准的要求。
然而，在制造过程中，需要用到高精度的设备和先进的工艺，这大大增加了制造的难度。比如，光刻机这类芯片产业关键设备的精度和性能[A1] 已经成为芯片制造中的一个主要障碍。
此外，随着制造工艺变得越来越复杂和精细，保证芯片良率也变得更加困难。这意味着哪怕是一点点小瑕疵，也可能导致整个芯片无法正常工作。而要提高良率，往往就意味着成本的增加和生产周期的延长。
因此，聪明的人类又开始思考：如果我们能换个思路，用光子芯片来替代电子芯片，用光路来替代电路，直接用光来存储、传输和处理数据，这样不仅可以省去光电转换的步骤，还有可能利用光子的特性来克服目前的物理限制，突破芯片性能的上限，这岂不是很棒？
那么，为什么光子能超越现有的物理限制呢？或者说，用光子来处理数据究竟有哪些优势？光子的主要优势有以下几点：
首先，光子的传输速度非常快，它们的响应时间可以达到飞秒级别，这意味着信息传输和处理的速度可以达到数十太比特每秒（Tb/s），这比电子在电线中的传播速度快得多。因此，光子计算能在极短的时间内处理大量数据，这对于需要快速处理的复杂任务，比如人工智能训练和科学计算，是一个巨大的优势。
其次，光具有高带宽和并行性。光可以同时传输多个不同波长的信号，这就像是在同一条路上同时跑多辆车，大大提高了数据处理的能力和容量。这种并行处理能力使得光子计算可以同时处理多个任务，提高了计算效率，满足了现代社会对大数据的处理需求。
再者，光子计算非常节能。它的功耗非常低，预计可以达到每比特10的负18次方焦耳。相比之下，电子计算在处理大量数据时会产生很多热量，需要消耗大量能量来散热。在相同的能耗下，光子计算的速度可以比电子器件快数百倍，这对于减少数据中心的能源消耗和实现环保计算非常重要。
最后，光学元件可以实现高度集成。因为光信号在光学器件中不会相互干扰，所以可以更紧密地布置光学元件，提高计算机的密度和性能。这为光子计算设备的小型化和便携化提供了可能。
正是基于以上种种优势，光子计算变得越来越吸引人。比如，近年来非常热门的人工智能（AI）。AI的核心在于模仿人脑的工作方式，通过构建人工神经网络来实现。这些网络通过模拟人脑中的神经元，处理和解释大量数据，从而让计算机能够执行各种复杂的任务，比如识别图像、理解语言或者预测趋势。
而在构建人工神经网络，尤其是深度学习网络时，矩阵乘法是一种常用的计算方法。在这些网络中，每一层神经元的输出都是通过将输入数据与该层的权重矩阵进行矩阵乘法运算，然后通过激活函数处理得到的。实现这种算法时，光子芯片的优势就出来了。
在光子计算中，光的传播、干涉等行为可被视为线性运算，这与矩阵算法的线性计算特性相契合。例如，光在传播过程中对其幅度的连续调节可被视为乘法运算，双臂干涉可被视为 2×2 的复数矩阵乘法等。
通过堆叠这些基础的光学运算单元，可以实现大尺寸的光子矩阵乘法器，从而高效地完成矩阵运算。除了在人工智能领域大放异彩，光子芯片在自动驾驶、量子计算等多个领域也显示出了巨大的潜力。
不过，前景广大是一回事，要真正掌握它又是另一回事。所以，接下来的问题就是，我们该如何控制光？
之前我们提到，要控制电子的流动，可以通过改变栅极电压来实现。对于光来说，科学家们则使用了一种名为马赫-曾德尔调制器（Mach-Zehnder Modulator）的装置。这个装置利用光波的特性，比如干涉和散射，来实现光信号的调制，进而完成计算任务。
具体来看，马曾器的工作原理是将光源的光分成两束，分别在两个等长的波导中传播，最终汇合输出为一束光。正常情况下，若没有特殊干预，一个恒定的光输入会得到一个恒定的光输出。
但是，我们为了让光表示不同的信号，要对光进行干预。这个方式就是利用材料特性改变光程差。所谓光程差，指的是当两束或多束光波相遇时，它们的波峰和波谷之间的位置差异。
这种差异发生是因为光波在传播过程中，由于路径不同，所走过的距离也不同——光程差在理解和设计各种光学现象和设备中扮演着关键角色，比如我们常见的干涉、衍射现象，以及干涉仪等高级光学设备都离不开对光程差的精确控制。
说回光子芯片。由于制作光子晶体管的材料比较特殊，其折射率会根据外界温度或者外加电场而改变。在马曾器中，其中一路波导连上金属电极，通电后给这部分材料加温或施加电场——加温时，材料的温度发生变化，导致折射率改变。同理，施加电场时，材料在电场作用下，其内部的电子分布发生变化，进而引起折射率改变。
当折射率改变后，这一路的光程就会改变。而改变其中一路的光程，就会产生光程差。光程差的产生使得两束光在汇合时发生干涉现象。根据光程差的大小，输出的光会呈现出不同的明暗程度，从而可以用明暗不同的光来表示 “1” 和 “0”，实现对光的控制和信息编码。于是，我们就“操纵”了光，进而也可以制作光子芯片。
图片来源：models.woptics.mach_zehnder_modulator
值得提醒的是，当我们讨论一项新技术时，除了要了解它的工作原理、技术优势和可能的应用场景，还有一个非常重要的问题需要解决，那就是如何让这项技术能够大规模量产。
大家都明白，无论一项技术多么出色，如果它只能停留在实验室阶段，那么它离真正创造经济价值还有很长的路要走。因此，对于任何技术来说，是否能够大规模生产，是我们决定是否要大力推广这项技术的一个重要因素。这个道理放在光子芯片身上也不例外。
以电子芯片为例，硅芯片之所以能够成为主流，最关键的原因就是它们可以大规模生产。这种生产能力不仅降低了成本，还使得电子设备更加普及和经济实惠。同样，对于光子芯片，如果我们能够找到方法进行大规模生产，就能让这项技术更快地走进市场，为我们的日常生活带来更多便利和创新。
目前，硅片虽然常用于制造芯片，但它并不是制造光子芯片的理想材料，因为它的折射率比较稳定，不太适合用来制造高端光子芯片。为此，科学家们正在寻找新的材料来替代硅片，如磷化铟、III-V族化合物、铌酸锂等。
在这些材料中，铌酸锂尤其受到关注。作为一种集多种光电性能于一身的晶体材料，铌酸锂自20世纪20年代被发现以来，其研究和应用已经接近一百年的历史。铌酸锂晶体因其独特的物理化学特性，如高居里温度、优异的压电效应、电光效应、非线性光学效应等，被广泛应用于光通信、激光技术、传感器、医疗设备等领域。
尽管铌酸锂晶体具有显著的性能优势，但其成本相对较高，这限制了其在更广泛领域的应用。铌酸锂晶体的原材料主要包括铌酸钾、碳酸锂等，这些原料的成本加上复杂的加工工艺，使得铌酸锂晶体的价格较高。此外，铌酸锂晶体的制备过程需要精确控制晶体生长的条件，如温度、压力等，这也增加了生产成本。
为了解决上述成本问题，中国科学家们引入了另一种可以低成本进行可扩展制造的材料——钽酸锂。
2024年5月，中国科学院上海微系统与信息技术研究所在钽酸锂异质集成晶圆及高性能光子芯片制备领域取得突破性进展。他们开发出的钽酸锂异质集成晶圆，成功用于制作高性能光子芯片，相关研究成果以《可批量制造的钽酸锂集成光子芯片》（Lithium tantalate photonic integrated circuits for volume manufacturing）为题，发表在《自然》（Nature）上。
简单来说，中国科学院上海微系统与信息技术研究所制作钽酸锂异质集成晶圆主要采用了以下方法：
第一步，采用基于“万能离子刀”的异质集成技术：研究人员在钽酸锂材料表面下约600纳米的位置注入氢离子，这些注入的离子会在材料内部形成特定的应力场和缺陷结构，得以“削”下一层纳米厚度的单晶薄膜。这种离子注入的方式“切”法，能够精确地控制薄膜的厚度和质量，为后续的晶圆制备提供了高质量的钽酸锂薄膜材料。
第二步，晶圆键合：将制备好的钽酸锂薄膜与硅衬底进行键合。硅基钽酸锂异质晶圆是一种“三明治”结构，即由“硅-二氧化硅-钽酸锂”组成，通过晶圆键合技术将不同材料的晶圆紧密地结合在一起，形成稳定的异质结构。
第三步，微纳加工：在完成晶圆的基础制备后，需要对光子器件进行微纳加工，以实现特定的光学功能。该研究所与合作团队联合开发了加工方法，将对应器件的光学损耗降低至5.6dBm-1。
图片来源：《可批量制造的钽酸锂集成光子芯片》（Lithium tantalate photonic integrated circuits for volume manufacturing）
以上所述，就是中国科学院上海微系统与信息技术研究所制造光子芯片的方法。如果你对这方面感兴趣，并且拥有相应的设备，不妨自己动手尝试制作一个光子芯片。
好，讲到这里，我们已经基本了解了光子计算和光子芯片的基础知识。总的来说，目前的光子芯片的应用还在起步阶段，光本身也有一些特性上的限制。因此，行业内的期望是将电子芯片和光子芯片集成到一起，采用光电混合异构的方式，以此来进一步提升芯片的计算能力。
光子技术的发展经历了从几何光学到量子光学的多个阶段，每一次技术的飞跃都伴随着人类对光的认识和利用的深化。
1979 年，钱学森教授在《中国激光》上著文，首次提出“光子学、光子技术和光子工业”的光子学发展模式，并认为以集成光路为核心的光子计算机的运算能力可以超过电子计算机百倍、千倍乃至万倍。
如今，随着集成电路芯片制造工艺逼近物理极限，光子技术作为一种具有巨大发展潜力的新兴技术，受到了各国政府的高度重视。
对于中国而言，在光子技术领域取得突破必将为我国在通信、计算、人工智能等众多领域带来全新的机遇，助力我国在全球科技竞争中占据有利地位，为实现中华民族伟大复兴的中国梦提供坚实的科技支撑。
11月3日，由西安高新区管委会、中国科学院西安光机所主办，西科控股、中科创星、陕西光电子先导院、陕西光子创新中心承办的“2024硬科技创新大会光子产业峰会”，将以“追光焕新，聚链成群”为主题在西安举办，继续紧扣光子产业新趋势，深度研讨光子技术新理念，与“光”同行，照亮未来。
1.Lithium tantalate photonic integrated circuits for volume manufacturing | Nature.
2.上海微系统所等开发出可批量制造的新型光学“硅”与芯片技术.
陕西省创业投资协会成立于2003年11月，是由陕西省科技厅发起，经陕西省民政厅注册登记，由从事创业投资以及与创业投资相关的机构和个人自愿组成的全省性、非营利性、自律性的行业组织和社团法人。截至目前，现有会员共195家，其中理事会员28家、普通会员163家，另有4家观察会员。协会是陕西省4A社团组织，中基协地方协会特别会员，省级技术转移示范机构。通过行业研究、项目路演，大赛组织，人才培养，行业交流等形式，有效促进了陕西创业投资环境建设和机构发展，得到社会的高度肯定，具有良好的平台影响力。联系电话：029-81026408
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