Entrevista com Zhang Xiaoguang, da Universidade de Correios e Telecomunicações de Pequim: a situação e o futuro dos chips fotônicos

Nos últimos anos, com o rápido crescimento do tráfego global, os cenários de aplicações da Internet, da inteligência artificial e da computação em nuvem continuam a aumentar, como uma das tendências futuras na comunicação de alta velocidade, os chips fotônicos também inauguraram um período dourado de desenvolvimento. Tal como o seu circuito "predecessor", o circuito óptico também está na miniaturização, redução de potência e requisitos de baixo custo do apelo à integração, o chip óptico integrado (PIC) surgiu e tornou-se uma parte importante da moderna indústria de comunicações não pode ser ignorado. A fim de esclarecer ainda mais a situação e o futuro da tecnologia integrada, a Wikipedia teve uma conversa cara a cara com o Prof. Zhang Xiaoguang da Escola de Engenharia Eletrônica da Universidade de Correios e Telecomunicações de Pequim (BUPT), discutindo o passado e o presente vida útil dos chips fotônicos.
No início da conversa, o professor Zhang Xiaoguang foi direto ao ponto: "A tecnologia de integração de chips agora está muito madura e é amplamente utilizada em vários dispositivos eletrônicos, como telefones celulares, computadores, dispositivos domésticos inteligentes e assim por diante, todos usando tecnologia de integração de chips. No entanto, ainda existem deficiências na tecnologia de integração de chips da China, e os chips ópticos integrados são uma das dificuldades."

Um chip óptico integrado é um circuito funcional formado por um microchip contendo dois ou mais componentes fotônicos, daí o nome chip fotônico. O chip fotônico tem as vantagens do paralelismo de alta velocidade e baixo consumo de energia, e sua velocidade de cálculo e taxa de transmissão são mil vezes maiores que os chips eletrônicos, enquanto seu consumo de energia é apenas um noventa milésimo do dos chips eletrônicos, e os seus requisitos estruturais também são mais baixos, geralmente ao nível de cem nanómetros, reduzindo assim a dependência de processos avançados, e é considerada a tecnologia subjacente mais adequada para resolver o estrangulamento do desenvolvimento do poder aritmético.
Em termos de princípio de funcionamento, os chips fotônicos utilizam fótons para transmitir, detectar, processar e entregar informações. Guias de ondas são utilizados para controlar e direcionar a luz e, através da reflexão interna total, os chips fotônicos são comparáveis ​​aos fios usados ​​para transmitir sinais elétricos. Uma fonte de laser fornece a luz necessária para acionar os componentes, semelhante a um interruptor em um circuito. Através de conexões de guia de onda, múltiplos componentes podem ser integrados e fabricados em um único substrato, criando soluções robustas e miniaturizadas. Os componentes dos circuitos fotônicos podem ser passivos e ativos, com componentes passivos incluindo interruptores e multiplexadores e componentes ativos incluindo detectores e lasers.
Em comparação com os chips eletrônicos, a dificuldade de integração dos chips fotônicos se deve principalmente à sua natureza discreta. Do ponto de vista da fabricação, a fabricação de chips fotônicos integrados não é uma tarefa fácil. Os dispositivos fotônicos possuem uma estrutura tridimensional, muito mais complexa que a estrutura bidimensional da integração de semicondutores. Para integrar lasers, detectores, moduladores e outros dispositivos no chip, é necessário depositar e gravar repetidamente em múltiplas camadas dielétricas de filme fino de diferentes materiais, como fosfeto de índio, que é muito exigente para os requisitos de equipamento e processo.
"No entanto, ainda estou confiante em superar essas dificuldades internamente." O professor Zhang Xiaoguang disse: "Já existe uma tendência para a integração baseada em silício na indústria, pois esse tipo de integração de sistema já está relativamente maduro e a pesquisa nacional sobre chips ópticos de silício foi basicamente sincronizada com o mundo. Mas como fazer usar o silício como substrato de componentes ópticos e realizar a tecnologia de produção em massa, ainda há muitas dificuldades internas, e agora alguns dos dispositivos que apresentam melhor desempenho em nosso processo experimental ainda precisam contar com importações.”
Na opinião do Prof. Zhang Xiaoguang, a indústria internacional de chips vem se desenvolvendo há décadas. Europa, Estados Unidos, Japão e outros países da indústria de chips ópticos começaram mais cedo, liderando a tecnologia. Os Estados Unidos estabeleceram há muito tempo o "Instituto Nacional de Inovação em Fabricação Fotônica Integrada" para criar uma plataforma para o desenvolvimento e preparação de dispositivos fotônicos integrados; a União Europeia para implementar o programa "Horizonte 2020", com foco na implantação de projetos de pesquisa de integração optoeletrônica; Japão para implementar o "Programa Avançado de Pesquisa e Desenvolvimento", o "Programa Avançado de Pesquisa e Desenvolvimento". A implementação do "Programa Avançado de Pesquisa e Desenvolvimento" no Japão, a implantação de projetos de desenvolvimento de tecnologia de sistemas de fusão optoeletrônica. As empresas estrangeiras de chips ópticos têm uma vantagem de serem pioneiras, através do acúmulo de tecnologias essenciais e processos de produção, e gradualmente realizam o circuito fechado da indústria, para estabelecer altas barreiras industriais.
Os fabricantes nacionais de chips ópticos geralmente têm capacidades de processamento de back-end, além da epitaxia de wafer, a tecnologia epitaxial de núcleo de chip óptico não está madura, wafer epitaxial de alta qualidade para compras internacionais de plantas epitaxiais, limitando o desenvolvimento de chips ópticos de alta qualidade. Chip laser, por exemplo, a China pode escalar a produção em massa de 10G e os seguintes chips laser de baixa e média taxa, mas chip laser 25G apenas um pequeno número de fornecedores para realizar a remessa em lote, chip laser de 25G ou mais taxa a maioria dos fornecedores são ainda em fase de pesquisa e desenvolvimento ou produção experimental em pequena escala.
No momento do anterior início tardio da tecnologia nacional, a pesquisa de integração de chips domésticos está mais no auge dos resultados de pesquisa prontos de países estrangeiros para desenvolver e inovar, com as mudanças na forma internacional do alto nível nacional A indústria tecnológica no campo da tecnologia tem recebido cada vez mais restrições, mas também faz com que mais pessoas percebam a importância da autossuficiência tecnológica. A China lançou o "chip integrado fotônico em grande escala" já em 2016, os projetos especiais científicos e tecnológicos piloto estratégicos da Academia Chinesa de Ciências, promovendo o desenvolvimento vigoroso da inovação independente nacional.
"No entanto, o mais importante para o país alcançar verdadeiros avanços industriais reside na construção do sistema", enfatizou o Prof. Zhang Xiaoguang no final da palestra, "do ponto de vista da produção real, o mais importante O passo para alcançar a autossuficiência é estabelecer o sistema industrial global, em particular, a formação de um conjunto completo de fluxo de processo, se o princípio puder ser compreendido em primeiro lugar, então é necessário estabelecer o sistema. princípio do caso de todos pode passar, porque o processo imaturo não pode garantir o rendimento do produto, a inovação independente ainda está apenas no papel."