Interview mit Zhang Xiaoguang von der Universität für Post und Telekommunikation Peking: Die Not und Zukunft photonischer Chips

In den letzten Jahren haben mit dem rasanten Wachstum des globalen Verkehrs die Anwendungsszenarien für Internet, künstliche Intelligenz und Cloud Computing weiter zugenommen, und als einer der Zukunftstrends in der Hochgeschwindigkeitskommunikation haben auch photonische Chips eine goldene Entwicklungsphase eingeläutet. Wie seine „Vorgänger“-Schaltung ist auch die optische Schaltung unter den Anforderungen der Miniaturisierung, Leistungsreduzierung und niedrigen Kosten der Integration entstanden, ein integrierter optischer Chip (PIC) ist entstanden und hat sich zu einem wichtigen Bestandteil der modernen Kommunikationsindustrie entwickelt Kann nicht ignoriert werden. Um die missliche Lage und die Zukunft der integrierten Technologie weiter zu klären, führte Wikipedia ein persönliches Gespräch mit Prof. Zhang Xiaoguang von der School of Electronic Engineering der Beijing University of Posts and Telecommunications (BUPT), in dem er über Vergangenheit und Gegenwart sprach Lebensdauer photonischer Chips.
Zu Beginn des Gesprächs brachte Prof. Zhang Xiaoguang es auf den Punkt: „Die Chip-Integrationstechnologie ist mittlerweile sehr ausgereift und wird häufig in verschiedenen elektronischen Geräten wie Mobiltelefonen, Computern, Smart-Home-Geräten usw. eingesetzt.“ Alle nutzen Chip-Integrationstechnologie. Allerdings gibt es immer noch Mängel in Chinas Chip-Integrationstechnologie, und integrierte optische Chips sind eine der Schwierigkeiten.“

Ein integrierter optischer Chip ist ein Funktionsschaltkreis, der aus einem Mikrochip besteht, der zwei oder mehr photonische Komponenten enthält, daher der Name „photonischer Chip“. Der photonische Chip bietet die Vorteile einer Hochgeschwindigkeitsparallelität und eines geringen Stromverbrauchs. Seine Berechnungsgeschwindigkeit und Übertragungsrate sind tausendmal höher als bei elektronischen Chips, während sein Stromverbrauch nur ein Neunzigtausendstel des Stromverbrauchs elektronischer Chips beträgt Auch seine strukturellen Anforderungen sind geringer, im Allgemeinen auf der Hundert-Nanometer-Ebene, wodurch die Abhängigkeit von fortschrittlichen Prozessen verringert wird, und es wird als die am besten geeignete zugrunde liegende Technologie zur Lösung des Engpasses bei der Entwicklung der Rechenleistung angesehen.
Was das Funktionsprinzip betrifft, nutzen photonische Chips Photonen, um Informationen zu übertragen, zu erfassen, zu verarbeiten und bereitzustellen. Wellenleiter werden verwendet, um das Licht zu steuern und zu lenken, und durch Totalreflexion sind photonische Chips mit Drähten vergleichbar, die zur Übertragung elektrischer Signale verwendet werden. Eine Laserquelle liefert das zum Antrieb der Komponenten benötigte Licht, ähnlich einem Schalter in einem Stromkreis. Durch Wellenleiterverbindungen können mehrere Komponenten auf einem einzigen Substrat integriert und hergestellt werden, wodurch robuste und miniaturisierte Lösungen entstehen. Komponenten in photonischen Schaltkreisen können passiv und aktiv sein, wobei passive Komponenten Schalter und Multiplexer und aktive Komponenten Detektoren und Laser umfassen.
Im Vergleich zu elektronischen Chips liegt die Schwierigkeit bei der Integration photonischer Chips hauptsächlich in ihrer diskreten Natur. Aus fertigungstechnischer Sicht ist die Herstellung photonisch integrierter Chips keine einfache Sache. Photonische Bauelemente haben eine dreidimensionale Struktur, die viel komplexer ist als die zweidimensionale Struktur der Halbleiterintegration. Um Laser, Detektoren, Modulatoren und andere Geräte in den Chip zu integrieren, ist es notwendig, auf mehreren dielektrischen Dünnfilmschichten aus unterschiedlichen Materialien wie Indiumphosphid wiederholt abzuscheiden und zu ätzen, was sehr hohe Anforderungen an die Ausrüstung und die Prozessanforderungen stellt.
„Allerdings bin ich weiterhin zuversichtlich, diese Schwierigkeiten im Inland überwinden zu können.“ Prof. Zhang Xiaoguang sagte: „In der Branche gibt es bereits einen Trend zur siliziumbasierten Integration, da diese Art der Systemintegration bereits relativ ausgereift ist und die inländische Forschung zu optischen Siliziumchips im Wesentlichen mit der Welt synchronisiert wurde. Aber wie geht das?“ Wenn wir Silizium als Substrat für optische Komponenten verwenden und die Technologie in Massenproduktion umsetzen, gibt es im Inneren immer noch viele Schwierigkeiten, und jetzt müssen einige der Geräte, die in unserem experimentellen Prozess eine bessere Leistung erbringen, immer noch auf Importe angewiesen sein.“
Nach Ansicht von Prof. Zhang Xiaoguang hat sich die internationale Chipindustrie über Jahrzehnte entwickelt. Europa, die Vereinigten Staaten, Japan und andere Länder begannen früher mit der führenden Technologie in der optischen Chipindustrie. Die Vereinigten Staaten haben seit langem das „National Institute for Photonic Integrated Manufacturing Innovation“ gegründet, um eine Plattform für die Entwicklung und Vorbereitung photonisch integrierter Geräte zu schaffen; die Europäische Union soll das Programm „Horizont 2020“ umsetzen, das sich auf die Umsetzung von Forschungsprojekten zur optoelektronischen Integration konzentriert; Japan setzt das „Advanced Research and Development Program“, das „Advanced Research and Development Program“, um. Japans Umsetzung des „Advanced Research and Development Program“, die Einführung von Entwicklungsprojekten für optoelektronische Fusionssystemtechnologie. Ausländische Unternehmen für optische Chips haben durch die Anhäufung von Kerntechnologien und Produktionsverfahren einen First-Mover-Vorteil und realisieren nach und nach den geschlossenen Industriekreislauf, wodurch hohe Branchenbarrieren entstehen.
Inländische Hersteller optischer Chips verfügen in der Regel zusätzlich zur Wafer-Epitaxie über Back-End-Verarbeitungskapazitäten. Die Kernepitaxie-Technologie für optische Chips ist noch nicht ausgereift. High-End-Epitaxie-Wafer werden für die Beschaffung internationaler Epitaxieanlagen benötigt, was die Entwicklung hochwertiger optischer Chips einschränkt. Beispielsweise kann China die Massenproduktion von 10G-Laserchips mit niedriger und mittlerer Rate skalieren, aber nur eine kleine Anzahl von Anbietern für 25G-Laserchips kann die Massenlieferung realisieren, und die meisten Anbieter sind für Laserchips mit 25G oder mehr Rate zuständig noch in der Forschungs- und Entwicklungsphase oder im Kleinserien-Testproduktionsstadium.
Zum Zeitpunkt des früheren späten Starts der inländischen Technologie steht die inländische Chip-Integrationsforschung eher auf der Höhe der vorgefertigten Forschungsergebnisse ausländischer Länder, um sich zu entwickeln und zu innovieren, mit den Veränderungen in der internationalen Form des inländischen Hochs -Die Technologiebranche hat im Bereich der Technologie immer mehr Einschränkungen erfahren, macht aber auch immer mehr Menschen die Bedeutung der technologischen Eigenständigkeit bewusst. China hat bereits 2016 den „groß angelegten photonischen integrierten Chip“ auf den Markt gebracht und die Chinesische Akademie der Wissenschaften strategische Pilotprojekte für wissenschaftliche und technologische Sonderprojekte durchgeführt, um die kräftige Entwicklung inländischer unabhängiger Innovationen zu fördern.
„Das Wichtigste für das Land, um echte industrielle Durchbrüche zu erzielen, liegt jedoch im Aufbau des Systems“, betonte Prof. Zhang Xiaoguang am Ende des Vortrags, „aus Sicht der tatsächlichen Produktion das Wichtigste.“ Der Schritt zur Erlangung der Eigenständigkeit besteht darin, das gesamte industrielle System zu etablieren, insbesondere die Bildung eines vollständigen Satzes von Prozessabläufen. Wenn das Prinzip überhaupt verstanden werden kann, ist es notwendig, das System zu etablieren. Wenn in der Prinzipiell kann alles durchkommen, da der Prozess noch nicht ausgereift ist und die Produktausbeute nicht garantiert werden kann. Unabhängige Innovationen finden immer noch nur auf dem Papier statt.