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【中國科學報】光電子技術的“破繭”之路

2020-10-12

近日,中國科學院半導體研究所(以下簡稱半導體所)“半導體光電子器件及集成技術”入選了中科院“率先行動”計劃第一階段重大成果及標志性進展。

作為國家信息產業的基礎技術之一,光電子技術在寬帶互聯網、高性能計算、智能機器人、先進制造和智慧城市等多個領域起到關鍵性支撐作用。它也因此成為了衡量一個國家綜合實力和國際競爭力的重要標志。

認準了半導體光電子器件及集成技術是構建未來信息社會的核心和基礎,半導體所在“十二五”和“十三五”期間,分別將其作為重點培育方向和重大突破方向,堅持面向國家重大需求,突破半導體光電子器件及集成技術的瓶頸,研制出自主可控核心光電子器件,以實現其在光通信、光互連、光傳感等領域的典型應用。

在限制中突破

新一代信息技術、機器人、航空航天裝備、新能源汽車、新材料、生物醫藥及高性能醫療器械等,這些中國制造重點領域都離不開一項支撐技術——激光技術。

而半導體激光器是全固態激光、光纖激光、氣體激光等的泵浦源,是核心器件,不可或缺、不可替代。但我國在激光芯片方面的發展現狀卻是低端芯片依賴進口,高端芯片受制于人。

199611月開始實施的《瓦森納協定》明確了對中國禁運的半導體激光芯片的清單,且隨著技術的演進,每年清單中的器件類型、器件指標都在不停更新,旨在將中國的半導體激光器應用技術限制在低端水平。

2003年博士后研究工作結束后返回半導體所的鄭婉華,只想到了一條出路——突破高性能激光芯片技術,而且必須探索一條自主發展的道路,實現換道超車。

當年她向科技部提出建議,中國應該創新發展光子晶體半導體激光器新原理與新技術,解決半導體激光面臨的功率密度低、光束質量差的世界性難題。這一提議不僅獲得了“863”項目的支持,后期也得到了國家自然科學基金等新項目的幫助。鄭婉華團隊在2006年率先在中國實現光子晶體激光的突破,中國也成為了當時實現光子晶體激光激射的少數幾個國家之一。

許多半導體人都有著和鄭婉華一樣的境遇和經歷?!跋拗啤狈炊闪斯怆娮蛹夹g突破的磨刀石。

同樣艱難迎戰的還有光通信芯片團隊。國家寬帶網絡建設的核心芯片,以前主要掌握在美國、日本、韓國、丹麥及英國等國的幾家企業手中,中國以進口芯片封裝為主。面對國家光網絡建設需求,半導體所經過10多年的技術攻關,不僅解決了光分路器及AWG芯片設計及關鍵工藝問題,還實現了光分路器及AWG的成果轉化。如今,光分路器芯片全球市場占有率達50%以上,AWG芯片實現海外市場突破,有力保障了我國寬帶網絡建設芯片的自主可控,促進了我國硅基光子學器件的產業鏈完整性建設。

度過漫長的沉默期

光電子技術,特別是芯片技術,一頭是研發,一頭是制造。要從這一頭走到那一頭,并且穩穩地落地,常常是孤獨又漫長的。

2010年,半導體所光通信芯片團隊開啟了成果轉化之路。10年中,他們需要解決損耗均勻性、芯片良率、工藝穩定性、一致性及可靠性等一系列問題?!斑@些問題在半導體所基礎研究中并非重點關注的問題,而在產業化中卻是必須解決的?!卑雽w所研究員安俊明告訴《中國科學報》,為此,一款芯片需要30多次的設計優化制版、上百次的實驗流片驗證,才能使芯片性能達到國際同類芯片水平,與國外芯片同臺競爭。

他說,團隊還非常注重每個細節的芯片開發方式?!氨热?/span>AWG芯片,結構中分五大部分,還有上千條波導的結合,而涉及的性能參數,每個通道就有十多個,看似千頭萬緒。一個參數的好壞受多方面的影響,如何準確判斷問題所在?團隊人員會把芯片的每一部分分別進行研究,不放過任何可能的影響因素,才使問題一步步得到解決?!?/span>

為了加快研究進度,團隊想盡了各種辦法。安俊明說:“我們經常會有一些方案,大家會預測結果,比如我們曾經預測第一次流片的光分路器損耗,有的說會達到10dB以下,有的說剛流片,不會那么樂觀,這種打賭的方式也提升了轉化速度?!?/span>

鄭婉華也坦言,實驗室的技術成果向市場轉化的過程困難重重。

在她看來,半導體激光芯片是一個高資金投入、高密集人才、高度設備依賴的技術,如果上述問題得以克服,仍然面臨實驗室樣品向批量化轉移中的諸多工程技術難題?!耙驗槲覀兿扔趪忾_展這種高端激光芯片的批量制造,因此解決這些難題沒有捷徑可走,必須投入時間、人力、物力,且需要全體人員不浮躁、沉下心,一個難題一個難題攻克?!?/span>

“半導體光電子技術領域的研究工作,目前都是硬骨頭工作,存在發表文章難、出成果難的問題。在人才培養方面,由于很難獲得各種人才稱號,我們只能以身作則,以國家需求為己任,留住人才?!编嵧袢A說。

壯大轉化隊伍

半導體所除了以基礎前沿為引領來立身,同樣重要的是在全面服務國家重大需求和國民經濟發展中發揮不可替代的基礎支撐作用。急國家和市場之所需一直是該研究所堅持的科研文化。

鄭婉華表示,得益于國家、中科院“率先行動”計劃和研究所在技術轉移方面的優厚政策,最大化地提升了年輕人的收入水平,從而逐漸吸引了一些有理想、有抱負的博士生留下來,投入到這項事業中。

對科研人員而言,要投身轉移轉化,最難轉變的是思維。如果思維轉變不過來,再好的政策也無法推動。這就要求部分研究人員帶頭去從事成果轉化工作,從而形成示范效應,讓更多人加入這一行列。

目前,以半導體所為技術方的河南仕佳已成為國際上規模最大的光無源芯片生產企業。今年8月,河南仕佳正式在科創板上市,這也為半導體所人走在成果轉化的道路上加足了信心。

值得一提的是,在這一過程中,半導體所已經形成了一支從理論分析、設計優化、工藝開發到產業化應用,完整的、訓練有素的、敢于啃硬骨頭的團隊。也因此,半導體所承擔了中科院科技成果轉移轉化重點專項(弘光專項)“硅基二氧化硅陣列波導光柵芯片產業化”,實現了我國數據中心及骨干網核心波分復用芯片的國產化,更加提升了科技成果轉化能力。

提到團隊培養的經驗,安俊明表示,“我們的特色是把研究生的培養放在產業轉化一線,使他們掌握的知識更接地氣,他們的許多經驗、教訓來源于生產實踐,這在研究所是無法得到的?!比绱伺囵B的年輕人,在今后從事科研的過程中,也會更注重我國光電子產業鏈中的難點問題、設計及開發的實用性和產業轉化的可行性,更注重解決國家急需的產業化難題。

《中國科學報》 (2020-10-12 1 要聞)   作者:胡珉琦

 



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