未来之“芯”——我国首创同质集成光电子芯片

    自第一台通用计算机问世以来，加速人类社会进程的信息技术革命已如火如荼进行了七十余年。如今，核心技术的突破很大一部分来自隐匿于机身深处的芯片。

    日前，南京邮电大学博士生导师王永进教授就在汹涌的创“芯”之浪里，翻腾出一朵耀眼的浪花。一块芯片不仅能发光传递信息，还能同时接收光信息，这是过去无法想象的。王永进发现了量子阱二极管发光和探测共存的物理现象，在此基础上研发出多种同质集成光电子芯片，并与诺贝尔物理学奖得主天野浩教授合作，实现可转移同质集成紫外光电子芯片，为世界性首创。

    如今的硅基集成电子芯片发源于美国硅谷，在原始技术创新上，美国很大程度拥有“卡脖子”式的优势。目前，国内的硅基芯片在高端硬件设计和制造方面与国际顶尖水平存在差距。“关键技术、制备工艺、芯片设计都是别人的，简单的追赶和跟踪不可能带来超越。”王永进无奈地打了个比方。那么在芯片领域，我国只能受制于人吗？王永进以及他的团队在芯片领域，让我们看到了另一种可能。

    在如今电子信息时代，处理器与存储器之间通过金属纳米线连接，信息通过电子得以传输。“这样的传输方式会产生较强的热效应，速率和容量都会因此受到限制，不容易做到同一片芯片（同质集成）。”王永进解释说，事实上，“同质集成”是芯片界的一个难题。长期以来，光发射、传输、调制和接收器件等分属不同的研究领域，很少有人将它们联系起来研发。若能在处理器与存储器之间实现光互联，通过光子传输信息，这样基于光互联的集成芯片将打破芯片界长久以来的困境。

    在实验中，王永进发现量子阱二极管发光谱和探测响应谱出现重叠区。“这说明量子阱二极管器件可以同时作为发光和探测器件使用，具有同时发射、接收的‘收发双工’特性。光电探测的新物理本质和特性——‘量子阱二极管光发射和光探测共存’的物理现象被我们首次发现。”根据这一发现，王永进研发出全双工可见光通信芯片、光互联芯片、类脑芯片、物联网芯片等不同种类的芯片，证明“量子阱二极管光发射和光探测共存”的物理现象的普遍存在。

    此次，王永进与诺贝尔物理学奖得主天野浩教授共同开展面向紫外波段的同质集成光子芯片的研究，基于硅衬底氮化物晶圆，将多个量子阱二极管器件制备在同一块芯片上，通过波导互联形成芯片内通信系统，并利用机械剥离技术，首次获得了微米级厚的可转移同质集成紫外光电子芯片。

    与硅基芯片最大的区别在于，化合物基光电子芯片能在更低功耗的前提下，实现实时双向信息传输，将光通信拓展到紫外和可见光波段。全新的物理认知带来全新的可能，王永进说：“未来5到10年，我们或许会迎来光电子信息时代，物理认识的突破加上独特的制备工艺，将会让中国在光子信息时代的占据更多的主动，这将是由中国掌握核心技术的时代。”

    交汇点记者 王拓  实习生 王 甜