專訪王興軍：3年攻克光子芯片“大腦” 打通規模應用最後一公里
文丨崔玉賢
出品丨本站科技《逐夢星空》欄目組
核心問題：
1、您和團隊研發的“由集成微腔光梳驅動的新型硅基光電子片上集成系統”成果在Nature發表，看報道說研究團隊歷時三年協同攻關，請問這三年時間是算長還是短？這期間遇到了怎樣的問題？如何克服的？最大難題是什麼？
2、這項研究成果從實驗室走向應用，還需要注意什麼？需要多久時間？
3、硅基光電子集成芯片在未來信息產業發展中起着怎樣的作用？
4、光子芯片是否會是中國擺脫國外“卡脖子”的關鍵技術？是不是意味着我們可以繞過光刻機的環節？
精彩內容：
剛剛結束學校內部的一個學術會議，王興軍揹着裝着電腦的沉甸甸的雙肩包匆匆趕來本站錄製這期視頻內容。之所以請來王興軍老師，是因爲他以及團隊研發的“由集成微腔光梳驅動的新型硅基光電子片上集成系統”，榮獲了本站新聞揭曉“2022中國十大科技創新獎”，該項研發成果還登上了世界上最權威的雜誌《Nature》，更重要的是這項研究成果解決了硅基激光器領域的世界難題，爲下一代片上光電子信息系統提供了全新的研究範式和發展方向。
王興軍告訴本站科技，硅光芯片最近20年非常熱，是應對摩爾定律失效的一項顛覆性技術。硅光芯片是通過標準半導體工藝將硅光材料和器件集成在一起的集成光路，可以大規模集成傳統光學系統所需的功能器件，極大提升片上信息傳輸和處理的速度和容量，可爲下一代數據中心、通信系統、高性能計算、自動駕駛等領域帶來變革性突破，是公認的現代信息系統的功能升級和產業佈局的核心技術。
但是，硅基光電子集成的“硅光”芯片有個最大的問題，就是沒有激光器，激光器其實就是“硅光”芯片的大腦，沒有它，“硅光”就是無水之源，目前硅基激光器是還沒有完全實現，所以也就是缺少硅光芯片的“大腦”。國際上包括哈佛大學、麻省理工學院、加州理工學院、哥利比亞等國際知名高校的多個團隊，都在攻克該項技術。
“這是國際高科技競爭的戰略高地。”
然而，這項戰略高地，最終被北京大學教授，北京大學電子學院副院長，王興軍以及團隊，經過三年時間攻克。該研究成果2022年5月18日在《自然》（Nature）雜誌在線發表。
“我們研究的集成微腔光梳技術就是給硅光芯片提供了大腦。集成光梳和硅光的完美結合打通了光頻梳從實驗室走向產業化的最後一公里，從而可以真正讓這項技術走向大規模應用。”王興軍如此總結道。
爲什麼這項世界性難題最終能由中國團隊解決？王興軍表示，這要靠我們有最好的學生，最好的智慧，最好的頭腦。除此之外還有團結協作、不放棄的精神頭。
“疫情導致大家做實驗的時間有限。記得三年前的春節期間，爲了怕回家由於疫情趕不回學校，所以論文的幾個主要作者都沒有回家過年，大年三十還在實驗室調試設備，只是大年初一休息了一天，大年初二又接着做實驗了。”王興軍回憶道。
另外，還有實驗設備條件限制。王興軍表示，由於實驗室的條件有限，但又需要最先進的設備工藝，王興軍團隊只能向設備代理商借，借用人家參加展覽的樣機。“給我們用的時間也非常有限，也導致我們實驗的進展沒有那麼快。如果有更好的設備，我們的工作效率會更加大幅度提高，出成果也會更快。”王興軍表示。
對於這項技術，網上盛傳其擺脫了國外“卡脖子”的情況，未來甚至將取代傳統電子芯片。對此，王興軍給予了詳盡的解答。
王興軍表示，目前光子芯片的製程不需要像集成電路一樣需要十幾納米的製程，目前90nm的製程應該可以做出較好的光電子芯片，當然製程越高，芯片性能越高，但目前還不需要集成電路高製程的光刻機，所以應該還是不需要ASML高端的光刻機，可以說部分擺脫國外“卡脖子”的關鍵技術。
“但任何一個芯片製作的環節很多，不只是光刻機，還有其他的一些設備和技術還有卡脖子風險，但我們政府和科學家也一直在努力，我想會慢慢改觀。”王興軍認爲。
對於光子芯片與電子芯片的關係，王興軍表示光子芯片其實是一個比較寬泛的概念，它包括很多內涵，光其實離不開電，如激光器就是由電驅動出光，所以光子芯片原則上應該也包含光電子芯片，光和電互有優勢，不能誰取代誰，未來應該是一個融合的過程，光電融合是未來光子芯片的的一個發展趨勢。
以下爲本站科技《逐夢星空》欄目對話北京大學教授，北京大學電子學院副院長，王興軍對話部分內容：
本站科技：王教授，最近您在忙哪些項目？哪個項目有可能又一次突出重圍，對整個電子信息領域產生影響？
王興軍：我目前在承擔科技部國家重點研發計劃項目：面向規模集成的高效硅基光波導放大器和激光器，國家自然科學基金重點項目：硅基多材料體系融合的高性能通信光電子器件與集成系統研究，北京市重點研發計劃：混合集成高功率光梳光源及硅光系統應用技術研究等項目的研究。這些項目都是圍繞硅基光電子學中的核心芯片和系統開展研究，主要包括硅基光源、大帶寬調製器、以及其在光通信、激光雷達、微波光子等系統應用。最近，我們團隊經過刻苦攻關，又有一個從0到1的原創性突破，製備出一種全新硅基片上多通道混沌光源，並基於這種混沌光梳並行激光雷達架構，攻克了激光雷達抗干擾和高精度並行探測的難題，極大地降低未來激光雷達系統體積、複雜度、功耗和成本。3月13日，相關研究成果以“Breaking the temporal and frequency congestion of LiDAR by parallel chaos”爲題發表在《Nature Photonics》上，該技術有可能重塑整個激光雷達生態系統。
本站科技：您和團隊研發的“由集成微腔光梳驅動的新型硅基光電子片上集成系統”產生了很大的影響，網上報道也很多。您能否用普通讀者能夠理解的話來解釋一下這項研究成果？
王興軍：簡單來講，光子芯片其實也是一個非常複雜的系統，它主要在一個芯片上包括很多個光子器件，在芯片上用光來傳遞信息。但目前硅基光電子集成“硅光”芯片最大的問題是沒有激光器，激光器其實就是“硅光”芯片的大腦，沒有它“硅光”就是無水之源，目前硅基激光器是還沒有完全實現，所以也就是缺少硅光芯片的“大腦”，我們研究的集成微腔光梳技術就是給硅光芯片提供了大腦。
本站科技：看報道提到，研究團隊歷時三年協同攻關，想請教一下，三年時間算是比較長還是比較短？在這三年中，遇到了怎樣的問題，如何克服的？遇到的最大的難題是什麼？
王興軍：三年時間對於一個普通的科研成果有點長，但對於發表在Nature這樣最有影響的期刊不算長，因爲好的科研工作通常是需要長期積累的，3年，5年，甚至更長時間才能作出高水平成果。
遇到的困難主要包括三個方面，第一個當然是技術方面，這個系統非常複雜，從設計到材料、器件、芯片、封裝、通信系統應用、微波光子系統應用等等，技術難題一個接一個，都是大家一起一點一點攻克的。第二個方面是疫情導致大家做實驗的時間還是有限，記得三年前的春節期間，爲了怕回家由於疫情趕不回學校，所以論文的幾個主要作者都沒有回家過年，大年三十還在實驗室調試設備，只是大年初一休息了一天，大年初二又接着做實驗了，最後我們自己實驗室設備條件有限，好多的高速實驗還是需要從代理商上借過來，而且給我們用的時間也非常有限，也導致我們實驗的進展沒有那麼快。如果有更好的設備，我們的工作效率會更加大幅度提高，出成果也會更快。
本站科技：這項研究成果對團隊來說意味着什麼？對光電子領域來說又意味着什麼？
王興軍：這項研究成果應該是我團隊多年努力的一種回報吧，這麼多年來，我們團隊一直圍繞這個硅基光電子芯片與信息系統這個國際科技前沿開展工作，期間也遇到很多困難，包括5年前我組裡還只有3個學生，實驗室也只有一個1/4光學平臺，是我們一點一點努力得到同行認可，拿到一些項目再擴大隊伍，慢慢發展到目前又20多個有戰鬥力的團隊，應該是對我們努力奮鬥的一種回報吧，其實這幾年除了這個工作外，我們還有多項重要進展，包括最高精度爲2mm的並行探測和大於30dB的激光雷達、1.04TOPS/mm2高算力密度片上光計算（Nature Communication 2023）、30nm極小粒徑病毒檢測（Nature Communication 2021）、36μm最低功率閾值光學頻率梳光源（Nature Communication 2020）等多個國際領先成果。研究成果也獲得2022年度中國十大科技創新獎、2022年度中國光學十大進展、2022年度中國光學十大社會影響力事件等榮譽。
本站科技：這項研究成果從實驗室走向應用，還需要注意什麼？需要多久？
王興軍：應該很快，後續主要是要研究芯片的可靠性和成品率，這個主要是工程化的一些內容，需要下游企業參與，如果有足夠經費，2-3年就能產業化。
本站科技：國際上做該項研究的團隊多嗎？爲什麼你們能夠實現攻克？
王興軍：目前競爭非常激烈, 國外有哈佛大學、麻省理工學院、加州理工學院、哥倫比亞、洛桑聯邦理工學院等國際知名高校的多個團隊。我想我們能做出來主要有最優秀的北大學生和我們自己團結的團隊，團結一致，不計個人得失，一起攻關的結果。
本站科技：硅基光電子集成芯片技術是一個怎樣的技術，在未來信息產業發展中，起着怎樣的作用？
王興軍：硅基光電子集成芯片技術就是結合光的極高帶寬、超快速率和高抗干擾特性以及微電子技術在大規模集成、低能耗、低成本等方面的優勢，應用硅工藝平臺，在同一硅襯底上同時製作若干微納量級，以光子和電子爲載體的信息功能器件，形成一個完整的具有綜合功能的新型大規模光電集成芯片。
“硅光”研究是非常能體現基礎理論、關鍵技術和系統應用全鏈條發展的一個新的學科方向。它既有硅基發光、片上損耗等最本質的科學問題，也有大規模硅基光電集成等需要攻克的關鍵核心技術，以及光通信、光傳感、微波光子、光計算等產業的廣泛應用前景。同時，它也是一個光學、電子、通信、材料、物理等多學科交叉融合不斷髮展的結果，是國際科技競爭向基礎前沿前移的重要領域，是一個光電融合的顛覆性技術。
本站科技：大家提到的光子芯片與您的研究成果之前有怎樣的關係？光子芯片是未來嗎？與電子芯片是取代關係嗎？
王興軍：其實我們研究的“硅光”芯片也屬於光子芯片，光子芯片其實是一個比較寬泛的概念，它包括很多內涵，光其實離不開電，如激光器就是由電驅動出光，所以光子芯片原則上應該也包含光電子芯片，光和電互有優勢，不能誰取代誰，我想未來應該是一個融合的過程，光電融合是未來光子芯片的的一個發展趨勢。
本站科技：光子芯片是否會是中國擺脫國外“卡脖子”的關鍵技術？是不是意味着我們可以繞過光刻機的環節？
王興軍：目前光子芯片的製程不需要像集成電路一樣需要十幾納米的製程，目前90nm的製程應該可以做出較好的光電子芯片，當然製程越高，芯片性能越高，但目前還不需要集成電路高製程的光刻機，所以應該還是不需要ASML高端的光刻機，所以可以部分擺脫國外“卡脖子”的關鍵技術，但任何一個芯片製作的環節很多，不只是光刻機，還有其他的一些設備和技術還有卡脖子風險，但我們政府和科學家也一直在努力，我想會慢慢改觀。
本站科技：光子芯片目前全球的發展情況？中國的光子芯片研發處於怎樣的階段？在國際上處於怎樣的地位？
王興軍：光電子在國家戰略發展層面上佔有重要地，應該來講是國際高科技競爭的高地，中國的光子芯片研發一直緊跟國際先進水平，應該來講沒有落後很多，基本上在同一梯隊。
本站科技：光子芯片實現真正的產業落地還面臨着哪些問題？需要多久才能實現規模應用？
王興軍：有些已經落地，我覺得可能成本下降，規模如果上去，可能有更大應用。
本站科技：光子芯片和量子芯片，目前發展進展如何？
王興軍：個人感覺光子芯片已經產業化了，量子芯片應該還是在研究階段。