您的位置：首页 > 经济 > 第二产业 > 工业 工业
光子晶体超材料有望开辟一片蓝海
作者：王京生, 樊建平主编 ; 杨柳著 来源：《粤港澳大湾区战略性新兴产业研究. 新材料产业卷》 责任编辑：深小安 2022-12-27 人已围观
向引领世界的全光芯片技术进军
用光子来承载信息并实现信息的处理和调制具有远超过电子信息数个 数量级的超高速度、超强抗干扰、并行处理、超大容量等突出优势。实现 对光子加载信息的准确调制，意义非凡。 郭滨刚指出：“如果现在的 IC 芯片里承载信息的不是电子，而是光子， 整个 IC 的运算性能指标的量级都能上数个台阶。光计算机一直是世界各 国科学界重点关注的前沿课题。” 光子晶体是一种超材料，是当前世界各国新材料领域的重点研究方向， 未来具有广泛的应用价值，它代表着世界材料产业的发展未来。
这种材料是由周期性排列的不同折射率的介质制造的规则光学结构，此结构会产生 光子禁带，频率落入其中的光波不能传播。这一性质使得在微纳米尺度上调控光的传播成为可能。这种影响类似于半导体对于电子行为的影响，由 半导体在电子工业方面的应用，人们推想可以通过光子晶体制造的器件来 控制光子从而实现光信息处理，例如，制造光子计算机。目前，可通过真 空镀膜技术获得一维结构的光子晶体，通过自组装、光刻、电子束刻蚀等 技术获得二维和三维结构的光子晶体。当前各国的光子晶体材料研究工作 多数仍处于实验室研究开发阶段，真正能进入市场的光子晶体材料的产品极为稀少。
郭滨刚归国后的研发工作主要是集中于探索纳米尺度的光子晶体结构的实现方法和对该类型微观构造的特性表征，以及未来如何将该技术成功 应用于光调制和光通信技术。他介绍说：“我们 2018 年已经在实验室里研 制出了全光二极管，未来有了全光晶体管和全光二极管开关器件之后，可 以搭建起真正的可编程全光处理器的计算机体系，实现全光计算架构，最 终实现全光芯片，当然，这还有很长的路要走。”
他介绍，5G 时代之后的信息处理芯片是否还能一直使用电子器件体系 来支撑和满足人类社会不断高速增长的大数据信息处理需求？研究人员们 已经看到了电子器件体系的信息处理能力接近上限，IC 领域的摩尔定律已 经临近失效，而由于光子携带信息与处理信息的能力是电子器件的千倍以 上，于是科学家们提出了用光子信息材料来支撑信息设备，这就需要解决 光信息处理架构、光逻辑运算和光芯片制造等一系列的技术难题，待这些问题都解决了，光子材料届时便能替代电子信息处理器件，成为支撑人类 信息社会持续发展的下一代信息材料。如今，IBM、Intel 都推出了先进的 硅光子芯片技术，这是在本质上还属于电光混合架构的芯片，电子器件部分负责处理和运算，光则用来实现信息的高效传输，但在必需的信号光电 / 电光转换之时仍会较多地降低芯片处理效率以及产生延时和能耗。
最终，相 信人类一定会研制出全光处理芯片，这是未来的方向。 郭滨刚博士详细介绍了全光芯片的研究进展。他说 ：“全光芯片，顾 名思义，是以光代替电作为信息传输的载体，将光信号传输、储存、逻辑 运算和处理、传感等器件微型化，并集成到一个微型半导体晶圆表面，实 现与电子芯片类似的光信号接收处理功能。受制于摩尔定律，电子芯片的潜力已挖掘殆尽。与电子芯片相比，以光代替电作为信息传输的载体，能 进一步缩小芯片尺寸，减少能耗，提升信号传输、运算处理的速率和存储 密度，是一项面向未来的颠覆性、战略性和前瞻性技术。其应用不限于光通信、生物医疗传感、国防、交通运输等领域。”
以光通信产业为例，根据工信部发布的《中国光电子器件产业技术发 展路线图（2018—2022 年）》报告，2016 年全球光通信器件产业的市场 规模达到 96 亿美元，并始终保持着快速增长的趋势，预期到 2020 年全 球市场规模将进一步增长到 166 亿美元，年复合增长率达到 14.7%。中国 的光通信器件的市场规模在近年来保持着与全球同步的增速趋势，占全球 25% —30% 的市场份额；而其中光芯片是核心部件。目前国内的高端芯片 器件严重依赖进口，自给能力有限。故发展光芯片、补齐上游短板是国家 发展光通信的重大战略需求。 光科全息以发展面向未来的光芯片为目标，对全光晶体管、光子晶体 逻辑器件开展了研究。
第一项研究工作是研发全光晶体管，全光晶体管是 实现信号滤波整流、光信号逻辑处理、频率转换的基础开关器件，是构成 光芯片的基础结构器件之一。光科全息研发人员通过理论仿真，对不同结 构的一维和二维光子晶体的能带结构进行了模拟，获得了大量不同结构光 子晶体的光学能带结构的数据，并通过引入缺陷，模拟设计出了光子晶体 光开关，同时还利用自行制作的光子晶体薄膜材料制作出了光子晶体全光 二极管的基础架构，并在此基础上完善了全光晶体管的试验架构。 光科全息研发部的丁博士介绍，一维光子晶体，通过材料折射率在空间的周期性变化而成，通常采取一种层状结构。沿着折射率变化的方向， 存在光子晶体禁带，而在其他方向光则可以自由传播。运用这一特性，能 设计滤波及偏振相关的光学器件。
二维光子晶体的折射率沿空间两个方 向周期性变化，如在平板结构上打周期性变化的孔阵列，最典型的如蜂窝 状结构。光科全息研究人员运用有限差分时域（FDTD）方法，对不同折 射率空间排布和结构尺寸的半导体材料二维光子晶体的能带结构进行了模 拟，获得了大量二维光子晶体的光学性能数据，对后续运用光子晶体结构 设计光子芯片器件打下基础。光子晶体禁带可用作控制光波传输的波导结 构，再结合诸如非线性光学效应、相位调制等方法，能设计出基本门器件。 当两个输入端的相位相同时，输出端有信号输出 ；而当两个输入端的相位 差为 180°时，无信号输出。
另一方面，研究人员成功模拟了利用非线性 光学晶体构建的具有一维缺陷的二维光子晶体，利用电场调节光波输出的 结构设计。上述两个结构能实现对信号的瞬时调节作用，同时光子晶体禁 带的存在能保证信号的偏振和强度没有变化。 郭滨刚指出，对光子晶体结构的模拟，已经证实了二维光子晶体结构 对光路调制的可行性，下一步的研究计划，一方面是光子晶体结构器件的 实体化，即通过光科全息和深圳大学的校企联合实验室的仪器，加工制作 出具有二维光子晶体结构的微型器件，测试并优化器件的性能; 另一方面 利用全光二极管，设计能进行基础逻辑运算的光路。同时，不断探索诸如 光子晶体在光学微腔、LED 偏振光源等方面的应用，为设计光芯片中的不 同功能的器件及其集成做基础。
迄今为止，国际上很多科学家提出了基于光子晶体的光子学器件，包 括无阈值的激光器、无损耗的反射镜和弯曲光路、高品质的光学微腔、波 长分辨率极高而体积极小的超棱镜等。光子晶体的出现使得信息处理技术 的“全光子化”和光子技术的微型化与集成化成为可能，它可能在未来导 致人类信息技术的一次革命，其影响可能与当年电子半导体技术的出现相 提并论。光子晶体的未来充满光明，光科全息团队正是看见了这一未来曙 光的追梦人，他们站在潮头努力搏击，希望为中国的光子晶体超材料产业 做出杰出贡献。
用光子来承载信息并实现信息的处理和调制具有远超过电子信息数个 数量级的超高速度、超强抗干扰、并行处理、超大容量等突出优势。实现 对光子加载信息的准确调制，意义非凡。 郭滨刚指出：“如果现在的 IC 芯片里承载信息的不是电子，而是光子， 整个 IC 的运算性能指标的量级都能上数个台阶。光计算机一直是世界各 国科学界重点关注的前沿课题。” 光子晶体是一种超材料，是当前世界各国新材料领域的重点研究方向， 未来具有广泛的应用价值，它代表着世界材料产业的发展未来。
这种材料是由周期性排列的不同折射率的介质制造的规则光学结构，此结构会产生 光子禁带，频率落入其中的光波不能传播。这一性质使得在微纳米尺度上调控光的传播成为可能。这种影响类似于半导体对于电子行为的影响，由 半导体在电子工业方面的应用，人们推想可以通过光子晶体制造的器件来 控制光子从而实现光信息处理，例如，制造光子计算机。目前，可通过真 空镀膜技术获得一维结构的光子晶体，通过自组装、光刻、电子束刻蚀等 技术获得二维和三维结构的光子晶体。当前各国的光子晶体材料研究工作 多数仍处于实验室研究开发阶段，真正能进入市场的光子晶体材料的产品极为稀少。
郭滨刚归国后的研发工作主要是集中于探索纳米尺度的光子晶体结构的实现方法和对该类型微观构造的特性表征，以及未来如何将该技术成功 应用于光调制和光通信技术。他介绍说：“我们 2018 年已经在实验室里研 制出了全光二极管，未来有了全光晶体管和全光二极管开关器件之后，可 以搭建起真正的可编程全光处理器的计算机体系，实现全光计算架构，最 终实现全光芯片，当然，这还有很长的路要走。”
他介绍，5G 时代之后的信息处理芯片是否还能一直使用电子器件体系 来支撑和满足人类社会不断高速增长的大数据信息处理需求？研究人员们 已经看到了电子器件体系的信息处理能力接近上限，IC 领域的摩尔定律已 经临近失效，而由于光子携带信息与处理信息的能力是电子器件的千倍以 上，于是科学家们提出了用光子信息材料来支撑信息设备，这就需要解决 光信息处理架构、光逻辑运算和光芯片制造等一系列的技术难题，待这些问题都解决了，光子材料届时便能替代电子信息处理器件，成为支撑人类 信息社会持续发展的下一代信息材料。如今，IBM、Intel 都推出了先进的 硅光子芯片技术，这是在本质上还属于电光混合架构的芯片，电子器件部分负责处理和运算，光则用来实现信息的高效传输，但在必需的信号光电 / 电光转换之时仍会较多地降低芯片处理效率以及产生延时和能耗。
最终，相 信人类一定会研制出全光处理芯片，这是未来的方向。 郭滨刚博士详细介绍了全光芯片的研究进展。他说 ：“全光芯片，顾 名思义，是以光代替电作为信息传输的载体，将光信号传输、储存、逻辑 运算和处理、传感等器件微型化，并集成到一个微型半导体晶圆表面，实 现与电子芯片类似的光信号接收处理功能。受制于摩尔定律，电子芯片的潜力已挖掘殆尽。与电子芯片相比，以光代替电作为信息传输的载体，能 进一步缩小芯片尺寸，减少能耗，提升信号传输、运算处理的速率和存储 密度，是一项面向未来的颠覆性、战略性和前瞻性技术。其应用不限于光通信、生物医疗传感、国防、交通运输等领域。”
以光通信产业为例，根据工信部发布的《中国光电子器件产业技术发 展路线图（2018—2022 年）》报告，2016 年全球光通信器件产业的市场 规模达到 96 亿美元，并始终保持着快速增长的趋势，预期到 2020 年全 球市场规模将进一步增长到 166 亿美元，年复合增长率达到 14.7%。中国 的光通信器件的市场规模在近年来保持着与全球同步的增速趋势，占全球 25% —30% 的市场份额；而其中光芯片是核心部件。目前国内的高端芯片 器件严重依赖进口，自给能力有限。故发展光芯片、补齐上游短板是国家 发展光通信的重大战略需求。 光科全息以发展面向未来的光芯片为目标，对全光晶体管、光子晶体 逻辑器件开展了研究。
第一项研究工作是研发全光晶体管，全光晶体管是 实现信号滤波整流、光信号逻辑处理、频率转换的基础开关器件，是构成 光芯片的基础结构器件之一。光科全息研发人员通过理论仿真，对不同结 构的一维和二维光子晶体的能带结构进行了模拟，获得了大量不同结构光 子晶体的光学能带结构的数据，并通过引入缺陷，模拟设计出了光子晶体 光开关，同时还利用自行制作的光子晶体薄膜材料制作出了光子晶体全光 二极管的基础架构，并在此基础上完善了全光晶体管的试验架构。 光科全息研发部的丁博士介绍，一维光子晶体，通过材料折射率在空间的周期性变化而成，通常采取一种层状结构。沿着折射率变化的方向， 存在光子晶体禁带，而在其他方向光则可以自由传播。运用这一特性，能 设计滤波及偏振相关的光学器件。
二维光子晶体的折射率沿空间两个方 向周期性变化，如在平板结构上打周期性变化的孔阵列，最典型的如蜂窝 状结构。光科全息研究人员运用有限差分时域（FDTD）方法，对不同折 射率空间排布和结构尺寸的半导体材料二维光子晶体的能带结构进行了模 拟，获得了大量二维光子晶体的光学性能数据，对后续运用光子晶体结构 设计光子芯片器件打下基础。光子晶体禁带可用作控制光波传输的波导结 构，再结合诸如非线性光学效应、相位调制等方法，能设计出基本门器件。 当两个输入端的相位相同时，输出端有信号输出 ；而当两个输入端的相位 差为 180°时，无信号输出。
另一方面，研究人员成功模拟了利用非线性 光学晶体构建的具有一维缺陷的二维光子晶体，利用电场调节光波输出的 结构设计。上述两个结构能实现对信号的瞬时调节作用，同时光子晶体禁 带的存在能保证信号的偏振和强度没有变化。 郭滨刚指出，对光子晶体结构的模拟，已经证实了二维光子晶体结构 对光路调制的可行性，下一步的研究计划，一方面是光子晶体结构器件的 实体化，即通过光科全息和深圳大学的校企联合实验室的仪器，加工制作 出具有二维光子晶体结构的微型器件，测试并优化器件的性能; 另一方面 利用全光二极管，设计能进行基础逻辑运算的光路。同时，不断探索诸如 光子晶体在光学微腔、LED 偏振光源等方面的应用，为设计光芯片中的不 同功能的器件及其集成做基础。
迄今为止，国际上很多科学家提出了基于光子晶体的光子学器件，包 括无阈值的激光器、无损耗的反射镜和弯曲光路、高品质的光学微腔、波 长分辨率极高而体积极小的超棱镜等。光子晶体的出现使得信息处理技术 的“全光子化”和光子技术的微型化与集成化成为可能，它可能在未来导 致人类信息技术的一次革命，其影响可能与当年电子半导体技术的出现相 提并论。光子晶体的未来充满光明，光科全息团队正是看见了这一未来曙 光的追梦人，他们站在潮头努力搏击，希望为中国的光子晶体超材料产业 做出杰出贡献。
很赞哦！ ( )
上一篇：5G 时代柔性屏将无处不在
下一篇：本体隔热玻璃应用前景广阔
评论
0
