導語
4月1日，【自然】雜誌上發表了一項關於新型光學芯片工藝材料的研究成果，中國研究人員利用這種新材料開發出一種新型光學芯片制造技術，其效能較之前的產品更佳，且其制造工藝也更接近於商業化矽的制造工藝，有助於中國繞過美國的技術限制措施，促進大規模生產適用於超級電腦和數據中心的光學芯片。
一、什麽是光學芯片?
光學芯片是一種使用光子來處理和傳輸資訊的芯片，其制造原理和工藝與我們日常使用的電子芯片不同，但其在具體套用上與電子芯片有著很大的重疊性。
當前絕大多數的通訊方式都是以電磁波作為載體，為資訊的傳輸提供能量。
光纖通訊也不例外，大多數光纖網路都是將電訊號透過雷射器轉換為有能量的光子，再透過光纖進行傳輸。
因此，光學芯片基本上是在光纖上進行實體層的電子互聯的處理，利用光路切換、模擬處理等能力來靈活地實作分布式平行計算、精確的數據交換等功能。
光學芯片和傳統的光纖通訊還有很大的不同，光纖通訊主要是利用光纖的特性來減小訊號傳輸的損耗、延長其傳輸距離，而光學芯片則是利用光子本身的特性來實作訊號處理和儲存。
光子的特點是其傳輸速度極快，光子在真空中的傳輸速度是3.00 * 10^8m/s，大約是電子在銅線中的瞬時速度的100倍。
光子的頻率範圍也極為廣泛，可以用來進行高精度的頻率標定，但是其攜帶的資訊極少，不足以在邏輯判斷等領域套用。
光子的能量十分微弱，甚至比來電的電流更低，因此無法直接為光路中的芯片套用提供工作電力，需要光源器件將其轉換為有能量的光子。
二、為什麽我們需要光學芯片?
目前，絕大部份大型通訊網路都是透過光纖進行傳輸，並透過電子芯片進行反復放大和轉發訊號，因此光纖通訊的速率一般都到不了時速，而且延遲高，效率低下。
光纖的傳輸速率只有每秒幾十兆位元，比家用的寬頻速度還要低，而電子芯片的處理速度和容量也遠遠不夠，造就了當前網路中出現的瓶頸。
光纖的瓶頸不僅僅在於單根光纖的傳輸速度有限，而且每條光纖也都存在容量限制，受到實體層面的頻段、頻寬以及波長等因素的限制，傳輸單條通道上的數據的能力都受到了嚴重的限制。
因此，提高光纖網路的傳輸速率並不僅僅是透過使用高速的光電轉換器件和光源，也需要透過光子積體電路來更好地處理這些資訊，同時更好地利用已有的頻段資源。
光纖通訊僅僅只是光學芯片的個套用，光學芯片還可以用於光子計算。
光子計算是利用光子的特性來進行計算的一種電子計算的替代方法，其基本原理是利用光子在光導波中的傳播特性以及復用分光器等器件將光子進行邏輯計算。
光子計算的最大優勢是其資訊處理密度極高，由於光子的頻率範圍極廣，可以承載非常高頻的資訊。
在絕對安全的前提下，光通訊可以將多路有源資訊流進行復用，將不同頻段的資訊流發射到同一根光纖中進行傳輸，然後再透過分光器將其進行解復用。
如果光子計算技術更加成熟，完全可以透過這種方式，將不同頻段的光子流分發到不同邏輯單元中進行計算，以極大地提高其邏輯運算單元的使用效率，進而提高計算效率。
光子計算還有一個重要的優勢是其運算能量極小，光子在真空中的運動能耗極低，而且在計算中並不損耗，相比於電子小算盤件，其能耗遠遠低於電子小算盤件。
因此，光子計算可以極大地降低計算領域的運算能耗，降低處理器和記憶體的散熱需求，進而降低整體機器的散熱需求，提高系統的能效比。
同時，光纖傳輸的資訊是利用電子數位訊號來進行編碼的，因此在光纖通訊中，還需要進行電子數位訊號與光子訊號的相互轉換。
電子數位訊號的處理也將形成很大的能耗和散熱需求，因此光纖通訊網路的能耗和散熱需求都比電子數位訊號網路大，進一步拉低了整體的能效比。
因此，利用光子訊號進行資訊的編碼和傳輸，利用光子計算進行資訊的處理，不僅能夠極大地提高通訊速率，還能進一步降低資訊處理的能耗，進一步降低資訊處理的能耗。
三、制備光學芯片的新工藝材料。
光子積體電路(PIC)是由若幹個能夠處理光訊號的器件，以及對光路進行改變的器件、和放大器件、檢測器件等裝置整合到同一片晶體上，並且在晶體上進行互聯，以及與電子芯片互聯的一種電路。
其技術級別遠遠高於電子芯片，在制程上面更接近積體電路的制程，其制造難度遠遠高於普通的電子電路，因此光子積體電路在技術研究的過程中，研究更多的是如何將其制造出來。
光子積體電路的制造主要有兩種工藝，分別是材料工藝和石英工藝，石英工藝是直接在石英基板上面進行圖案化的方法，其制造工藝較為簡單，但是由於器件制造難度大，無暗室環境等要求，因此僅能制造模數光路的PIC。
材料工藝主要是將材料沈積在矽基板上面進行圖案化，並且對材料進行蝕刻制造，並且可以制造出電調控器件等，但是鑒於材料政策問題，目前在材料工藝下，PIC的制作難度極大。
材料工藝制作PIC的難度主要在於材料的選取，現有的材料大多數是以鈮酸鋰和磷酸鈮為基底的，這些基底材料在生產中，需要大量的生產裝備，透過生長晶體的方式進行制備，因此成本較高，同時其生長晶體的過程十分的復雜，工藝成熟度不高。
因此，這些材料的生產存在很大的困難，現有的生長方案不太可能進行大規模的生產，因此在實際制作過程中，籠統的知道制作工藝，但是沒有具體的實際經驗。
美國可以透過對這些材料進行限制，對晶片制作進行限制，因此美國便可以透過技術和國際上的技術壁壘，遏制中國的高端芯片制作領域的發展。
4月1日，華為正在組織關於光學芯片的專題討論會，主題為光子積體電路的新材料和圖案化方法，主要就是這項研究成果。
本文的主要內容是研究人員開發出一種新型的材料，玉酸鈮，用於制造光子積體電路，這也將為中國開發下一代的電子光學PIC的可能性。
鉭酸鋰是一種具有類似結構的超晶格，其摻雜的固溶體也是一種非線性晶體，其非線性的極化強度是鈮酸鋰的2倍，因此可以作為鈮酸鋰的替代材料，其能頻寬度比鈮酸鋰的能頻寬度廣，因此其光學效能更好。
鉭酸鋰在很多方面與鈮酸鋰都有著不小的差異，但是其制造工藝和鈮酸鋰卻是類似的，與鈮酸鋰相同的是，其也是可以透過離子沈積的方式進行晶體的生長，也可以透過熱熔融等方法進行晶體生長。
與鈮酸鋰不同的是，鉭酸鋰需要透過提升熔體的溫度，進行熔體的生長，因此其晶體在生長的過程，其時間也要長，甚至要比鈮酸鋰的更長，但是這也是最大的缺陷。
鉭酸鋰作為一種晶體材料，其可以將電子和離子進行摻雜，改變其原本材料的特性，這為PIC的制造提供了一定的方便，透過這種方法，可以對鉭酸鋰進行摻雜，制造調控光路的器件。
結語
這項研究成果不僅為中國科研提供了一條光明的道路，同時也提高了中國在光子領域的地位，中國也可以利用這種方法來生產低成本的光子積體電路，其也為光子芯片的商業發展做了鋪墊。
隨著光子積體電路的商業化套用，此前提出的基於光子積體電路的電腦，以及企業間的光纖通訊，也將會有更大的發展，同時衍生出新的產業鏈，帶動相關領域的發展。
