导语
4月1日，【自然】杂志上发表了一项关于新型光学芯片工艺材料的研究成果，中国研究人员利用这种新材料开发出一种新型光学芯片制造技术，其性能较之前的产品更佳，且其制造工艺也更接近于商业化硅的制造工艺，有助于中国绕过美国的技术限制措施，促进大规模生产适用于超级计算机和数据中心的光学芯片。
一、什么是光学芯片?
光学芯片是一种使用光子来处理和传输信息的芯片，其制造原理和工艺与我们日常使用的电子芯片不同，但其在具体应用上与电子芯片有着很大的重叠性。
当前绝大多数的通信方式都是以电磁波作为载体，为信息的传输提供能量。
光纤通信也不例外，大多数光纤网络都是将电信号通过激光器转换为有能量的光子，再通过光纤进行传输。
因此，光学芯片基本上是在光纤上进行物理层的电子互联的处理，利用光路切换、模拟处理等能力来灵活地实现分布式并行计算、精确的数据交换等功能。
光学芯片和传统的光纤通信还有很大的不同，光纤通信主要是利用光纤的特性来减小信号传输的损耗、延长其传输距离，而光学芯片则是利用光子本身的特性来实现信号处理和存储。
光子的特点是其传输速度极快，光子在真空中的传输速度是3.00 * 10^8m/s，大约是电子在铜线中的瞬时速度的100倍。
光子的频率范围也极为广泛，可以用来进行高精度的频率标定，但是其携带的信息极少，不足以在逻辑判断等领域应用。
光子的能量十分微弱，甚至比来电的电流更低，因此无法直接为光路中的芯片应用提供工作电力，需要光源器件将其转换为有能量的光子。
二、为什么我们需要光学芯片?
目前，绝大部分大型通信网络都是通过光纤进行传输，并通过电子芯片进行反复放大和转发信号，因此光纤通信的速率一般都到不了时速，而且延迟高，效率低下。
光纤的传输速率只有每秒几十兆比特，比家用的宽带速度还要低，而电子芯片的处理速度和容量也远远不够，造就了当前网络中出现的瓶颈。
光纤的瓶颈不仅仅在于单根光纤的传输速度有限，而且每条光纤也都存在容量限制，受到物理层面的频段、带宽以及波长等因素的限制，传输单条信道上的数据的能力都受到了严重的限制。
因此，提高光纤网络的传输速率并不仅仅是通过使用高速的光电转换器件和光源，也需要通过光子集成电路来更好地处理这些信息，同时更好地利用已有的频段资源。
光纤通信仅仅只是光学芯片的个应用，光学芯片还可以用于光子计算。
光子计算是利用光子的特性来进行计算的一种电子计算的替代方法，其基本原理是利用光子在光波导中的传播特性以及复用分光器等器件将光子进行逻辑计算。
光子计算的最大优势是其信息处理密度极高，由于光子的频率范围极广，可以承载非常高频的信息。
在绝对安全的前提下，光通信可以将多路有源信息流进行复用，将不同频段的信息流发射到同一根光纤中进行传输，然后再通过分光器将其进行解复用。
如果光子计算技术更加成熟，完全可以通过这种方式，将不同频段的光子流分发到不同逻辑单元中进行计算，以极大地提高其逻辑运算单元的使用效率，进而提高计算效率。
光子计算还有一个重要的优势是其运算能量极小，光子在真空中的运动能耗极低，而且在计算中并不损耗，相比于电子计算器件，其能耗远远低于电子计算器件。
因此，光子计算可以极大地降低计算领域的运算能耗，降低处理器和内存的散热需求，进而降低整体机器的散热需求，提高系统的能效比。
同时，光纤传输的信息是利用电子数字信号来进行编码的，因此在光纤通信中，还需要进行电子数字信号与光子信号的相互转换。
电子数字信号的处理也将形成很大的能耗和散热需求，因此光纤通信网络的能耗和散热需求都比电子数字信号网络大，进一步拉低了整体的能效比。
因此，利用光子信号进行信息的编码和传输，利用光子计算进行信息的处理，不仅能够极大地提高通信速率，还能进一步降低信息处理的能耗，进一步降低信息处理的能耗。
三、制备光学芯片的新工艺材料。
光子集成电路(PIC)是由若干个能够处理光信号的器件，以及对光路进行改变的器件、和放大器件、检测器件等装置集成到同一片晶体上，并且在晶体上进行互联，以及与电子芯片互联的一种电路。
其技术级别远远高于电子芯片，在制程上面更接近集成电路的制程，其制造难度远远高于普通的电子电路，因此光子集成电路在技术研究的过程中，研究更多的是如何将其制造出来。
光子集成电路的制造主要有两种工艺，分别是材料工艺和石英工艺，石英工艺是直接在石英基板上面进行图案化的方法，其制造工艺较为简单，但是由于器件制造难度大，无暗室环境等要求，因此仅能制造模数光路的PIC。
材料工艺主要是将材料沉积在硅基板上面进行图案化，并且对材料进行蚀刻制造，并且可以制造出电调控器件等，但是鉴于材料政策问题，目前在材料工艺下，PIC的制作难度极大。
材料工艺制作PIC的难度主要在于材料的选取，现有的材料大多数是以铌酸锂和磷酸铌为基底的，这些基底材料在生产中，需要大量的生产装备，通过生长晶体的方式进行制备，因此成本较高，同时其生长晶体的过程十分的复杂，工艺成熟度不高。
因此，这些材料的生产存在很大的困难，现有的生长方案不太可能进行大规模的生产，因此在实际制作过程中，笼统的知道制作工艺，但是没有具体的实际经验。
美国可以通过对这些材料进行限制，对晶片制作进行限制，因此美国便可以通过技术和国际上的技术壁垒，遏制中国的高端芯片制作领域的发展。
4月1日，华为正在组织关于光学芯片的专题讨论会，主题为光子集成电路的新材料和图案化方法，主要就是这项研究成果。
本文的主要内容是研究人员开发出一种新型的材料，玉酸铌，用于制造光子集成电路，这也将为中国开发下一代的电子光学PIC的可能性。
钽酸锂是一种具有类似结构的超晶格，其掺杂的固溶体也是一种非线性晶体，其非线性的极化强度是铌酸锂的2倍，因此可以作为铌酸锂的替代材料，其能带宽度比铌酸锂的能带宽度广，因此其光学性能更好。
钽酸锂在很多方面与铌酸锂都有着不小的差异，但是其制造工艺和铌酸锂却是类似的，与铌酸锂相同的是，其也是可以通过离子沉积的方式进行晶体的生长，也可以通过热熔融等方法进行晶体生长。
与铌酸锂不同的是，钽酸锂需要通过提升熔体的温度，进行熔体的生长，因此其晶体在生长的过程，其时间也要长，甚至要比铌酸锂的更长，但是这也是最大的缺陷。
钽酸锂作为一种晶体材料，其可以将电子和离子进行掺杂，改变其原本材料的特性，这为PIC的制造提供了一定的方便，通过这种方法，可以对钽酸锂进行掺杂，制造调控光路的器件。
结语
这项研究成果不仅为中国科研提供了一条光明的道路，同时也提高了我国在光子领域的地位，我国也可以利用这种方法来生产低成本的光子集成电路，其也为光子芯片的商业发展做了铺垫。
随着光子集成电路的商业化应用，此前提出的基于光子集成电路的计算机，以及企业间的光纤通信，也将会有更大的发展，同时衍生出新的产业链，带动相关领域的发展。
