“吃鸡、打农药”不卡,这个芯片很关键

“光纤”,这是一个大家非常熟悉的名词。1966年,物理学家高锟在世界上首次提出光纤理论。从此,“光纤”这个词被无数光通信的研究者们所追逐。而高锟也被誉为"世界光纤之父",并因此获得了2009年诺贝尔物理学奖。如今,光纤已经逐步走进了千家万户。随着高清视频、网络会议、移动通信等对网络下载速率和网络容量的要求越来越高,高速大容量光网络已经成为发展的必然趋势。


光分路器芯片和阵列波导光栅(AWG)芯片,这两位就是高速大容量光网络的核心芯片。


光分路器芯片,也就是分配光信号的芯片。它能实现真正意义的光纤到户,极大程度节约光纤到户成本。假如一个小区一栋楼共32户,光信号从机房通过光缆到小区单元楼下之后,如果不采用光分路器,就需要每家每户都铺设光缆,将耗费大量的人力、物力、财力等资源。而采用分路器芯片,只需一个很小的光分路器芯片,将光信号分成等分的32路信号,每路信号对应一户,这样就能避免铺设复杂的光缆,降低了光纤到户成本,加速了光纤到户发展进程。


AWG 芯片,就是能让一根光纤传输很多个不同波长的信号的芯片,主要应用在骨干网和城域网。现有的主干网络主要采用96通道(即单根光纤内传输96个波长),假设单个通道波长速率为100 Gb/s,可实现96×100 Gb/s高速大容量光网络。


2013年之前,我国的芯片全部依赖进口,受日、韩、欧美等发达国家垄断。经过十几年的研究攻关,中科院半导体所突破了关键技术、产业化平台建设及规模化生产一系列难题,形成了拥有自主知识产权的光分路器和阵列波导光栅芯片,彻底打破了国际垄断。而半导体所研究员安俊明也因“光网络用光分路器芯片及阵列波导光栅芯片关键技术及产业化”项目荣获2017年度国家科学技术进步二等奖。


图1 安俊明研究员与团队分析问题


光分路器和 AWG 芯片是由几百条复杂波导结构(非常的细,每根波导的宽度6微米,仅为头发丝1/15)的光波导组成,其芯片设计和制备一直是技术的难点。


半导体所自主研制平面光波回路(PLC)光分路器芯片,由多个 Y 分支级联而成。研究团队设计了新型的 Y 分支结构,有效改善了 PLC 光分路器的损耗和损耗均匀性,在国际同类芯片的性能相比中均有优异表现。同时,单个石英片上芯片个数与国外公司相比平均提高了22%,处于国际领先水平。


目前,研发团队已经开发了20多种结构的 PLC 光分路器,用于不同的光纤到户接入场景,让老百姓家里的上网速度“嗖”一下,从每秒几兆比特提高到了百兆比特,极大提高了接入网信号速度。


图2 光分路器晶圆


图3 AWG 晶圆


如果说光分路器是服务于光网络中传输神经末梢芯片,那么 AWG 芯片就是服务于光网络的神经主干的关键芯片。半导体所研制的 AWG 芯片,采用新型输出罗兰圆结构,解决了边缘通道模场变形问题,改善了损耗,使损耗均匀性小于0.83 dB,远远优于行业标准的1.0 dB,保证了骨干网传输信号的稳定性。


此外,半导体所还率先在我国建成了国际上领先的光分路器芯片及 AWG 芯片产业化加工平台。


图4陡直平滑的刻蚀 SEM 图:(a)石英基光分路器芯片刻蚀 SEM (b)硅基阵列波导光栅芯片刻蚀 SEM

 

在半导体所研制成果的支持下,河南仕佳光子成为了国际上规模最大的光分路器及 AWG 芯片制造企业,为我国近百家光分路器封装企业批量提供芯片,在我国三大运营商及国外 FTTH 宽带建设中得到广泛使用,替代了国外进口产品,光分路器芯片占全球市场份额50%以上。也就是说,现在你能如此顺畅地上网刷微信刷副本,这些芯片可能就是幕后的功臣。

 

半导体所研制的我国自主产权的芯片,已经打破了国外垄断,实现了芯片国内自给,为我国宽带建设“提速降费”做出了贡献。目前,科研人员还在做进一步的研究,争取为提高我国光通信行业的全球竞争力做更大的努力。


来源:中国科学院半导体研究所


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