為中國光子集成事業(yè)而奮斗
——記南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院陳向飛團隊之光子集成芯片產(chǎn)學(xué)研事業(yè)

本刊記者 吳應(yīng)清

2015年春，隨著“兩會”的召開，“大眾創(chuàng)業(yè)、萬眾創(chuàng)新”迅速成為舉國關(guān)注、全民討論的熱點。對任何一個普通的中國人而言，創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新不再是一個簡單抽象的概念，而成為了他們夢想的可實現(xiàn)方式之一?！拔液苄疫\，涌入春潮之中，體會到歷史機遇帶來無限可能的同時，也找到了自己應(yīng)該努力的方向。但我也深刻地感受到在這項需要群策群力的事業(yè)中，自己的勢單力薄。為此，我很渴望得到大家的支持和幫助，找到解決問題的方法?！标愊蝻w口中所說的這項事業(yè)，就是他現(xiàn)在全心傾力的光子集成芯片事業(yè)。

自主集成激光器陣列精準(zhǔn)制造 打開光子芯片應(yīng)用大門

“芯片是中國制造產(chǎn)業(yè)之痛，與先進國家相比，產(chǎn)業(yè)差距大。不過需要強調(diào)的是，我不做集成電路（Integrated circuits，IC），而是研發(fā)光子集成芯片的?！边M入陳向飛的光子集成芯片世界，大家會發(fā)現(xiàn)這是一個神奇又充滿挑戰(zhàn)的研究世界。

光子集成芯片在國際上被稱為PIC（photonic integrated circuit），PIC與傳統(tǒng)IC類似，就是把多個光學(xué)功能器件集成到一個芯片上。PIC屬于光子學(xué)范疇。PIC之于光子技術(shù)的戰(zhàn)略意義等同于IC之于電子技術(shù)。

2015年7月27日，時任美國副總統(tǒng)拜登宣布成立集成光子制造創(chuàng)新研究院。這家研究院成為當(dāng)時已經(jīng)公布的9家制造業(yè)創(chuàng)新研究院中投入最大的一家。其中一個依據(jù)就是：光子技術(shù)是IT/通訊產(chǎn)業(yè)的核心使能技術(shù)，但目前尚無可實現(xiàn)這一技術(shù)的解決方法，而光子集成無疑是具有潛力的技術(shù)。

光子集成屬于芯片技術(shù)領(lǐng)域，與高端IC一樣，在中國正面臨著巨大的產(chǎn)業(yè)挑戰(zhàn)。正如全國人大代表、武漢郵電科學(xué)研究院原院長、現(xiàn)大唐電信科技產(chǎn)業(yè)集團董事長童國華在2015年全國“兩會”的建議中所描述的：核心光電子器件大部分依靠進口，高端產(chǎn)品幾乎空白。

使命當(dāng)前，每位科學(xué)家都有責(zé)任和義務(wù)為國家在相關(guān)領(lǐng)域里的科學(xué)進步貢獻己力，陳向飛和他的團隊當(dāng)然也不例外。瞄準(zhǔn)這一戰(zhàn)略需求，他們希望發(fā)揮自己所長，為改變國家在相關(guān)領(lǐng)域的現(xiàn)狀做點力所能及的事。而他們的關(guān)注點，放在了集成激光器陣列技術(shù)上。

激光被認(rèn)為是二十世紀(jì)最偉大的發(fā)明之一。在PIC中，集成激光器陣列就是把多個激光器集成到一個芯片上，為PIC提供傳輸信號的光源，相當(dāng)于PIC的“發(fā)動機”，非常重要。

由于波長控制靈活和模式穩(wěn)定性好，大規(guī)模激光器陣列采用分布反饋（DFB）結(jié)構(gòu)，國外主流制造技術(shù)采用被西方國家壟斷的高精度電子束曝光（EBL），通過控制10納米大小的電子束在晶片上刻寫精細(xì)DFB光柵。但面向大規(guī)模制造，該方法因為逐點掃描寫入，耗時長，對環(huán)境敏感，波長間隔控制精度差，有文獻報道說典型波長誤差達3納米。

一次偶然的機會，陳向飛和他的團隊發(fā)明了一種特殊的集成激光器陣列技術(shù)。他們將其稱之為“基于重構(gòu)—等效啁啾（reconstruction-equivalent chirp，REC）技術(shù)的激光器陣列”，該技術(shù)完全是在中國提出并發(fā)展起來的一種與國外完全不同的激光器陣列技術(shù)。

“REC技術(shù)的原理和優(yōu)勢是：利用一次普通全息曝光加上一步微米量級的圖形光刻來等效實現(xiàn)各種復(fù)雜的納米光柵結(jié)構(gòu)，即利用大尺寸結(jié)構(gòu)（采樣圖案）調(diào)控小周期的均勻光柵，等效實現(xiàn)各種納米精細(xì)結(jié)構(gòu)，比如等效啁啾，等效相移等。這樣制造上與傳統(tǒng)商業(yè)成熟的普通DFB激光器制造流程對比，中間只多了一步1微米尺度以上的普通光刻。因此REC集成激光器陣列的制造本身在商業(yè)應(yīng)用上是成熟的?！弊盍钊梭@喜的是，施躍春博士在南京大學(xué)攻讀博士學(xué)位期間發(fā)現(xiàn)它的波長間隔控制精度比傳統(tǒng)EBL方法理論上可提高約2個數(shù)量級，從而可實現(xiàn)對波長微結(jié)構(gòu)非常精準(zhǔn)的控制。這一發(fā)現(xiàn)也被國外知名研究組證實，為科學(xué)界解決20多年沒有解決的波長控制誤差難題打開了一扇大門！

因為有感于該技術(shù)發(fā)現(xiàn)在推動產(chǎn)業(yè)上擁有的巨大潛力，在南京大學(xué)和朋友等的支持下，2012年，陳向飛及其團隊開始嘗試著將相關(guān)技術(shù)推向產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化。

“科學(xué)技術(shù)唯有搬下高閣走入尋常百姓家才能真正實現(xiàn)其價值。”陳向飛深諳此意。為此，哪怕付出再多的艱辛，他和團隊都始終無怨無悔。但在奔向理想的過程中，他們同樣也遇到了一系列難題，這些都給他們所致力的事業(yè)發(fā)展帶來了極大的禁錮。

首先，在外部投資環(huán)境上，雖然光芯片目前還處于發(fā)展階段，還遠沒有像IC那樣成熟，但也是國外先進國家優(yōu)勢競爭力所在和重點發(fā)展的方向。競爭態(tài)勢變得和IC一樣。投資收益實際情況也是“大投入，大收益；中投入，沒收益；小投入，大虧損”。且與高端IC制造類似，自改革開放以來，在面向信息網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的高端光芯片制造上，中國內(nèi)地幾乎沒有發(fā)生過特別令人欣喜的商業(yè)案例，使投資者望而生畏。

第二，在工業(yè)和內(nèi)部基礎(chǔ)上，一方面，由于國內(nèi)激光器芯片制造基礎(chǔ)比較薄弱，海外代工渠道不暢且限制較大；另一方面，陳向飛所在的南京大學(xué)雖然綜合實力雄厚，但在相關(guān)領(lǐng)域的積累時間較短，他們的研發(fā)幾乎是從零開始一步一步走到今日。這些都導(dǎo)致他們無論是借助自身力量還是外部力量都無法使技術(shù)的優(yōu)勢得到充分發(fā)揮。

第三，在商業(yè)推廣上，因為商業(yè)成功涉及方方面面，技術(shù)只是一個方面，資金、管理、項目運作和工藝都是關(guān)鍵因素。因為跨領(lǐng)域、跨專業(yè)，陳向飛坦言由于他個人能力和條件的限制，團隊在這方面力量明顯不足。

“常言道：‘巧婦難為無米之炊’，雖然我們的技術(shù)發(fā)展?jié)摿]有問題，但就是這一系列問題讓我們的產(chǎn)業(yè)推廣工作舉步維艱、捉襟見肘。如果這些問題不能及時得到解決，歷史的機遇可能很容易就錯過！”陳向飛不無遺憾地說。也正是有這樣的緊迫感，帶他和團隊展開了下一站的征程——

困頓中尋找光明 聚心聚力突破前行

為盡可能地減小遺憾，陳向飛和他的團隊堅持在有限的資金資助和資源供給中一步一步突圍、前行。心有余而力不足的他們希望能夠困頓中尋找光明，思索也一直在繼續(xù)：

“與國外進行商業(yè)競爭，REC技術(shù)也不是萬能的。一方面REC技術(shù)的核心思路是用等效結(jié)構(gòu)來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的直接結(jié)構(gòu)，解決了傳統(tǒng)技術(shù)無法解決的波長間隔精準(zhǔn)控制難題，但也因此導(dǎo)致REC激光器的光柵強度需要傳統(tǒng)DFB激光器的3倍才能夠完全等效。一個簡單的解決方法就是增加光柵深度提高光柵強度，這需要投入資金掌握好相關(guān)工藝；另一方面，國外資金實力強，工藝基礎(chǔ)好，技術(shù)儲備雄厚，這方面我們劣勢非常明顯。因此，若想在有限時間內(nèi)取得有影響力的商業(yè)價值，那么，初期階段做什么樣的產(chǎn)品將變得非常關(guān)鍵。”他們清楚意識到，在這一領(lǐng)域不能好高騖遠，唯有盡可能地避開國外領(lǐng)先產(chǎn)品和先進制造工藝競爭，找到能夠充分發(fā)揮REC技術(shù)優(yōu)勢的對路產(chǎn)品，通過知識產(chǎn)權(quán)保護手段形成商業(yè)優(yōu)勢，才能實現(xiàn)彎道超車。

經(jīng)過深思熟慮，他們劃定了選擇產(chǎn)品需要盡可能滿足的條件：一方面，瞄準(zhǔn)市場前景，以及在商業(yè)應(yīng)用上地位重要的方向；另一方面盡可能地把REC技術(shù)的優(yōu)點發(fā)揮得淋漓盡致，彌補在工藝上差距，希望只基于二流工藝或者準(zhǔn)一流工藝，就能夠?qū)崿F(xiàn)一流的高端激光器產(chǎn)品。經(jīng)過這幾年多方探索，他們最終將關(guān)注的目光聚焦在目前還遠沒有產(chǎn)業(yè)化成功的低成本半導(dǎo)體可調(diào)諧激光器（大規(guī)模應(yīng)用的價格要低于100美元）和快速可調(diào)諧激光器（快于1微秒）上，以它們作為商業(yè)突破點！

為實現(xiàn)目標(biāo)，他們還制定了詳細(xì)的實現(xiàn)技術(shù)的路線。

半導(dǎo)體可調(diào)諧激光器商業(yè)規(guī)模應(yīng)用已經(jīng)近20年，但是至今低成本快速調(diào)諧問題世界范圍內(nèi)也沒有解決。在低成本可調(diào)諧激光器領(lǐng)域，陳向飛及其團隊考慮到調(diào)諧激光器的成本主要來自于幾個部分：芯片制造、封裝和控制/測試。采用DFB激光器陣列的控制系統(tǒng)比較簡單，但前提是波長間隔準(zhǔn)確。由于采用最簡單且商業(yè)成熟的DFB激光器生產(chǎn)工藝，如果工藝成熟可靠，REC集成激光器陣列的制造成本非常低，器件價格甚至最終低于70美元都是可能的，這將為可調(diào)諧激光器的超大規(guī)模應(yīng)用奠定良好基礎(chǔ)。

而在快速可調(diào)諧激光器領(lǐng)域，他們盡力把DFB激光器陣列做得足夠多，使陣列中的每一個激光器代表一個調(diào)諧波長，波長的調(diào)諧實際上就是這些激光器之間的開關(guān)切換。由于激光器點亮和關(guān)閉速度在納秒量級，且DFB激光器的模式穩(wěn)定性特別好，抗環(huán)境變化能力很強，因此采用這樣機制的可調(diào)諧激光器速度可以達到納秒量級。雖然需要做很多激光器，但只要把普通DFB激光器做好，就容易實現(xiàn)穩(wěn)定的快速可調(diào)諧激光器。這樣的快速可調(diào)諧激光器原理像集成電路，增加集成晶體管數(shù)目實現(xiàn)更高性能。如果需要集成更多快速可調(diào)諧激光器，只需要集成更多DFB激光器。這樣機制下的快速可調(diào)諧激光器，由于集成單元激光器多，如果波長間隔誤差大，會使波長控制變得特別復(fù)雜和無序，導(dǎo)致功耗、控制和測試成本明顯提高，甚至完全不能滿足正常使用要求，因此精準(zhǔn)的波長控制幾乎是必須的，REC技術(shù)的精準(zhǔn)波長控制和成本低廉的優(yōu)點也因此可以發(fā)揮得淋漓盡致。這方面的初級樣品團隊已經(jīng)研制出來并初步測試成功。

以史為鑒，可以知興替。陳向飛借用中國近現(xiàn)代史上紅軍采用游擊戰(zhàn)/運動戰(zhàn)戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)成功四次反“圍剿”的例子來形容如今的IC“商業(yè)之戰(zhàn)”：“商場如戰(zhàn)場，在高端IC制造上，紅軍采取的戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)是非常值得中國高端芯片制造產(chǎn)業(yè)借鑒的。但國外在IC的精準(zhǔn)制造上優(yōu)勢明顯，掌握了10納米以下的完整制造鏈，要發(fā)現(xiàn)新的優(yōu)勢制造技術(shù)可能性非常小，沒有‘游擊戰(zhàn)/運動戰(zhàn)’基礎(chǔ)，我們被迫采取‘陣地戰(zhàn)/堡壘戰(zhàn)’?！?/p>

“相比較之下，光子集成的精準(zhǔn)制造是一個很好的商業(yè)突破機會：雖然在光芯片制造上，國外發(fā)達國家確實領(lǐng)先我們很多。但是PIC制造技術(shù)遠沒有IC技術(shù)成熟，在PIC的精準(zhǔn)制造上，一些關(guān)鍵集成部件的精準(zhǔn)制造沒有好的解決方案，導(dǎo)致光芯片的集成度提高有限。如集成DFB激光器陣列的波長微結(jié)構(gòu)精準(zhǔn)制造，傳統(tǒng)技術(shù)就沒有解決好，無法低成本集成更多陣列DFB激光器，這給我們在光子集成制造上，為采用‘游擊戰(zhàn)/運動戰(zhàn)’戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)奠定了很好基礎(chǔ)。”陳向飛如是講述自己和團隊全力聚焦DFB激光器陣列的波長微結(jié)構(gòu)精準(zhǔn)制造的原因。歷史已經(jīng)證明，不走自己的路，要在芯片領(lǐng)域取得很大的商業(yè)成功極為困難?！爱?dāng)然，要取得商業(yè)成功，還離不開中國的市場、知識產(chǎn)權(quán)保護、中國人的聰明才智和團結(jié)、以及做好工藝的決心?！标愊蝻w強調(diào)。

光子集成將和IC一樣，是一個偉大的事業(yè)和產(chǎn)業(yè)。面對國外強大的競爭優(yōu)勢，無論自主高端IC制造、還是高端通信光子集成芯片制造，在中國很難找出商業(yè)上實現(xiàn)漂亮彎道超車的案例。因為深入接觸，深有領(lǐng)悟，無論在什么時候，陳向飛的緊迫感都如影隨形，而這也是他們不斷前行的動力源泉。

向夢想沖刺 努力在中國成就最有影響力的通信可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器公司

眼前的陳向飛給人感覺一直是平穩(wěn)、踏實的科研人形象，但這并不阻擋他內(nèi)心對夢想的熾熱追索?！坝浀迷趨⒓拥诙弥袊鴦?chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽的時候，我就提出過自己追求的更大夢想：‘在集成電路上，我們主要享受了西方帶來核心成果，而在集成光器件上，我們應(yīng)該努力讓世界享受中國人帶來的核心產(chǎn)業(yè)成果’”?！胺浅Ｐ疫\，REC集成技術(shù)具有對波長微結(jié)構(gòu)無以倫比的精準(zhǔn)控制能力，這樣就在關(guān)鍵性能上建立了一個難以逾越的制高點，使商業(yè)成功的可能性大增。如果這樣的技術(shù)優(yōu)勢不能盡快轉(zhuǎn)成產(chǎn)品優(yōu)勢，失去一次高端核心信息元器件實現(xiàn)商業(yè)突破的機遇，將是一個極大的歷史遺憾?！庇袎艟陀袆恿?，在夢想的牽引下，他和團隊即使跌跌撞撞依然堅持至今。堅持換來了更深刻的感悟：“再好的技術(shù)，沒有工藝支撐也無法產(chǎn)生價值。好的技術(shù)，結(jié)合越好的工藝，將產(chǎn)生越大的價值。而光芯片工藝也是我們國家的弱勢所在?！八约词垢冻鲈俣嗟钠D辛，他也愿意在下一步工作中全身心地投入到先進工藝開發(fā)中去。與此同時，他也深刻地體會到這是一項需要群策群力的事業(yè)，需要付出更大的努力，需要更多人的關(guān)注、支持和參與，來解決發(fā)展中的問題，特別是工藝問題，所以他一直想盡辦法奔走呼吁。

在一封致前輩及朋友的公開信中，他這樣說：“我個人愿意以南京大學(xué)的教授職位作為擔(dān)當(dāng)，尊重承諾：從現(xiàn)在開始，在原始專利到期的長達10年時間內(nèi)，在激光器陣列波長間隔的大規(guī)模精準(zhǔn)控制和制造上，與不和REC技術(shù)思路類似的其他技術(shù)相比，我們將一直保持明顯優(yōu)勢，至少優(yōu)于2倍。”為踏踏實實做好工藝創(chuàng)造良好的環(huán)境以獲得關(guān)鍵技術(shù)和商業(yè)突破，陳向飛期盼和歡迎更多志同道合的人士，加入到他們的隊伍中來，而他們也能夠在此基礎(chǔ)上找到一流的資金，打造一個集商業(yè)、管理和工藝人才為核心的一流團隊。

“我們的商業(yè)成功非常重要，改革開放40年，中國制造業(yè)也和這個時代一樣站在了新時代新起點，那就是尖端制造業(yè)的突破，如大飛機的發(fā)動機、高端芯片、精密機械設(shè)備等。未來，我們需要一大批有抱負(fù)、有知識、有作為的年輕人。令人遺憾的是，我們培養(yǎng)的不少優(yōu)秀畢業(yè)生在中國土地上無法直接面向尖端制造，發(fā)揮他們巨大的潛力，希望我們從可調(diào)諧激光器芯片及其應(yīng)用開始，以比傳統(tǒng)技術(shù)低得多的成本和更高的集成度，努力在中國做成一家世界上最有影響力的通信可調(diào)諧激光器公司，支持未來優(yōu)秀年輕人在國內(nèi)開展尖端光子集成芯片的創(chuàng)新、研發(fā)和生產(chǎn)。”對未來，陳向飛有著清晰的規(guī)劃。與此同時，他還不忘感謝一路走來很多人給予他的無私幫助，正因為有他們，這項事業(yè)才有了延續(xù)的希望。