為中國(guó)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(tuán)隊(duì)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(huì)”的召開，“大眾創(chuàng)業(yè)、萬眾創(chuàng)新”迅速成為舉國(guó)關(guān)注、全民討論的熱點(diǎn)。對(duì)任何一個(gè)普通的中國(guó)人而言，創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新不再是一個(gè)簡(jiǎn)單抽象的概念，而成為了他們夢(mèng)想的可實(shí)現(xiàn)方式之一?！拔液苄疫\(yùn)，涌入春潮之中，體會(huì)到歷史機(jī)遇帶來無限可能的同時(shí)，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(xiàng)需要群策群力的事業(yè)中，自己的勢(shì)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(xiàng)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(guó)制造產(chǎn)業(yè)之痛，與先進(jìn)國(guó)家相比，產(chǎn)業(yè)差距大。不過需要強(qiáng)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(jìn)入陳向飛的光子集成芯片世界，大家會(huì)發(fā)現(xiàn)這是一個(gè)神奇又充滿挑戰(zhàn)的研究世界。

光子集成芯片在國(guó)際上被稱為PIC（photonic integrated circuit），PIC與傳統(tǒng)IC類似，就是把多個(gè)光學(xué)功能器件集成到一個(gè)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(shí)任美國(guó)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(shí)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(gè)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(shí)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(guó)正面臨著巨大的產(chǎn)業(yè)挑戰(zhàn)。正如全國(guó)人大代表、武漢郵電科學(xué)研究院原院長(zhǎng)、現(xiàn)大唐電信科技產(chǎn)業(yè)集團(tuán)董事長(zhǎng)童國(guó)華在2015年全國(guó)“兩會(huì)”的建議中所描述的：核心光電子器件大部分依靠進(jìn)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(guó)家在相關(guān)領(lǐng)域里的科學(xué)進(jìn)步貢獻(xiàn)己力，陳向飛和他的團(tuán)隊(duì)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(zhǎng)，為改變國(guó)家在相關(guān)領(lǐng)域的現(xiàn)狀做點(diǎn)力所能及的事。而他們的關(guān)注點(diǎn)，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(gè)激光器集成到一個(gè)芯片上，為PIC提供傳輸信號(hào)的光源，相當(dāng)于PIC的“發(fā)動(dòng)機(jī)”，非常重要。

由于波長(zhǎng)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(guó)外主流制造技術(shù)采用被西方國(guó)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?yàn)橹瘘c(diǎn)掃描寫入，耗時(shí)長(zhǎng)，對(duì)環(huán)境敏感，波長(zhǎng)間隔控制精度差，有文獻(xiàn)報(bào)道說典型波長(zhǎng)誤差達(dá)3納米。

一次偶然的機(jī)會(huì)，陳向飛和他的團(tuán)隊(duì)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(guó)提出并發(fā)展起來的一種與國(guó)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(shì)是：利用一次普通全息曝光加上一步微米量級(jí)的圖形光刻來等效實(shí)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(shí)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(duì)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(zhǎng)間隔控制精度比傳統(tǒng)EBL方法理論上可提高約2個(gè)數(shù)量級(jí)，從而可實(shí)現(xiàn)對(duì)波長(zhǎng)微結(jié)構(gòu)非常精準(zhǔn)的控制。這一發(fā)現(xiàn)也被國(guó)外知名研究組證實(shí)，為科學(xué)界解決20多年沒有解決的波長(zhǎng)控制誤差難題打開了一扇大門！

因?yàn)橛懈杏谠摷夹g(shù)發(fā)現(xiàn)在推動(dòng)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(tuán)隊(duì)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(shí)現(xiàn)其價(jià)值?！标愊蝻w深諳此意。為此，哪怕付出再多的艱辛，他和團(tuán)隊(duì)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(yuǎn)沒有像IC那樣成熟，但也是國(guó)外先進(jìn)國(guó)家優(yōu)勢(shì)競(jìng)爭(zhēng)力所在和重點(diǎn)發(fā)展的方向。競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)變得和IC一樣。投資收益實(shí)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(guó)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(guó)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(shí)力雄厚，但在相關(guān)領(lǐng)域的積累時(shí)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(shì)得到充分發(fā)揮。

第三，在商業(yè)推廣上，因?yàn)樯虡I(yè)成功涉及方方面面，技術(shù)只是一個(gè)方面，資金、管理、項(xiàng)目運(yùn)作和工藝都是關(guān)鍵因素。因?yàn)榭珙I(lǐng)域、跨專業(yè)，陳向飛坦言由于他個(gè)人能力和條件的限制，團(tuán)隊(duì)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(shí)得到解決，歷史的機(jī)遇可能很容易就錯(cuò)過！”陳向飛不無遺憾地說。也正是有這樣的緊迫感，帶他和團(tuán)隊(duì)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(tuán)隊(duì)堅(jiān)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(guó)外進(jìn)行商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)，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(zhǎng)間隔精準(zhǔn)控制難題，但也因此導(dǎo)致REC激光器的光柵強(qiáng)度需要傳統(tǒng)DFB激光器的3倍才能夠完全等效。一個(gè)簡(jiǎn)單的解決方法就是增加光柵深度提高光柵強(qiáng)度，這需要投入資金掌握好相關(guān)工藝；另一方面，國(guó)外資金實(shí)力強(qiáng)，工藝基礎(chǔ)好，技術(shù)儲(chǔ)備雄厚，這方面我們劣勢(shì)非常明顯。因此，若想在有限時(shí)間內(nèi)取得有影響力的商業(yè)價(jià)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(shí)到，在這一領(lǐng)域不能好高騖遠(yuǎn)，唯有盡可能地避開國(guó)外領(lǐng)先產(chǎn)品和先進(jìn)制造工藝競(jìng)爭(zhēng)，找到能夠充分發(fā)揮REC技術(shù)優(yōu)勢(shì)的對(duì)路產(chǎn)品，通過知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)手段形成商業(yè)優(yōu)勢(shì)，才能實(shí)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(chǎng)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(diǎn)發(fā)揮得淋漓盡致，彌補(bǔ)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(yuǎn)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(jià)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(diǎn)！

為實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，他們還制定了詳細(xì)的實(shí)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(tuán)隊(duì)考慮到調(diào)諧激光器的成本主要來自于幾個(gè)部分：芯片制造、封裝和控制/測(cè)試。采用DFB激光器陣列的控制系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單，但前提是波長(zhǎng)間隔準(zhǔn)確。由于采用最簡(jiǎn)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(jià)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(gè)激光器代表一個(gè)調(diào)諧波長(zhǎng)，波長(zhǎng)的調(diào)諧實(shí)際上就是這些激光器之間的開關(guān)切換。由于激光器點(diǎn)亮和關(guān)閉速度在納秒量級(jí)，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(qiáng)，因此采用這樣機(jī)制的可調(diào)諧激光器速度可以達(dá)到納秒量級(jí)。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(shí)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(shí)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(jī)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(zhǎng)間隔誤差大，會(huì)使波長(zhǎng)控制變得特別復(fù)雜和無序，導(dǎo)致功耗、控制和測(cè)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(zhǎng)控制幾乎是必須的，REC技術(shù)的精準(zhǔn)波長(zhǎng)控制和成本低廉的優(yōu)點(diǎn)也因此可以發(fā)揮得淋漓盡致。這方面的初級(jí)樣品團(tuán)隊(duì)已經(jīng)研制出來并初步測(cè)試成功。

以史為鑒，可以知興替。陳向飛借用中國(guó)近現(xiàn)代史上紅軍采用游擊戰(zhàn)/運(yùn)動(dòng)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(chǎng)如戰(zhàn)場(chǎng)，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(guó)高端芯片制造產(chǎn)業(yè)借鑒的。但國(guó)外在IC的精準(zhǔn)制造上優(yōu)勢(shì)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(shì)制造技術(shù)可能性非常小，沒有‘游擊戰(zhàn)/運(yùn)動(dòng)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(gè)很好的商業(yè)突破機(jī)會(huì)：雖然在光芯片制造上，國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家確實(shí)領(lǐng)先我們很多。但是PIC制造技術(shù)遠(yuǎn)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(zhǎng)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?cè)诠庾蛹芍圃焐?，為采用‘游擊?zhàn)/運(yùn)動(dòng)戰(zhàn)’戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)奠定了很好基礎(chǔ)?！标愊蝻w如是講述自己和團(tuán)隊(duì)全力聚焦DFB激光器陣列的波長(zhǎng)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。“當(dāng)然，要取得商業(yè)成功，還離不開中國(guó)的市場(chǎng)、知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)、中國(guó)人的聰明才智和團(tuán)結(jié)、以及做好工藝的決心?！标愊蝻w強(qiáng)調(diào)。

光子集成將和IC一樣，是一個(gè)偉大的事業(yè)和產(chǎn)業(yè)。面對(duì)國(guó)外強(qiáng)大的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，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(guó)很難找出商業(yè)上實(shí)現(xiàn)漂亮彎道超車的案例。因?yàn)樯钊虢佑|，深有領(lǐng)悟，無論在什么時(shí)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(dòng)力源泉。

向夢(mèng)想沖刺 努力在中國(guó)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(shí)的科研人形象，但這并不阻擋他內(nèi)心對(duì)夢(mèng)想的熾熱追索?！坝浀迷趨⒓拥诙弥袊?guó)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽的時(shí)候，我就提出過自己追求的更大夢(mèng)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(guó)人帶來的核心產(chǎn)業(yè)成果’”?！胺浅Ｐ疫\(yùn)，REC集成技術(shù)具有對(duì)波長(zhǎng)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(gè)難以逾越的制高點(diǎn)，使商業(yè)成功的可能性大增。如果這樣的技術(shù)優(yōu)勢(shì)不能盡快轉(zhuǎn)成產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)，失去一次高端核心信息元器件實(shí)現(xiàn)商業(yè)突破的機(jī)遇，將是一個(gè)極大的歷史遺憾?！庇袎?mèng)就有動(dòng)力，在夢(mèng)想的牽引下，他和團(tuán)隊(duì)即使跌跌撞撞依然堅(jiān)持至今。堅(jiān)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(jià)值。好的技術(shù)，結(jié)合越好的工藝，將產(chǎn)生越大的價(jià)值。而光芯片工藝也是我們國(guó)家的弱勢(shì)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(jìn)工藝開發(fā)中去。與此同時(shí)，他也深刻地體會(huì)到這是一項(xiàng)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(gè)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(zhǎng)達(dá)10年時(shí)間內(nèi)，在激光器陣列波長(zhǎng)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(shì)，至少優(yōu)于2倍?！睘樘ぬ?shí)實(shí)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(duì)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(gè)集商業(yè)、管理和工藝人才為核心的一流團(tuán)隊(duì)。

“我們的商業(yè)成功非常重要，改革開放40年，中國(guó)制造業(yè)也和這個(gè)時(shí)代一樣站在了新時(shí)代新起點(diǎn)，那就是尖端制造業(yè)的突破，如大飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)、高端芯片、精密機(jī)械設(shè)備等。未來，我們需要一大批有抱負(fù)、有知識(shí)、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(guó)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(guó)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(guó)內(nèi)開展尖端光子集成芯片的創(chuàng)新、研發(fā)和生產(chǎn)?！睂?duì)未來，陳向飛有著清晰的規(guī)劃。與此同時(shí)，他還不忘感謝一路走來很多人給予他的無私幫助，正因?yàn)橛兴麄?，這項(xiàng)事業(yè)才有了延續(xù)的希望。