黃北舉：孜孜以求“中國芯

半導體行業(yè)，涵蓋芯片設計制造、設備生產(chǎn)、材料研發(fā)等領(lǐng)域，是現(xiàn)代科技的核心支柱，對保障國家戰(zhàn)略安全、促進經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義。在舉國上下討論如何實現(xiàn)高端芯片國產(chǎn)替代的背景下，中國科學院半導體研究所研究員、博士生導師黃北舉毅然走出實驗室，創(chuàng)辦蘇州微光電子技術(shù)研究院有限公司（以下簡稱“微光電子研究院”），為解決“卡脖子”難題積極作為。

作為硅基微電子與光電子集成專家，黃北舉曾先后獲評中國科學院半導體研究所青年科技獎、全國首屆博士后創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽銀獎、江蘇省“雙創(chuàng)”領(lǐng)軍人才等殊榮。在他帶領(lǐng)下，微光電子研究院研發(fā)出多款性能達國際先進水平的高端芯片，成為自主創(chuàng)業(yè)并帶動產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展的青年科學家。

為實現(xiàn)芯片國產(chǎn)替代而讀書

黃北舉致力于高端芯片研發(fā)的決心，可以追溯到他在西安電子科技大學讀書期間。

當時，他在一次學術(shù)講座中了解到，我國高速光電子芯片幾乎全部依賴進口，甚至單個分立的高頻電子元器件也需要進□，在這種情況下，國家信息安全存在諸多不可控因素，而要做到對信息安全的全面掌控，必須實現(xiàn)芯片的國產(chǎn)化替代。這次講座，對年輕的黃北舉產(chǎn)生極大震撼，也成為其從事半導體研究的重要源動力。

“半導體可分為微電子、光電子兩個研究方向，在先進制程的微電子領(lǐng)域，我們還處于追趕階段；但在光電子領(lǐng)域，尤其是硅基光電子領(lǐng)域，我們并不比國外落后。”黃北舉告訴本刊記者，硅基光電子具有高速、高集成度、高良率、低成本等優(yōu)勢，在高速互聯(lián)、人工智能（AI）領(lǐng)域具有突出競爭力，因此，他從讀碩士研究生開始，就選擇了硅基光電集成作為研究方向。

2009年，27歲的黃北舉在中國科學院半導體研究所獲得微電子學與固體電子學專業(yè)博士學位，又先后在清華大學做博士后研究、美國加州大學歐文分校電子工程系做訪問學者，直至2016年回到中國科學院半導體研究所，先后擔任副研究員、研究員、博士生導師及光電集成與可見光系統(tǒng)研究組組長，專心從事硅基光電子器件、硅基光電集成芯片研究，并于2019年獲得中國科學院半導體研究所青年科技獎、2022年獲得中國科學院青年創(chuàng)新促進會優(yōu)秀會員。

這些在不同高校和科研院所的游學經(jīng)歷，不僅拓展了黃北舉的國際化視野，也為其從事硅基微電子與光電子集成研究積累了寶貴經(jīng)驗。

時間進入21世紀的第二個十年，中國已然成為世界第二大經(jīng)濟體，經(jīng)濟實力顯著提升；隨著美國對高端芯片限制日益加強，實現(xiàn)國產(chǎn)化替代的呼聲也日益高漲。

2021年，黃北舉在蘇州成立微光電子研究院，力圖通過把前期承擔國家科研項目時積累的創(chuàng)新經(jīng)驗和優(yōu)質(zhì)科研成果轉(zhuǎn)化落地，實現(xiàn)從“書架上的論文”到“貨架上的產(chǎn)品”的轉(zhuǎn)化；通過技術(shù)研發(fā)、技術(shù)孵化、技術(shù)轉(zhuǎn)移，將科技與產(chǎn)業(yè)有機結(jié)合，為助力高水平科技自立自強承擔起“匹夫之責”。

而之所以選擇在蘇州創(chuàng)業(yè)，是因為看好當?shù)氐膮^(qū)位優(yōu)勢、營商環(huán)境、工業(yè)基礎，以及子女入學、免費人才公寓等吸引人才的配套政策。為了讓人駐公司得到更好的發(fā)展，從落戶報批、職工住宿到企業(yè)融資、項目申報，吳江區(qū)政府都提供了全方位的服務；并且，當?shù)剡€有不少發(fā)展良好的光通信相關(guān)企業(yè)。

“初創(chuàng)企業(yè)最缺乏的就是資金和資源。蘇州市吳江區(qū)人民政府不但在政策制定上考慮周到、快速落地，還主動提醒企業(yè)申報合適的項目，為企業(yè)爭取到盡可能多的政府補助。從免租金廠房到研發(fā)補助，從風投到低息貸款，這些幫助大大減輕了我們創(chuàng)業(yè)初期的經(jīng)濟負擔。”黃北舉說。

邁出硅基光電融合“關(guān)鍵一步”

按照最初設想的藍圖，黃北舉先后在微光電子研究院建成光速光互聯(lián)器件、光電感知與計算器件、光電專用集成電路、光電集成芯片與系統(tǒng)、光電融合應用技術(shù)等五大研發(fā)中心，以及光電測試實驗室、微納加工平臺、生物無菌實驗室等實驗平臺，開始圍繞高速通信、傳感、新一代人工智能展開芯片研發(fā)。

在黃北舉團隊研發(fā)的一系列高端芯片當中，8通道高速硅光收發(fā)芯片可實現(xiàn)1.6Tb/s高速傳輸，性能達到國際先進水平，全面實現(xiàn)了高速光通信芯片的國產(chǎn)替代。然而，該項目在研發(fā)過程中，曾面臨設計、測試的種種挑戰(zhàn)。

據(jù)黃北舉介紹，硅基光電融合芯片的設計，需要基于互補金屬氧化物半導體（CMOS）工藝，將硅基光電子器件和微電子器件單片集成，就是在同一個芯片上同時實現(xiàn)電光調(diào)制器，光電探測器，光波導類器件和專用驅(qū)動電路、接收電路的集成。這屬于跨學科交叉領(lǐng)域，需要研發(fā)人員既精通光、又精通電，在國內(nèi)并沒有可以借鑒的成熟經(jīng)驗。

為此，黃北舉團隊通過總結(jié)、比較國際光電融合方案和最新進展，結(jié)合團隊此前研制CMOS后工藝光電三維集成芯片時積累的經(jīng)驗，提出可通過雙極性互補金屬氧化物半導體（BiCMOS）工藝流片的單片光電集成解決方案。

在設計光電融合芯片中的光電子器件結(jié)構(gòu)時，黃北舉團隊又遇到流片工藝參數(shù)未知的情況。“電光調(diào)制器的設計和優(yōu)化需要基于摻雜濃度，但是這個參數(shù)在傳統(tǒng)集成電路流片工藝中是不對外提供的。”黃北舉說，研發(fā)團隊就發(fā)揮熟悉CMOS工藝的優(yōu)勢，通過電學性能參數(shù)推導出底層工藝參數(shù)，順利實現(xiàn)光電子器件的設計和優(yōu)化。

設計工作完成后，光電融合芯片在高速測試中又遇到寄生參數(shù)的影響。為了測試出芯片最佳性能，黃北舉率團隊先后在北京大學長三角光電研究院、上海交大平湖智能光電研究院、鵬城實驗室進行測試。為了改善測試時的光學穩(wěn)定性，微光電子研究院還自主研發(fā)了光纖垂直封裝工藝。經(jīng)歷多次實驗，終于將芯片性能測試到了極限。2024年和2025年，這兩個成果相繼發(fā)表在光學頂級期刊《Laseramp;PhotonicsReviews》和《PhotonicsResearch》，引起業(yè)界廣泛關(guān)注。

就此，黃北舉團隊為硅基光電融合芯片進入產(chǎn)業(yè)應用徹底掃清了障礙。

讓國產(chǎn)芯片助力“萬物智能”

8通道高速硅光收發(fā)芯片的研制成功，這是黃北舉為推動高端芯片國產(chǎn)替代邁出的關(guān)鍵一步。此后，他又帶領(lǐng)團隊進行了“偏振不敏感的硅基光強度調(diào)制器”“單片光電集成光接收機芯片”等高性能硅光芯片的設計研發(fā)，并得到實驗驗證，進一步擴大了其在光通信和光電子領(lǐng)域的影響力。

“這兩款芯片都采用了我們獨創(chuàng)的新型耦合器方案。”黃北舉介紹，目前硅光芯片缺少片上光源，需要引進片外光源。然而，片外光源通過光纖和硅光芯片耦合的時候，存在插損大、耦合容差小等缺點。為解決這些問題，黃北舉提出基于亞波長變跡雙向光柵耦合器，通過優(yōu)化設計抑制了寄生反射，提高了光柵耦合性能，降低了耦合損耗。針對硅光調(diào)制器的偏振敏感缺點，黃北舉創(chuàng)新解決方案，提出基于二維光柵耦合，研制出偏振不敏感硅光調(diào)制器，解決了中心對稱二維光柵、超小尺寸模斑轉(zhuǎn)換損耗抑制等問題，打破了傳統(tǒng)硅光調(diào)制器的性能限制，有力推動硅基光電子技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應用。

“優(yōu)秀的芯片研發(fā)人員需要具備扎實的理論基礎、豐富的研發(fā)經(jīng)驗、多次的流片驗證，以及在面對挫折的時候仍然能保持樂觀的心態(tài)。”總結(jié)十幾年研發(fā)經(jīng)驗，黃北舉認為，芯片研發(fā)需要一輪又一輪的迭代更新，有客戶的反饋意見，才能持續(xù)提升性能，滿足業(yè)界需求。此外，芯片研發(fā)需要持續(xù)、高強度的投入，因為每隔18個月就會迭代一次，集成度翻一番，同時單位成本降低一半；因此，只要有持續(xù)的高強度投入和市場需求，芯片的國產(chǎn)化替代一定能夠?qū)崿F(xiàn)。

硅基光電芯片研發(fā)創(chuàng)新，處于半導體產(chǎn)業(yè)上游環(huán)節(jié)；對于打通全產(chǎn)業(yè)鏈，黃北舉還有更大的“野心”。

“目前，我們已經(jīng)引進34名博士、碩士研究生，平均年齡只有33歲，研發(fā)團隊充滿了活力。”黃北舉說，“下一步，我們將進一步集聚頂尖人才，開展硅基光電子產(chǎn)業(yè)技術(shù)應用研究和集成創(chuàng)新，促進科技成果轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化，衍生孵化科技型企業(yè)，完善產(chǎn)業(yè)鏈，推動蘇州成為國際水平的微電子與光電子融合技術(shù)研發(fā)中心與產(chǎn)業(yè)基地。”

具體措施是，一方面對現(xiàn)有芯片進行迭代，向低功耗、低插損、高集成度、高帶寬方向邁進，同時布局量產(chǎn)單波200G硅光芯片，積極與圖形處理器（GPU）廠商對接，全面進入AI領(lǐng)域，為智能時代的算力需求提供硬件支持；另一方面，通過積極與亨通光電、永鼎股份、旭創(chuàng)科技等長三角地區(qū)的光通信龍頭企業(yè)開展合作，實現(xiàn)高端、高速光通信芯片的國產(chǎn)化替代，與合作企業(yè)共同打造硅基光電子芯片設計、制造、封測、應用的全產(chǎn)業(yè)鏈。

“讓國產(chǎn)芯片助力萬物感知、萬物互聯(lián)、萬物智能，是我們不改的初衷。我們將扎根高端光電芯片，‘頂天、立地、謀長遠’，為國家半導體產(chǎn)業(yè)、為長三角生態(tài)綠色一體化高質(zhì)量發(fā)展盡自己的綿薄之力。”黃北舉說。