什么是光子芯片？光子芯片的原理和应用前景

2021-01-05 09:13

在当下，主流的芯片制造材料依然是以硅为主，当芯片工艺发展到5nm以下的制程后，这种材料无法满足工艺要求时，就会被淘汰，便会寻找其它材料来取代。

因此，随着集成光子技术的日益成熟，在芯片表面构建更大、更复杂的光子电路的可能性越来越大。光子芯片与电子芯片相似之处在于，都是在芯片表面实现的。

但两者的不同之处在于，光子芯片主要通过使用芯片上的光波导、光束耦合器、电光调制器、光电探测器和激光器等仪器来操作光信号，而不是电信号。电子芯片擅长数字计算，而光子芯片则擅长传输和处理模拟信息。因此，目前光子芯片主要用于光纤通信、化学，生物或光谱传感器、计量、经典和量子信息处理等特定应用，能够适用于各种各样应用场景的可编程光子芯片（Programmable PIC），仍然发展缓慢。

光子芯片的技术原理

光子芯片利用半导体发光，结合光的速度和带宽，具备了抗干扰性和快速传播的特性。光子技术在多个应用上的低功耗、低成本是最大的优势。在运行平台上，某一个区域可以同时完成很多的维纳量级，以光子为载体的信息功能分支机构，形成一个整体，具备大型综合运算能力的光子芯片。由于信息时代人工智能大数据的发展，光子载体的各个分支数据流量已达到满载，就要用集成技术将微纳级的光子导入到芯片内部，成为纳米级的光子芯片。

光子芯片的应用前景

从国家战略安全和战略需求的角度，光子芯片可以解决很多在数据处理时间长、无法实时处理、功耗高等应用领域的关键问题。例如，在远距离、高速运动目标的测距、测速和高分辨成像激光雷达中，在生物医药、纳米器件等的内部结构实现高分辨无损检测的新型计算显微关联成像装备中，光子芯片均可以发挥其高速并行、低功耗、微型化的优势。

空间激光通信是解决目前空间传输速率瓶颈的主要技术手段，是构建天地一体化信息网络的重要手段；水下激光通信是解决目前水下信号传输受环境影响的主要技术手段，是构建水下通信一体化的重要手段。另外还有星间互联网、6G通信、智能遥感测绘等国家战略安全和战略需求领域，而这些都是需要对大数据进行高速、低功耗、实时处理的。光子芯片在这些国家战略领域将起到非常重要的支撑作用。

此外，AI光子芯片是一种光计算架构与人工智能算法高度匹配的芯片设计，有潜力广泛应用于自动驾驶、安防监控、语音识别、图像识别、医疗诊断、游戏、虚拟现实、工业物联网、企业级服务器和数据中心等关键人工智能领域。

类脑光子芯片可以模拟人脑的计算，通过光子携带信息在模拟大脑的神经网络构架下处理数据，使芯片达到像人脑一样高速并行且低功耗的计算。以微纳光子集成为基础的光子芯片结合基于光学计算的神经网络数据处理系统是应对未来低功耗、高速度、宽带宽、大数据量信息处理能力的关键。

大数据时代，人们对电子计算机处理系统的算力和速度等要求越来越高，摩尔定律的失效使电子芯片在计算速度和功耗方面遇到了极大的挑战，光子计算芯片以光子为信息的载体具有高速并行、低功耗的优势，因此被认为是未来高速、大数据量、人工智能计算处理的最具有前景的方案。