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【光电工研院】举烛衔光 | 国伟华:让中国高端光芯片参与世界竞争

来源:武汉光电国家研究中心     作者:    发布时间:2019年09月05日    浏览:

【编者按】这是一个致敬创新创业者的时代,在双创浪潮中搏击的个体,又引领着潮水前进的方向。

在人才竞争驱动新一轮科技和产业变革的关键当下,一个由武汉光电工研院打造的国际化“人才引擎”在光谷科学岛起步区卓然问世。

我们欣喜地发现,比起数年前高校“唱主角”,如今一些带着先进技术学成归国、拥有国际视野的年轻团队正成为这座“科创新地标”中的活跃元素,释放出促创新、谋发展的澎湃动力。


时隔一年,光电工研院官方公众号再度推出“举烛衔光”人物专栏,讲述平台上明星创企的创新创业故事,以在追光之路上树一个品牌,立一面旗帜,亮一盏明灯,能够驱动和指引更多光电子领域创新团队“破茧成蝶”。

本期“举烛衔光”的主角,是奥瑞匹克(武汉)光电子科技有限公司首席科学家国伟华——

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奥瑞匹克(武汉)光电子科技有限公司首席科学家国伟华


2018年4月16日,美国商务部发布对中兴通讯出口权限禁令,禁止美国公司向中兴通讯出售零部件、商品、软件和技术,期限为7年。

一纸禁令,使得中国公司“缺芯少魂”的问题公之于众。

专家介绍,光芯片是光通信的核心。它主要解决两个问题:一是把电转化成光,以激光器芯片为代表,这是我国的短板,也是需要攻克的方向;二是把光转化成电,以探测器芯片为代表,华为、光迅等已有产品,研发出了25G的探测器芯片。

高端光芯片利润高,长期被国外垄断,也一直是国内空白。全球主要的光芯片厂商,几乎都来自美国和日本。

《中国光电子器件产业技术发展路线2018-2022年》报告中指出,当前,10 Gb/s速率的光芯片国产化率接近50%,25Gb/s及以上速率的国产化率远远低于10Gb/s速率,国内只能够提供少量25Gb/s的PIN器件/APD器件。

25Gb/s高速直调分布反馈激光器(DFB),还处于研发和测试阶段,整体水平与国际主要光器件公司还有很大差距。

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目前,国外大厂占据了我国高端光芯片、电芯片领域90%以上的市场份额,例如可调窄线宽激光器、相干光发射/接收芯片,25Gb/s DFB芯片等光芯片,全部依赖进口。在光电子芯片流片加工上,也严重依赖美国、新加坡、中国台湾等地。

为了实现高端光通信用光芯片的国产化,在光电子器件领域工作已超过15年的国伟华,获得中组部第五批“青年千人计划”支持,从美国加州大学圣芭芭拉分校,回到华中科技大学武汉光电国家研究中心,参与创立奥瑞匹克(武汉)光电子科技有限公司,并担任首席科学家,开始了他“追光逐芯”的产业报国梦。

拜师Larry Coldren

在武汉光电国家研究中心见到国伟华的时候,他正在实验室手把手带学生流片。

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国伟华在指导学生做实验

国伟华有两个身份,一个是武汉光电国家研究中心的教授、博士生导师,还有一个是奥瑞匹克(武汉)光电子科技有限公司的首席科学家。

一端在实验室,一端在市场

1998年,南京大学物理系毕业后的国伟华,进入中科院北京半导体研究所攻读博士学位。后来,在爱尔兰都柏林大学圣三一学院物理系,任高级研究员。

2010年,加州大学圣芭芭拉分校,一位名叫Larry Coldren的老人,改变了国伟华的人生轨迹。

Larry Coldren是谁?

——美国工程院院士,IEEE终生会士,美国光学学会终生会士。说起这个传奇教授,堪称全美乃至全世界做光子集成(磷化铟基底光子集成)的关键人物。2000年前后,当磷化铟基底光子集成还只是个概念时,是他把这个技术推向了产业化。

他发明了第一种真正商业化的大范围可调谐激光器芯片,叫SGDBR激光器。这种集成芯片复杂度很高,瞄准的是高端应用和长距离通信,因而对性能要求也很高。单颗芯片,要卖到几百乃至上千美元。

上世纪90年代初,日本光电子技术非常厉害,美国一度已经落后。当时的美国,希望在两个领域实现反超,其中一个就是大范围可调谐激光器芯片,以Larry Coldren的SGDBR技术为代表。

还有一个是垂直腔面发射激光器芯片VCSEL。这种芯片主要针对大规模应用市场,所以要求非常低的成本,低至几美分一颗,早期最典型的应用就是鼠标里面的光源。而Larry Coldren在这类芯片上也投入了巨大的研发精力。

后来,VCSEL主要用于量比较大的短距离通信,比如数据中心的服务器。iPhone X背后的3D传感芯片则是更大的新兴市场。

因此,尽管垂直腔面发射激光器的概念提出者是日本人,但是真正推向产业化的却是美国人。得益于这两个高端芯片领域的突破,美国很快就实现了反超。而Larry Coldren从某种程度上,也推动了美国在这个领域的起飞。

Larry Coldren,正是国伟华赴美求学时的导师。“在加州大学圣巴巴拉分校的经历,让我接触到了世界上光子集成的最高水平,也真正开阔了眼界,他们浓厚的产业化氛围更是对我触动良多。”时至今日,当谈起这位导师时,国伟华仍充满了感情。

走上“追光逐芯”路

2014年6月,国伟华回国。

“我国的光芯片普遍还处于低端水平,目前量产的只有10G的分布反馈激光器。高端的比如25G的分布反馈激光器、垂直腔面发射激光器、大范围可调谐激光器,都还依赖进口,被别人卡着脖子。”国伟华坦言,这让致力于光芯片研究的他感到焦急。

在他看来,中国光谷是我国光通信产业的重要承载区,在系统方面,有烽火通信和华为;在器件和模块上,有光迅;在光纤光缆行业,长飞是全国乃至全球第一大供应商。但是模块再往上游走,到了芯片,就比较弱。

不仅是光谷,我国的光通信产业,“缺芯”都很严重,国内高端光芯片自给率只有3%左右,且还是偏向难度不大的探测器芯片。更高端的发射端芯片,比如激光器芯片,很多还处在研发阶段,没有实质性突破“卡脖子”技术,也没有量产。

国伟华暗自较劲:一定要攻克高端光芯片,推动产业“空芯化”的缓解。

回国后,他立即着手组建研发团队及实验室,并购买了先进的光刻机,投入光芯片的研发与产业化工作。

奥瑞匹克就这样横空出世。

大范围可调谐激光器,以及25G高速直调DFB激光器,成为了重要突破口。

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奥瑞匹克两款产业化的芯片:高速直调DFB激光器及多通道大范围波长可调谐激光器

之所以首先选择这两个方向,是因为上千公里级的长距离光通信需要窄线宽大范围可调谐激光器芯片;而短距离光通信上,则需要使用高速直调的分布反馈激光器芯片。

现在,100公里级的城域网光通信,也开始使用大范围可调谐激光器。而作为主流产品的单片集成的大范围可调谐激光器,基本上都被Oclaro、Lumentum和Finisar等全球大型高端光通信用光芯片公司垄断。

“但他们只提供模块,不提供芯片。”国伟华说,如果奥瑞匹克能够做出首款国产芯片,将非常有利于我们和国内的芯片封装厂商形成战略合作,最终在这个高端市场上分到自己的蛋糕。

Light Counting预测,到2021年,数据中心间的互联市场将达到49亿美元。这意味着数据中心间的互联业务将成为未来光模块业务发展的另一主流。

由于数据中心间互联采用的是密集波分复用系统,将大量需要大范围可调谐激光器,对奥瑞匹克研发的大范围可调谐激光器亦是重大利好。“在这方面,我们在国内的优势更加明显,目前还没有接近的竞争者。”

据介绍,由奥瑞匹克自主研发的可调谐激光器芯片,已进行多轮优化和改良,并完成流片。测试数据表明,其可调谐激光器在各项性能指标上都已达到国外同类型产品的水平。

该方案甚至引起中兴通讯高度重视。奥瑞匹克已和中兴展开合作,争取将这款可调谐激光器用于中兴新一代WDM-PON系统。

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显微镜下的多通道大范围可调谐激光器

当然,大范围可调谐激光器只是奥瑞匹克手中的“利器”之一。

除了长距离光通信,在短距离光通信上,奥瑞匹克同样长袖善舞。

目前,100G CWDM(稀疏波分复用)通信需要使用4颗25G的DFB激光器,世界上主要由Macom、三菱、Oclaro等公司提供。

在大数据和云计算迅猛发展的互联网时代,全球数据中心建设如火如荼,超级数据中心已成趋势。根据Cisco预测,全球超级数据中心将从2015年的259个增至2020年的485个。

数据中心的大量建设,对光模块需求旺盛。此外,数据中心流量爆发也将驱动数据通信光模块从10G/40G向25G/100G升级。

以上仅仅是数据中心的市场需求,还未包含电信市场。在短途通信市场,25G DFB也会有较大的需求。

目前,国内100G的模块正在快速上量,可以预计,25G的DFB激光器芯片将是瓶颈,也将是奥瑞匹克的巨大机会。

国伟华介绍,国内众多模块商均需要高速的DFB激光器,国内光迅科技能够出货10G及以下DFB芯片,25G的DFB芯片还在研发测试阶段。

“奥瑞匹克25G高速DFB激光器芯片已经完成研发,器件概念已经得到验证,性能均已达标。”

从技术角度而言,相比于其它商用产品方案,奥瑞匹克的两款芯片产品在保证性能的同时,还具有制作简单的优势,令芯片制作成本得以降低。由于团队掌握了完整的芯片流片技术,计划建立生产线自行流片,使得芯片的生产成本更加可控。

目前,这两款原创芯片已申请中国和美国发明专利。其中,大范围可调谐激光器获得了美国发明专利授权,在OFC等顶级国际光通信会议做过学术汇报,得到了国内外业界同行认可。国产化后,将极大填补国内空白。

“不仅如此,我们还做出了磷化铟衬底上的高端光子集成芯片,完成了武汉光电国家研究中心成立十多年来一直想做的事情。”

“再好的成果不产业化没有意义”

在美国学习工作期间,国伟华曾跟随导师Larry Coldren的项目组,参与过DARPA(美国国防高级研究计划局)的一个军方项目,名为SWEEPER,开发激光雷达上使用的光学相控阵。GPS定位系统,便是出自DARPA。

DARPA的运作模式让国伟华深受触动。他说,在DARPA,整个项目从产生、运营,到管理、实施,背后有一整套运作模式,全世界几乎没有第二家机构能够与之抗衡。DARPA全部是国家投入,但是国家只给钱,不占有知识产权,最后商业化运作后,国家也不分利。

“我们国家的研究一直是跟跑,还没有真正实现并跑和领跑。引领的特点是什么?它做的很多事情是别人没做过的,可是成功的概率非常低,10个里面能成功一个就算不错了。所以引领一定需要一个有力的体制机制去保障,否则资金投入就会打水漂。”

国伟华直言不讳地表示,我们回国的目的就是为了做产业化,不仅仅是为了做研究。再好的成果不产业化没有意义。我们国家也想学DARPA,但是受制于体制机制束缚,还是很难。

回国之后,看到了中国缺“芯”的状况,他和许多科研人员也曾在实验室讨论过,如何解决“空芯化”的问题。

“我认为不能单纯依赖高校院所,而是要通过企业,因为只有企业才能提供大量高质量的芯片,只有市场才有能力和实力不断去做迭代的研发。”

当然,这并不是说高校院所不重要。高校应该是产生新想法、新概念和新知识产权的地方,是诞生原创性概念,以及培养人才的摇篮。对于特别创新和前沿的研究、暂时还不能走向市场的研究,企业不适合去做。企业更多是做工程化研究,把概念和专利技术产品化,把产品市场化,解决可靠性和良率的问题。

从公司首席科学家国伟华,到创业团队,奥瑞匹克90%的员工是武汉光电国家研究中心的博士乃至博士后。

国伟华说,我国高校芯片人才的培养很多时候是分割的。有的专门做设计,有的做流片,还有的做测试,知识链条是断开的,而美国高校对芯片专业的学生是全链条培养。

他的导师Larry Coldren在学生培养上,从不吝惜投入。深受影响的国伟华,如今也坚持这么培养学生。

“芯片流片非常烧钱,有的流片几次才能成功,全流程培养一个这样的博士,4年下来得花几十万元。”

国伟华现在带了20个学生,90%是博士生。他说,借鉴这一模式,在带博士时,他要求学生从芯片及器件设计、到超净间流片,再到后端测试,必须熟悉整个流程,知道芯片的更新迭代是怎么完成的。这样的学生一旦到企业里面去,就能够承担比较重要的责任。

组里目前毕业的两个学生,最后都留下来继续攻读博士后。因为他们心中都有一个共同的梦想:让我们国家的高端光芯片,最终站在“世界肩膀”,实现大规模产业化。