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光学的“纳米尺度”进化,将拉开“消费光子”的序幕

希大 • 2018-06-04 • 前沿技术

 

 

单个晶体管到集成电路的进化,直接了促成人类信息革命的爆发,拉开了消费电子的序幕,造就了近50年来无数的科技奇迹和无数伟大的企业。基于对半导体行业长期发展的统计,半导体行业归纳出了所谓的“摩尔定律”——集成电路上可容纳的晶体管数量大约每隔18个月便会增加一倍,性能也随之翻倍。

但伴随着摩尔定律走向极限,摩尔定律正画出一条完美的“S曲线”走向天花板:电芯片的工作原理,是通过操纵器件(晶体管、电阻器以及电容等)中的电子来传递信息。但当器件达到纳米级时,电子产生隧穿效应,使得电子不容易受控,这对器件来说是致命打击。所以有专家称,操纵电子的极限已经逐步来临,不能再单纯通过缩小器件尺寸、提升集成度来增强性能。 

和电子不同,光子具备并行、高速的特性。光路在空中交叉传输又互不干扰,同时光计算具有天然的并行性,可以在一个时段内同时进行多路计算,且自身能耗非常低,以目前方兴未艾的人工智能来看,通过光子可以瞬时的实现卷积运算。也就是说,从未来科技发展与应用来看,光计算是有望代替电计算,演化为下一代高性能计算处理器。

但一直以来,对于“光机电算”四大工程领域中,光的体量不及电之万一。从C端应用来看,光学的实现主要局限在几何光学的设计理论范畴与冷光学的工艺制造范畴,比如镜片、成像等,精度停留在亚毫米和微米级的范畴;从B端应用来看,光通讯领域最快的见证了“光”代“电”的趋势,硅光子技术正逐步的使得光与电在加速融合。从未来趋势来看,我们相信,在不久的将来:

1.     基于其物理特性,光必然会从“传输”领域逐步向“感知”领域、向“思考”领域逐步进化 ;

2.     伴随光进入计算的范畴,光学的理论实践将从几何光学向波动光学、甚至更深远的粒子光学升级;光学的工艺制成将从一直以来的冷加工向革新的工艺升级;

3.     光学组件的成本在终端的比重会超过50%;

4.     正如集成电路的兴起引领了消费电子的浪潮,光学的进化也将拉开“消费光子”的序幕。

回溯消费电子的发展历程,“纳米尺度”与“规模性低成本”是集成电路技术使得电子进入消费级的两大特征。与之类似,“消费光子”序幕的真正拉开也必将伴随这两大特征的诉求。纵观目前光学的发展现状:以硅光子技术为旗舰的有源光学近年来发展迅猛;但反观体量更大、与消费级更息息相关的无源光学却依然停留在传统的“冷光学”体系 –元件尺寸、精度受工艺限制,导致应用局限。

实现“消费光子”,意味着光学也需要从微米精度踏入“纳米尺度”、需要从精度越高成本越高的单体制成踏入“极大规模性低成本”制成,意味着在需要“晶圆”层面上实现光学设计与制成。

晶圆级光学是消费光子的基石性领域。晶圆级光学使得光学可以在精度提高一个数量级的同时将成本下降一个数量级,进而使得众多新兴的需求和商业价值成为可能,包括3D深度成像与无人驾驶、AR/MR显示、芯片间短距离全光传输、医学影像、航空军工、自动化安防等。比较典型的应用如3D深度成像。

3D深度成像的横空出现既是偶然,但也属必然。它一方面由终端的新需求而引发,但又反过来深刻的引发了行业深层的变革。3D成像模组核心零部件中,DOE作为一个全新的无源器件,其功效是接收入射的光场,对光进行重新运算,并输出一个特定分布的光场。

从光学的角度看,DOE像一种基于光学波动性理论设计的新型镜片;而从信号处理的角度看,由于DOE实现了对入射光场的特定计算与调制(这一点其实与电信号的调制非常类似。电的信号处理是在时域上进行信号的计算;光的信号处理是在空间域上实现对信号的计算与调制),所以DOE更像是一种基于光信号处理的芯片。于此同时,为了实现这一目的,DOE光元件的尺寸与精度需要达到在晶圆上实现纳米级的制成。所以,深度成像中DOE的出现,率先将波动光学与晶圆级的制成,应用到了极大规模的消费端产品中。

但想要做出纳米级的光元件并非易事。

一是设计难度,具备计算能力的光元件是通过在材料中引入微纳光学结构,通过光的波动效应,进而控制光场的再排布,从而实现新的光学性能。从这个角度来讲, 微纳光学结构的设计和制造是微纳光学发展的关键技术问题,而微纳结构的设计是一个前沿的领域。

二是生产难度,正如上文所讲,此前光学应用多限制在几何光学范畴,对器件的尺寸要求一般在亚毫米或者微米级,涉及到的加工工艺都是研磨、铸塑等冷工艺。而光芯片需要将光元件精度做到纳米级,显然原先的冷工艺是不适用的,但光学产业又缺乏类似半导体的那种大规模生产超高精度器件的成熟工艺。 

因此目前最为可行的发展方式,是融合光学与半导体工艺,用半导体的思路做纳米级光元件。即让全球历时五十年、投入了数千亿美元打造的微电子芯片制造基础设施进入无源光学领域,将成熟、发达的半导体集成电路工艺应用于晶圆级光学上,快速提升光学工业的制造水平。

不过在此基础上还需要解决良率和成本问题,由于纳米级的特征尺度,使得后道加工不可避免的会造成随机误差,因此需要在前道工艺中进行补偿、需要在设计上进行补偿、需要“Design to Manufacture”。而且要确保每一片光芯片良率,检测环节也需要搭建完整的流程步骤。另外,由于是“消费光子”的基础一环,低成本更多时候是决定性的要求。所以,从生产角度看,其“不可能之任务”归纳来说,就是要“精度提升到极高标准的纳米尺度外,同时要实现高良率、高一致性、极低成本的极大规模生产。”

晶圆级光学的设计和制造技术除了可以应用于3D感知领域,还可以应用于VR/AR产品和5G行业中,主要涉及到光场显示光波导、高速光通讯链路的设计和制造。

虽然技术难度高,但由于应用前景广阔,国内也有创业公司在从事晶圆级光学的设计和生产,如鲲游光电等。但对于创业公司来说,除了资金投入压力,还面临前期研发的技术问题,和后期规模化生产的管理问题。因此对于创业公司来讲,高效整合上下游产业链资源才有成功的可能。

本文访谈内容来自鲲游光电董事长林涛:

鲲游光电是一家晶圆级光学创业公司。晶圆级光学作为一个极度交叉的学科,离不开各界资源的支持。鲲游光电除了拥有一支经验丰富的多元化团队,还聚集了包括元璟资本、华登国际、中科创星、舜宇光学、昆仲资本、晨晖创投、中恒星光等股东,涵盖了光学、半导体、中科院、下游等各方通力协作。

晶圆级光学行业正处于一个高速发展的时点,一方面前景广阔,但另一方面,上下游与生态仍不完善。只有更多上下游企业和友商的加入,才能将这个领域做大做强。