——记南京大学现代工程与应用科学学院陈向飞团队之光子集成芯片产学研事业
　　
本刊记者  吴应清

　　
　　
　　2015年春，随着“两会”的召开，“大众创业、万众创新”迅速成为举国关注、全民讨论的热点。对任何一个普通的中国人而言，创业创新不再是一个简单抽象的概念，而成为了他们梦想的可实现方式之一。“我很幸运，涌入春潮之中，体会到历史机遇带来无限可能的同时，也找到了自己应该努力的方向。但我也深刻地感受到在这项需要群策群力的事业中，自己的势单力薄。为此，我很渴望得到大家的支持和帮助，找到解决问题的方法。”陈向飞口中所说的这项事业，就是他现在全心倾力的光子集成芯片事业。
　　
自主集成激光器阵列精准制造  打开光子芯片应用大门
　　
　　“芯片是中国制造产业之痛，与先进国家相比，产业差距大。不过需要强调的是，我不做集成电路（Integrated circuits，IC），而是研发光子集成芯片的。”进入陈向飞的光子集成芯片世界，大家会发现这是一个神奇又充满挑战的研究世界。
　　光子集成芯片在国际上被称为PIC （photonic integrated circuit），PIC与传统IC类似，就是把多个光学功能器件集成到一个芯片上。PIC属于光子学范畴。PIC之于光子技术的战略意义等同于IC之于电子技术。
　　2015年7月27日，时任美国副总统拜登宣布成立集成光子制造创新研究院。这家研究院成为当时已经公布的9家制造业创新研究院中投入最大的一家。其中一个依据就是：光子技术是IT/通讯产业的核心使能技术，但目前尚无可实现这一技术的解决方法，而光子集成无疑是具有潜力的技术。
　　光子集成属于芯片技术领域，与高端IC一样，在中国正面临着巨大的产业挑战。正如全国人大代表、武汉邮电科学研究院原院长、现大唐电信科技产业集团董事长童国华在2015年全国“两会”的建议中所描述的：核心光电子器件大部分依靠进口，高端产品几乎空白。
　　使命当前，每位科学家都有责任和义务为国家在相关领域里的科学进步贡献己力，陈向飞和他的团队当然也不例外。瞄准这一战略需求，他们希望发挥自己所长，为改变国家在相关领域的现状做点力所能及的事。而他们的关注点，放在了集成激光器阵列技术上。
　　激光被认为是二十世纪最伟大的发明之一。在PIC中，集成激光器阵列就是把多个激光器集成到一个芯片上，为PIC提供传输信号的光源，相当于PIC的“发动机”，非常重要。
　　由于波长控制灵活和模式稳定性好，大规模激光器阵列采用分布反馈（DFB）结构，国外主流制造技术采用被西方国家垄断的高精度电子束曝光（EBL），通过控制10纳米大小的电子束在晶片上刻写精细DFB光栅。但面向大规模制造，该方法因为逐点扫描写入，耗时长，对环境敏感，波长间隔控制精度差，有文献报道说典型波长误差达3纳米。
　　一次偶然的机会，陈向飞和他的团队发明了一种特殊的集成激光器阵列技术。他们将其称之为“基于重构—等效啁啾（reconstruction-equivalent chirp，REC）技术的激光器阵列”，该技术完全是在中国提出并发展起来的一种与国外完全不同的激光器阵列技术。
　　“REC技术的原理和优势是：利用一次普通全息曝光加上一步微米量级的图形光刻来等效实现各种复杂的纳米光栅结构，即利用大尺寸结构（采样图案）调控小周期的均匀光栅，等效实现各种纳米精细结构，比如等效啁啾，等效相移等。这样制造上与传统商业成熟的普通DFB激光器制造流程对比，中间只多了一步1微米尺度以上的普通光刻。因此REC集成激光器阵列的制造本身在商业应用上是成熟的。”最令人惊喜的是，施跃春博士在南京大学攻读博士学位期间发现它的波长间隔控制精度比传统EBL方法理论上可提高约2个数量级，从而可实现对波长微结构非常精准的控制。这一发现也被国外知名研究组证实，为科学界解决20多年没有解决的波长控制误差难题打开了一扇大门！
　　因为有感于该技术发现在推动产业上拥有的巨大潜力，在南京大学和朋友等的支持下，2012年，陈向飞及其团队开始尝试着将相关技术推向产业化和商业化。
　　“科学技术唯有搬下高阁走入寻常百姓家才能真正实现其价值。”陈向飞深谙此意。为此，哪怕付出再多的艰辛，他和团队都始终无怨无悔。但在奔向理想的过程中，他们同样也遇到了一系列难题，这些都给他们所致力的事业发展带来了极大的禁锢。
　　首先，在外部投资环境上，虽然光芯片目前还处于发展阶段，还远没有像IC那样成熟，但也是国外先进国家优势竞争力所在和重点发展的方向。竞争态势变得和IC一样。投资收益实际情况也是“大投入，大收益；中投入，没收益；小投入，大亏损”。且与高端IC制造类似，自改革开放以来，在面向信息网络应用的高端光芯片制造上，中国内地几乎没有发生过特别令人欣喜的商业案例，使投资者望而生畏。
　　第二，在工业和内部基础上，一方面，由于国内激光器芯片制造基础比较薄弱，海外代工渠道不畅且限制较大；另一方面，陈向飞所在的南京大学虽然综合实力雄厚，但在相关领域的积累时间较短，他们的研发几乎是从零开始一步一步走到今日。这些都导致他们无论是借助自身力量还是外部力量都无法使技术的优势得到充分发挥。
　　第三，在商业推广上，因为商业成功涉及方方面面，技术只是一个方面，资金、管理、项目运作和工艺都是关键因素。因为跨领域、跨专业，陈向飞坦言由于他个人能力和条件的限制，团队在这方面力量明显不足。
　　“常言道：‘巧妇难为无米之炊’，虽然我们的技术发展潜力没有问题，但就是这一系列问题让我们的产业推广工作举步维艰、捉襟见肘。如果这些问题不能及时得到解决，历史的机遇可能很容易就错过！”陈向飞不无遗憾地说。也正是有这样的紧迫感，带他和团队展开了下一站的征程——
　　
困顿中寻找光明  聚心聚力突破前行
　　
　　为尽可能地减小遗憾，陈向飞和他的团队坚持在有限的资金资助和资源供给中一步一步突围、前行。心有余而力不足的他们希望能够困顿中寻找光明，思索也一直在继续：
　　“与国外进行商业竞争，REC技术也不是万能的。一方面REC技术的核心思路是用等效结构来代替传统的直接结构，解决了传统技术无法解决的波长间隔精准控制难题，但也因此导致REC激光器的光栅强度需要传统DFB激光器的3倍才能够完全等效。一个简单的解决方法就是增加光栅深度提高光栅强度，这需要投入资金掌握好相关工艺；另一方面，国外资金实力强，工艺基础好，技术储备雄厚，这方面我们劣势非常明显。因此，若想在有限时间内取得有影响力的商业价值，那么，初期阶段做什么样的产品将变得非常关键。”他们清楚意识到，在这一领域不能好高骛远，唯有尽可能地避开国外领先产品和先进制造工艺竞争，找到能够充分发挥REC技术优势的对路产品，通过知识产权保护手段形成商业优势，才能实现弯道超车。
　　经过深思熟虑，他们划定了选择产品需要尽可能满足的条件：一方面，瞄准市场前景，以及在商业应用上地位重要的方向；另一方面尽可能地把REC技术的优点发挥得淋漓尽致，弥补在工艺上差距，希望只基于二流工艺或者准一流工艺，就能够实现一流的高端激光器产品。经过这几年多方探索，他们最终将关注的目光聚焦在目前还远没有产业化成功的低成本半导体可调谐激光器（大规模应用的价格要低于100美元）和快速可调谐激光器（快于1微秒）上，以它们作为商业突破点！
　　为实现目标，他们还制定了详细的实现技术的路线。
　　半导体可调谐激光器商业规模应用已经近20年，但是至今低成本快速调谐问题世界范围内也没有解决。在低成本可调谐激光器领域，陈向飞及其团队考虑到调谐激光器的成本主要来自于几个部分：芯片制造、封装和控制/测试。采用DFB激光器阵列的控制系统比较简单，但前提是波长间隔准确。由于采用最简单且商业成熟的DFB激光器生产工艺，如果工艺成熟可靠，REC集成激光器阵列的制造成本非常低，器件价格甚至最终低于70美元都是可能的，这将为可调谐激光器的超大规模应用奠定良好基础。
　　而在快速可调谐激光器领域，他们尽力把DFB激光器阵列做得足够多，使阵列中的每一个激光器代表一个调谐波长，波长的调谐实际上就是这些激光器之间的开关切换。由于激光器点亮和关闭速度在纳秒量级，且DFB激光器的模式稳定性特别好，抗环境变化能力很强，因此采用这样机制的可调谐激光器速度可以达到纳秒量级。虽然需要做很多激光器，但只要把普通DFB激光器做好，就容易实现稳定的快速可调谐激光器。这样的快速可调谐激光器原理像集成电路，增加集成晶体管数目实现更高性能。如果需要集成更多快速可调谐激光器，只需要集成更多DFB激光器。这样机制下的快速可调谐激光器，由于集成单元激光器多，如果波长间隔误差大，会使波长控制变得特别复杂和无序，导致功耗、控制和测试成本明显提高，甚至完全不能满足正常使用要求，因此精准的波长控制几乎是必须的，REC技术的精准波长控制和成本低廉的优点也因此可以发挥得淋漓尽致。这方面的初级样品团队已经研制出来并初步测试成功。
　　以史为鉴，可以知兴替。陈向飞借用中国近现代史上红军采用游击战/运动战战略战术成功四次反“围剿”的例子来形容如今的IC“商业之战”：“商场如战场，在高端IC制造上，红军采取的战略战术是非常值得中国高端芯片制造产业借鉴的。但国外在IC的精准制造上优势明显，掌握了10纳米以下的完整制造链，要发现新的优势制造技术可能性非常小，没有‘游击战/运动战’基础，我们被迫采取‘阵地战/堡垒战’。”
　　“相比较之下，光子集成的精准制造是一个很好的商业突破机会：虽然在光芯片制造上，国外发达国家确实领先我们很多。但是PIC制造技术远没有IC技术成熟，在PIC的精准制造上，一些关键集成部件的精准制造没有好的解决方案，导致光芯片的集成度提高有限。如集成DFB激光器阵列的波长微结构精准制造，传统技术就没有解决好，无法低成本集成更多阵列DFB激光器，这给我们在光子集成制造上，为采用‘游击战/运动战’战略战术奠定了很好基础。”陈向飞如是讲述自己和团队全力聚焦DFB激光器阵列的波长微结构精准制造的原因。历史已经证明，不走自己的路，要在芯片领域取得很大的商业成功极为困难。“当然，要取得商业成功，还离不开中国的市场、知识产权保护、中国人的聪明才智和团结、以及做好工艺的决心。”陈向飞强调。
　　光子集成将和IC一样，是一个伟大的事业和产业。面对国外强大的竞争优势，无论自主高端IC制造、还是高端通信光子集成芯片制造，在中国很难找出商业上实现漂亮弯道超车的案例。因为深入接触，深有领悟，无论在什么时候，陈向飞的紧迫感都如影随形，而这也是他们不断前行的动力源泉。
　　
向梦想冲刺  努力在中国成就最有影响力的通信可调谐半导体激光器公司
　　
　　眼前的陈向飞给人感觉一直是平稳、踏实的科研人形象，但这并不阻挡他内心对梦想的炽热追索。“记得在参加第二届中国创新创业大赛的时候，我就提出过自己追求的更大梦想：‘在集成电路上，我们主要享受了西方带来核心成果，而在集成光器件上，我们应该努力让世界享受中国人带来的核心产业成果’”。“非常幸运，REC集成技术具有对波长微结构无以伦比的精准控制能力，这样就在关键性能上建立了一个难以逾越的制高点，使商业成功的可能性大增。如果这样的技术优势不能尽快转成产品优势，失去一次高端核心信息元器件实现商业突破的机遇，将是一个极大的历史遗憾。”有梦就有动力，在梦想的牵引下，他和团队即使跌跌撞撞依然坚持至今。坚持换来了更深刻的感悟：“再好的技术，没有工艺支撑也无法产生价值。好的技术，结合越好的工艺，将产生越大的价值。而光芯片工艺也是我们国家的弱势所在。“所以即使付出再多的艰辛，他也愿意在下一步工作中全身心地投入到先进工艺开发中去。与此同时，他也深刻地体会到这是一项需要群策群力的事业，需要付出更大的努力，需要更多人的关注、支持和参与，来解决发展中的问题，特别是工艺问题，所以他一直想尽办法奔走呼吁。
　　在一封致前辈及朋友的公开信中，他这样说：“我个人愿意以南京大学的教授职位作为担当，尊重承诺：从现在开始，在原始专利到期的长达10年时间内，在激光器阵列波长间隔的大规模精准控制和制造上，与不和REC技术思路类似的其他技术相比，我们将一直保持明显优势，至少优于2倍。”为踏踏实实做好工艺创造良好的环境以获得关键技术和商业突破，陈向飞期盼和欢迎更多志同道合的人士，加入到他们的队伍中来，而他们也能够在此基础上找到一流的资金，打造一个集商业、管理和工艺人才为核心的一流团队。
　　“我们的商业成功非常重要，改革开放40年，中国制造业也和这个时代一样站在了新时代新起点，那就是尖端制造业的突破，如大飞机的发动机、高端芯片、精密机械设备等。未来，我们需要一大批有抱负、有知识、有作为的年轻人。令人遗憾的是，我们培养的不少优秀毕业生在中国土地上无法直接面向尖端制造，发挥他们巨大的潜力，希望我们从可调谐激光器芯片及其应用开始，以比传统技术低得多的成本和更高的集成度，努力在中国做成一家世界上最有影响力的通信可调谐激光器公司，支持未来优秀年轻人在国内开展尖端光子集成芯片的创新、研发和生产。”对未来，陈向飞有着清晰的规划。与此同时，他还不忘感谢一路走来很多人给予他的无私帮助，正因为有他们，这项事业才有了延续的希望。