清华电子系崔开宇等研制出国际首款实时超光谱成像芯片

澎湃新闻记者 王蕙蓉

5月31日，清华大学电子系崔开宇等在超光谱成像芯片的研究中取得重要进展。

超光谱成像芯片装置操作示意图，图片来自论文

清华大学电子工程系黄翊东教授团队崔开宇副教授等研制出国际首款实时超光谱成像芯片，相比已有光谱检测技术，其实现了从单点光谱仪到超光谱成像芯片的跨越。

《科学》（Science）综述论文“光谱仪的小型化”将前述超光谱成像芯片技术列为该领域最新研究成果。

光谱作为物质的指纹，光谱成像可以获取成像视场内各像素点物质的组分和含量，为智能感知技术开拓一个新的信息维度。它在工业自动化、智慧医疗、机器视觉、消费电子等诸多领域有着众多应用需求。然而传统基于分光原理的单点光谱仪体积庞大，已有的光谱成像技术一般只能采用逐点逐行扫描或波长扫描的模式，无法获取视野场景中各像素点高精度的实时光谱信息。

此外，光学超表面能够实现对光的相位、幅度、偏振、频谱等参量的灵活调控。然而，传统的超表面设计主要基于规则形状的超原子，限制了其性能进一步提升。

图1. 国际首款实时超光谱成像芯片及其性能指标，图片来自清华电子系

前述团队基于超表面实现了国际首款实时超光谱成像芯片（如图1）。他们通过硅基超表面实现对入射光的频谱域调制，利用CMOS图像传感器完成频谱域到电域的投影测量，再采用压缩感知算法进行光谱重建，并进一步通过超表面的大规模阵列集成实现实时光谱成像。CMOS图像传感器是一种使用CMOS（互补金属氧化物半导体）的固态图像传感器。

首款实时超光谱成像芯片将单点光谱仪的尺寸缩小到百微米以下，空间分辨率超过15万光谱像素，即在0.5平方厘米的芯片上集成了15万个微型光谱仪，可快速获得每个像素点的光谱，工作谱宽450~750nm（纳米），分辨率高达0.8nm。相关成果发表在《光学设计》(Optica)。该论文共同第一作者为清华电子系2017级博士生熊健、博士后蔡旭升、副教授崔开宇，论文通讯作者为崔开宇。

图片来自《光学设计》(Optica)

研究团队与清华大学生物医学工程系洪波教授团队合作，基于该实时超光谱成像芯片，首次测量了活体大鼠脑部血红蛋白及其衍生物的特征光谱的动态变化，时间分辨率高达30Hz（赫兹）。通过实时光谱成像，可获取大鼠脑部不同位置的动态光谱变化情况，结合血红蛋白的特征吸收峰，分析获取对应血管区和非血管区血红蛋白含量的变化情况，并可利用神经血氧耦合的机制，得出脑部神经元的活跃状态。

图2. 基于自由形状超原子的超表面光谱成像芯片及其性能指标，图片来自清华电子系

黄翊东、崔开宇团队还进一步提出了基于自由形状超原子(Freeform shaped meta-atoms)超表面的超光谱成像芯片，可突破规则形状的超表面设计，扩大超表面的参数设计空间，进一步提升光谱成像性能（如图2），在工业自动化、智慧医疗、机器视觉、消费电子等诸多领域具有应用需求。相关成果发表在Laser & Photonics Reviews，论文第一作者为电子系2018级博士生杨家伟，论文通讯作者为崔开宇、黄翊东。

图片来自Laser & Photonics Reviews

自由形状超原子的超表面调制单元具有更加丰富的布洛赫(Bloch)模式，增加了透射谱的丰富性，从而提升了光谱重建精度和光谱分辨率。对宽谱光和窄谱光进行测量重建的结果表明，窄谱光重建的中心波长偏差标准差仅为0.024nm，24色标准色卡的平均光谱重建保真度达到了98.78%。该工作进一步提升了超表面光谱成像芯片的性能，推动未来光谱成像芯片发展及其在实时传感领域的应用。

清华团队研发的实时超光谱成像芯片是微纳光电子与光谱技术的深度交叉融合，作为光谱技术的颠覆性进展，展示出在实时传感领域的重要应用潜力，相关成果已进行产业化。光谱芯片成果转化企业“北京与光科技有限公司”创立后获数亿元融资，入选2021创业邦100未来独角兽，VENTURE50（中国最具投资价值企业50强）新芽榜，2021年中关村国际前沿科技创新大奖-集成电路领域TOP 10。

责任编辑：李跃群

硅光芯片：并非电子芯片的“对头”而是“伙伴”

李培刚

北京邮电大学教授、博士生导师

当下科技竞争日趋激烈，最受人关注的芯片技术更是日新月异。当IBM研发出2纳米制程芯片的消息尚未传开，台积电和其合作伙伴就宣布取得了1纳米以下制程芯片技术突破。业内普遍认为，人类正一步步逼近电子芯片的物理理论极限。

硅光芯片具有高运算速度、低功耗、低时延等特点，且不必追求工艺尺寸的极限缩小，在制造工艺上，也不必像电子芯片那样严苛，必须使用极紫外光刻机（EUV）。

那么，硅光芯片能否突破摩尔定律的“天花板”，开辟新的“赛道”？

仍存需要突破的技术瓶颈

“硅光子技术的概念很早就有人提出了，但是要做好硅光芯片，并不是很容易。”北京邮电大学教授、博士生导师李培刚告诉科技日报记者，早在上世纪90年代，IT从业者就开始为传统半导体芯片产业寻找继任者，光子计算一度被认为是最有希望的未来技术。“因技术上的原因，直到21世纪初，以Intel和IBM为首的企业与学术机构才率先重点发展硅芯片光学信号传输技术，期望能用光通路取代芯片之间的数据电路。”李培刚说。

李培刚告诉记者，硅光芯片制造技术是基于硅和硅基衬底材料，利用互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺进行光器件开发和集成的技术，其结合了集成电路技术超大规模、超高精度制造的特性和光子技术超高速率、超低功耗的优势，与现有的半导体晶圆制造技术是相辅相成的。

李培刚表示，我国十分重视硅光芯片产业的发展。但刚开始时，国内的高端硅光芯片以设计为主，流片主要还是在国外，芯片制备的周期长、成本高，制约了我国硅光子技术的发展，“加之国外限制中国的芯片技术发展，采取了一系列措施，对我国硅光芯片企业的发展造成了较严重的影响。”

李培刚告诉记者，硅光技术发展主要可以分为3个阶段：第一，硅基器件逐步取代分立元器件，即用硅把光通信底层器件做出来，达到工艺的标准化；第二，集成技术从耦合集成向单片集成演进，实现部分集成，再把这些器件像乐高积木一样，通过不同器件的组合，集成不同的芯片；第三，光电一体技术融合，实现光电全集成化。把光和电都集成起来，实现更加复杂的功能。“目前硅光技术已经发展到了第二阶段。”李培刚说。

在他看来，尽管硅光技术日趋成熟，硅光芯片即将进入规模化商用阶段，但是仍存在需要突破的技术瓶颈，如设计工具非标准化、硅光耦合工艺要求较高以及晶圆自动测试及切割等存在技术性挑战。

李培刚认为，我国在硅光芯片的研发上已经取得了技术突破，但在产业化方面，国产硅光芯片产业化技术还存在一些问题，包括结构设计、制造工艺、器件封装和应用配套等，需要不断发展成熟，“除了技术本身，硅光芯片的产业化也会受到材料、工艺、装备、软件、人才以及市场生态等综合因素的影响。所以，在对技术方面的研发进行投入之外，形成一个好的产业生态，搭建平台、优化生态，产业链上下游加大合作，对于硅光芯片的发展也是非常重要的。”李培刚说。

我国硅光芯片发展迅速

2017年11月28日，工信部正式批复同意武汉建设国家信息光电子创新中心，该中心由光迅科技、烽火通信、亨通光电等国内多家企业和研发机构共同参与建设，汇聚了国内信息光电子领域超过60%的创新资源，承载着解决我国信息光电子制造业“关键和共性技术协同研发”及“实现首次商业化”的战略任务，着力破解信息光电子“缺芯”的局面。

2017年，上海市政府将硅光子列入首批市级重大专项，投入大量经费，布局硅基光互连芯片的研发和生产，旨在打造硅光芯片全产业链，掌握关键核心技术，让国内企业摆脱对国外供应商的依赖。

2018年10月，由重庆市政府重磅打造的国家级国际化新型研发机构联合微电子中心有限责任公司在重庆注册成立，首期投资超100亿元。

工信部2017年底发布的《中国光电子器件产业技术发展路线图（2018—2022年）》指出，目前高速率光芯片国产化率仅3%左右，要求2022年中低端光电子芯片的国产化率超过60%，高端光电子芯片国产化率突破20%。

在政策支持下，我国硅光芯片发展迅速。2018年1月，国内第一个硅光子工艺平台在上海成立，缩小了我国在加工制造上与国外的差距。

2018年8月29日，中国信科宣布我国首款商用“100G硅光收发芯片”正式投产。

2019年9月，联合微电子中心有限责任公司实现了8英寸硅基光电子技术工艺平台的通线。仅仅几个月，其自主开发的硅光工艺就达到了非常好的水平，并正式向全球隆重发布“180nm成套硅光工艺PDK”，这标志着该公司具备硅基光电子领域全流程自主工艺制造能力，开始向全球提供硅光芯片流片服务。

国家层面，支持硅光技术的利好政策纷至沓来，各地政府也纷纷入局。上海市明确提出发展光子芯片与器件，重点突破硅光子、光通讯器件、光子芯片等新一代光子器件的研发与应用，对光子器件模块化技术、基于CMOS的硅光子工艺、芯片集成化技术、光电集成模块封装技术等方面的研究开展重点攻关。湖北省、重庆市、苏州市等政府都把硅光芯片作为“十四五”期间的重点发展产业。“根据各地的规划来看，很难看出各地布局实质性差异。各地将发挥自己原有的芯片产业基础，并积极引进新的企业，各尽所能发展硅光芯片产业。”李培刚说。

光与电未来将携手共赢

硅光技术因其诸多特性，已经成为业界下一个追逐的目标。随着产业化技术的不断成熟，产业环境不断优化，我国硅光芯片产业正蓄势待发。

根据英特尔的硅光子产业发展规划，硅光模块产业已经进入快速发展期。2022年，硅光子技术在每秒峰值速度、能耗、成本方面将全面超越传统光模块，预测硅光模块的市场增速为40%，2024年达到39亿美元，届时有望占据整体市场规模的21%。

“目前来看，光和电是在两个‘赛道’上，各有自己的应用场景。在逻辑运算领域，未来的趋势是光电集成，要实现全光计算还需要很长的一段时间。”李培刚说，光子集成电路虽然目前仍处于初级发展阶段，不过其成为光器件的主流发展趋势已成必然。

“总体来说，目前只在个别计算和传输领域，光子芯片可以替代电子芯片。”李培刚说，在制造工艺上，两者虽然在流程和复杂程度上相似，但光子芯片对结构的要求不像电子芯片那样严苛，一般是百纳米级，“这大大降低了对先进工艺的依赖，在一定程度上缓解了当前芯片发展的瓶颈问题”。

“光有光的优势，电有电的优势。”李培刚说，在某些应用场景中，两者有竞争，但更多的时候，二者是共赢关系。

“硅光芯片技术目前还没有电子芯片成熟，所以未知的因素很多，未来应把两者很好地衔接起来。”李培刚认为，电子集成电路和光子集成电路之间是互补的关系。“未来我们可以充分利用光子集成电路高速率传输和电子集成电路多功能、智能化的优点，在新的‘赛道’上跑出更好成绩。”李培刚说。

记者 吴长锋

来源： 科技日报

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