【“威”视制造】你应知道的集成光子学和集成光子学制造创新机构

《空天防务观察》此前已先后推出10期我中心青年学者、知名制造技术研究专家刘亚威先生的独家专栏文章（详见本文最后的列表）。本期，刘亚威先生将为我们解读“集成光子学”和美国新近成立的“集成光子学制造创新机构”。

集成光子学是一项新兴科技。就像计算机和手机中用于先进处理的集成电子电路那样，集成光子学可以将更多的处理能力装入单个芯片中，打造计算和电信领域的全新方式。集成光子学是承载光波的新兴技术，具有变革整个工业的潜质——使宽带通信的容量增加十倍，使糖尿病等常见病的检测不再需要探针，提升军事应用中的成像能力等等。集成光子学制造创新机构旨在集合企业和学术组织的力量，快速开发新的制造技术和工艺方法，提升电信、雷达、激光和其它技术领域的性能与可靠性。

美国副总统拜登于2015年7月27日宣布成立国家制造创新网络中第六家制造创新机构——集成光子学制造创新机构（IPIMI），该机构由美国国防部牵头组建，预计将获得超过6.1亿美元的初始公私联合资金投入。机构旨在促使美国形成一个端到端的集成光子学生态系统，包括国内的加工厂准入，集成的设计工具，自动化封装、装配与测试，以及技术工人发展等。作为开发“具有变革整个工业的潜质”技术的机构，集成光子学以及IPIMI都值得我们进一步了解，加深认识。

一、关于集成光子学

（1）什么是集成光子学

光子是光的最小单位，光子学是使用和控制光子的科学。光子学有许多应用之处，如激光雷达和电信，它成就了今天的互联网。就像集成电子学使数千电子器件装入单个芯片，形成复杂和强大的电子电路一样，集成光子学将光子器件装入单个芯片，实现以往遥不可及的能力。集成光子学能够带来尺寸、重量和功率的降低，以及性能和可靠性的提升。而且，依靠它还能实现新功能，构建更低成本的系统。

集成光子学处理多个光子器件和电子器件（如激光、探测器、波导、电子控制和光互连）在单个纳米尺度平台上的集成。光子集成是电子工业中的新兴技术，许多用于制造电子集成电路的设备和技术可以用来集成光子学制造。对这些集成技术来说，降低成本、提升性能的新制造方法，以及相关的封装和装配方法都需要实现商业化。

（2）为何投资集成光子学

微电子制造技术的开发使半导体集成电路工业成为美国领导世界经济发展40年的一大动力。集成光子电路也是在半导体芯片上进行微制造，目前即将达到上世纪70年代微电子那样的成熟状态。集成光子学在尺寸、性能、成本和可靠性方面的巨大提升已经得到验证。

与当前的主流技术不同，集成光子制造有彻底变革互联网传输速度的潜力，而且成本低廉；而且，该技术能够以更低的功率实现这些变革，这对于极为耗电的高性能数据中心来说意义重大。除了互联网和电信，集成光子学还能变革医学技术和国防。优势应用领域如下：

数据中心。数据中心每年消耗美国3%的电力，10Gb/s以太网电子收发器目前能耗为10瓦，而光学收发器仅消耗1瓦，每年就能节省1.7亿美元。如果数据中心广泛采用光学收发器，使用光子集成和单片波长分割多路转换器（WDM）使带宽扩展到100Gb/s或更高，将能够实现更可观的节能。未来，基于光子（尤其是硅光子）集成，将使100Gb/s的解决方案比10Gb/s能耗还要低。集成光子学的尺寸、功率消耗以及性能将使需要长距离传输数据的数据中心成为其理想应用。

感知能力。首先是医疗技术的变革，如监测血糖水平的无探针技术，比药片还小的血管摄像机。基于光子学的系统还能使人类基因组测序显著提速和降本。战场成像能力和雷达性能亦将极大提升。

集成光子学应用之一

国防系统。集成光子器件的国防需求很广泛，包括：模拟/射频激光器二极管、模拟/射频调节器、模拟/射频图像探测器、可调谐激光器、可调谐激光波长转换器、可调谐滤光器、非阻塞波导路由器、多路复用器/多路分离器、分路器/耦合器、数字收发器、数字可机内测试收发器、可机内测试WDM组件、可机内测试模拟/RF组件等。以上这些都需要先进的光子集成、封装以及制造技术的开发。

光子集成是美国众多军事应用和国防系统的关键使能技术。这将使它们在具备更高水平性能的同时减少尺寸、重量和能耗，这对未来国防需求至关重要。潜在的国防应用包括用于陆海空天基平台上使用的雷达、电子战、成像、感知和通信系统。

（3）为什么要成立这个机构

许多国家和地区都有相关的创新激励与制造提升计划：德国有弗劳恩霍夫研究所，英国有技术与创新中心计划、法国有卡诺研究所计划、加拿大有工业发展援助计划、比利时有欧洲微电子研究中心（IMEC）、台湾有工业技术研究中心。欧盟硅光子学研发基金计划成立了ePIXfab，而JePPIX支持磷化铟光子学。IMEC下的EUROPRACTICE则扮演大学和研究中心的硅光子学代理商角色，还为光子学设计提供优惠的软件工具以降低接触该技术的成本。

美国在单片集成光子器件性能方面处于世界领先。然而在美国本土，学术界、国防部和国内企业缺乏一个能使其设计集成光子系统的集成光子学平台。国防部和美国其它潜在用户遇到了加工厂准入的问题，一般这都是进入新的有潜在颠覆性领域时的障碍。由于在该领域多年保持着基础投入，美国目前还稍微领先，但是在从研究转化为商业产品上如果不进行投资开发，那么在世界其它地方利用美国率先开发的技术制作产品的时候，美国将成为旁观者，这也就是该机构存在的意义。

集成光子学应用之二

二、关于制造创新机构

（1）机构概况

集成光子学制造创新机构将设在纽约州罗彻斯特，由纽约州立大学研究基金会（RF SUNY）负责领导，并接受美国国防部监管。机构将获得1.1亿美元的联邦政府资金投入，以及超过5亿美元的由地方政府、大学和企业等投入的配套资金。机构目前由124家企业、非盈利组织和大学等成员组成，其中75家是关键合作伙伴。企业关键合作伙伴包括：波音、洛克西德•马丁、诺斯罗普•格鲁门、雷神、GE、霍尼韦尔、罗克韦尔•柯林斯、英特尔、IBM、德州仪器、希捷等。罗彻斯特被选为机构所在地是因为这个地区有众多企业在开发相关技术，如哈里斯公司、Sydor光学公司和Optimax公司。

（2）机构的任务

集成光子学制造创新机构（IPIMI）旨在促使美国形成一个端到端的集成光子学生态系统，包括国内的加工厂准入，集成的设计工具，自动化封装、装配与测试，以及技术工人发展等。IPIMI将促成大学和中小企业参与集成光子学革命，主要活动包括：

——把光子学行业的世界级团队集合在一起（包括政府、学术界、领先制造商、材料供应商以及软件开发商），将美国当前分散的集成光子技术能力组织起来，更好地在全球竞争中占位；

——构建一个集成光子学领域的标准化平台，满足不同的市场和产品需求，标准化平台将推动技术向规模化和各类市场发展，同时满足性能、成本和规模要求；

——建立起一整套的光学芯片、电子学、封装、互连、设计和测试解决方案，同时显著提升封装、装配和测试领域的自动化，并使工业界的大中小型企业、学术界和政府实验室都能接触到集成光子学的设计、制造和测试技术；

——领导制造能力提升和相关教育推进工作，在研究生、学院、职业学校等个层面推进工人教育与培训，构建生态系统加速工人发展，促进行业增长和就业；

——将光子学企业与集成电路的终端用户（如诺•格）和顶尖大学进行结对，使5年的政府投资结束后，机构仍可自给自足发展，不断为美国集成光子学技术的发展贡献力量。

（3）国防部的监管

IPIMI将由国防部长办公室（OSD）制造技术办公室监管，该办公室同时也监管其它3家国防部牵头建设的制造创新机构（增材制造、轻质材料、数字制造与设计）。OSD将项目管理和合同订立工作分配给各军中，空军研究实验室（AFRL）负责发布招标书，陆军通信与电子研究、开发和工程中心（CERDEC）负责项目管理，海军研究实验室（NRL）负责与光子学加工厂协调政府要求。陆海空三军制造专家组，以及民间机构人员将参与机构的日常工作，这些人员将在机构的技术咨询委员会中给予智力支持。

国防部的作用是通过联邦资金进行成本分摊以帮助机构建立，并且对机构进行联合监督与管理。国防部以及民间机构代表也将提供技术建议，通过顾问身份辅助决策。机构享有充分的自治权，且将拥有独立的董事会，成员主要来自工业界代表。机构执行主任来自纽约州立大学研究基金会，负责机构的日常运营。

（4）中小企业的参与

IPIMI的一个重要目标就是支持中小企业的成立、成长和扩张，最终机构将证明中小企业积极参与的可观收益。机构希望与现有的各种中介、中心和网络一起，解决中小企业的需求。考虑到中小企业对预付会费可能有顾虑，机构将采用分级会员制来进行鼓励。中小企业可以以不同等级的会员身份加入机构，最大限度地减少入会障碍，鼓励中小企业参与。成为会员后，中小企业可以参与设定项目优先级、遴选项目、参加各类活动，并且有条件地接触到各类知识产权。

刘亚威先生此前已为《空天防务观察》提供10篇“‘威’视制造”专栏文章，如下表所示：

序号	篇名	发表日期
1	美国数字制造与设计创新机构助力美国智能制造	2月16日
2	非热压罐成形技术用于MS-21机翼主承力构件生产	2月23日
3	热塑性复合材料加速进入民机主承力结构	2月25日
4	轨道加工工艺颠覆航空异种材料构件制孔	2月27日
5	增材制造（3D打印）——“美国制造，美国能行！”	3月11日
6	2014，美国国家制造创新网络雏形初现	4月8日
7	揭秘莫纳什大学增材制造中心——澳大利亚增材制造先锋	4月22日
8	美国通用电气公司“工业互联网”——两大革命共鸣下的智能制造新前景	5月27日
9	美国通用电气公司——高端增材制造技术的领军者	6月1日
10	“数字制造”VS“智能制造”	8月17日

以上文章引起了广泛关注和较大反响，有兴趣的读者可在本号中搜寻阅读。

（航空工业发展研究中心 刘亚威）

作者简介：

刘亚威，航空工业发展研究中心青年学者，国防制造创新问题研究专家，足迹遍布全球几十个国家，对国外先进制造技术、智能制造、制造成熟度等有深入研究与独到见解。

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