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做強(qiáng)中國高端光芯片打破技術(shù)封鎖與壟斷
——國產(chǎn)高端光芯片的追夢之路

2018-09-29 01:22:38鄭莉穎
科學(xué)中國人 2018年16期
關(guān)鍵詞:激光器器件芯片

□ 鄭莉穎

赴美訪問期間,章雅平參觀舊金山金門大橋。

關(guān)鍵技術(shù)的核心創(chuàng)新能力體現(xiàn)著一個(gè)國家的實(shí)力,能將一個(gè)國家的科技發(fā)展命脈牢牢地掌握在手里,從而可以打破國外的技術(shù)封鎖與壟斷,消除國外對中國企業(yè)的不公平制裁,保障國家經(jīng)濟(jì)的健康發(fā)展……2018年4月,“中興事件”充分印證了這一點(diǎn)。中國政府和領(lǐng)導(dǎo)人已經(jīng)充分認(rèn)識到國內(nèi)當(dāng)前的嚴(yán)峻形勢,正在全國范圍內(nèi)大力提倡科技創(chuàng)新,尤其是關(guān)鍵核心技術(shù)的自主創(chuàng)新。

在當(dāng)今舉足輕重的通信領(lǐng)域,令國人尷尬的是,終端產(chǎn)品銷遍全球,核心的芯片設(shè)計(jì)與制作水平卻和歐美差距巨大,高端芯片的自給率為零,尤其是國產(chǎn)高端光芯片的商用率為零。

一直以來,中國半導(dǎo)體行業(yè)都處于極度落后水平,目前距世界先進(jìn)水平至少落后了30年。盡管上世紀(jì)七八十年代,單個(gè)產(chǎn)品曾經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室取得突破性進(jìn)展,但由于當(dāng)時(shí)不具備市場化條件,在供應(yīng)鏈全球化和國內(nèi)市場需求迅速增長后,國內(nèi)大量進(jìn)口國外芯片,從而重創(chuàng)了國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域的投入與自主發(fā)展。尤其是,2013年起,中國芯片進(jìn)口額已經(jīng)超過石油進(jìn)口額,導(dǎo)致了目前的絕大多數(shù)芯片嚴(yán)重依賴進(jìn)口的危險(xiǎn)局面。這直接影響到國家的戰(zhàn)略安全和經(jīng)濟(jì)的健康發(fā)展。

踏征途,行艱澀路

1962年7月,章雅平出生于一個(gè)高級知識分子家庭,父母均是浙江人。建國初期,父親從南京工學(xué)院(現(xiàn)東南大學(xué))畢業(yè)后帶著滿腔熱血和建設(shè)新中國的豪情,與師范學(xué)院畢業(yè)的母親一起,奔赴祖國建設(shè)第一線。在山東淄博,他們?nèi)谌肓私▏蟮谝淮萍脊ぷ髡咴谥袊谝粋€(gè)氧化鋁廠的艱難創(chuàng)業(yè)生活。

童年和少年均處于“文化大革命”時(shí)期,章雅平經(jīng)常遇到學(xué)校停課,盡管父母會盡力抽出時(shí)間在家中對她進(jìn)行適當(dāng)?shù)闹R教育和輔導(dǎo),但由于時(shí)間和精力有限,她還是缺少了系統(tǒng)性的知識學(xué)習(xí)。因此,章雅平的童年和少年時(shí)代是在對知識的極度渴求中度過的。

1976年,“文化大革命”結(jié)束,百廢待舉的中國迎來了曙光。此時(shí),14歲的章雅平剛好在初中階段,正趕上全國上下“奮發(fā)學(xué)習(xí),把損失的時(shí)間補(bǔ)回來”的文化學(xué)習(xí)高峰期。

到1977年,通往中國高等學(xué)府的大門在關(guān)閉了10年之后重新開啟,“文化大革命”后第一次高考在當(dāng)年冬天拉開帷幕。在全國學(xué)校全面復(fù)課的新形勢下,章雅平如魚得水,全力投入到積極學(xué)習(xí)、備戰(zhàn)高考的行列之中。1979年7月,17歲的她順利通過高考,以優(yōu)異成績考入山東大學(xué)光學(xué)系。進(jìn)入山東大學(xué)學(xué)習(xí)后,章雅平十分珍惜來之不易的學(xué)習(xí)機(jī)會,畢竟當(dāng)時(shí)的高中畢業(yè)生的大學(xué)升學(xué)率只有4%,一類好大學(xué)的升學(xué)率還不足1%。而且,每個(gè)大學(xué)生需要至少4個(gè)工人/農(nóng)民的辛勤勞動來支持,因?yàn)楫?dāng)時(shí)不僅學(xué)費(fèi)全免,還有助學(xué)金。

大學(xué)期間,章雅平不僅學(xué)習(xí)成績一直保持在全班一二名,而且是學(xué)校的田徑體育健將,每年都被評為校級三好學(xué)生。畢業(yè)時(shí),由于品學(xué)兼優(yōu),她被分配到當(dāng)時(shí)位于北京的重要軍事單位國防科工委情報(bào)研究所。

激光武器的探路人

為了進(jìn)一步提升自己的業(yè)務(wù)和知識水平,不甘平凡的章雅平在工作3年之后,于1986年9月考入軍內(nèi)最高學(xué)府國防科技大學(xué)攻讀碩士研究生,師從中國激光武器開拓者趙伊君院士。1989年碩士畢業(yè)后,章雅平回到原單位,之后負(fù)責(zé)863-410主題相關(guān)項(xiàng)目的國內(nèi)外技術(shù)情報(bào)研究,為該主題的研究項(xiàng)目確定、技術(shù)路線評估與制定作出了重要貢獻(xiàn)。

前往合作方進(jìn)行設(shè)備考察

由于長期跟蹤國外技術(shù)發(fā)展水平,章雅平極為清楚國內(nèi)外的技術(shù)差距,萌生了去國外學(xué)習(xí)前沿技術(shù)的極度渴望。盡管大學(xué)畢業(yè)和研究生畢業(yè)后從未親自從事過一線的科研工作,而且已經(jīng)不再年輕,還有幼小的女兒,她還是決定力爭遠(yuǎn)赴大洋彼岸的一切學(xué)習(xí)機(jī)會,在科研一線拼搏,為祖國的科技發(fā)展貢獻(xiàn)自己的才干。

1996年,是霍英東中英友好獎學(xué)金項(xiàng)目實(shí)施的最后一年。章雅平幸運(yùn)地獲得了全軍僅有的兩個(gè)名額之一,遠(yuǎn)渡重洋,前去英國曼徹斯特大學(xué)的工程、科學(xué)與技術(shù)管理學(xué)院訪問進(jìn)修一年,學(xué)習(xí)國外先進(jìn)的科技管理經(jīng)驗(yàn)。她于1997年年底學(xué)成歸國。一年的旅英學(xué)習(xí)生活,開闊了她的視野,更加激發(fā)了她繼續(xù)深造的渴望。1998年,她幸運(yùn)地獲得了英國諾丁漢大學(xué)的全額博士獎學(xué)金,重新開啟了她早已陌生的學(xué)生生活,主攻納米技術(shù)與半導(dǎo)體激光器。

章雅平的課題是當(dāng)時(shí)世界上最前沿的技術(shù)研究課題之一。在她之前,承擔(dān)這個(gè)課題的一個(gè)歐洲籍博士生因?yàn)闊o法完成這個(gè)高難度課題被迫中途退出。這對于從未有過科研一線研究經(jīng)驗(yàn)的她來說,可謂艱難重重。但面對這個(gè)期待多年的機(jī)會,36歲的章雅平只能背水一戰(zhàn)。攻讀博士的3年里,她放棄了所有的業(yè)余時(shí)間,夜以繼日地在實(shí)驗(yàn)室里潛心研究與實(shí)驗(yàn)。工夫不負(fù)有心人,在第一年的一門文化課考試中,她創(chuàng)造了系里博士生有史以來的最好成績92分,比第二名超出15分。這在英國的考試體系中是極為罕見的高分。按照英國考試體系,40分及格,70分優(yōu)秀,很少有人能得到80分以上成績,90分就更是鳳毛麟角了。為此,導(dǎo)師對她刮目相看,也對她有了更高的期待。

章雅平的博士課題要求她不僅能夠模擬設(shè)計(jì)先進(jìn)的半導(dǎo)體激光器,還要有制作半導(dǎo)體器件的第一手實(shí)踐能力。這對于出國前沒有半導(dǎo)體器件實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的她來說,無疑是一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。她只好花費(fèi)比常人更多的時(shí)間從最基本的半導(dǎo)體物理、器件與制作方面入手,自學(xué)必需知識,在實(shí)驗(yàn)室里鍛煉自己半導(dǎo)體器件制作的基本功。終于,她成功地給導(dǎo)師實(shí)驗(yàn)演示了光學(xué)掩膜重復(fù)套刻7層進(jìn)行器件制作,各層間套刻總的對準(zhǔn)精度在1微米之內(nèi)的高難度技能。

2001年9月底,章雅平用曼徹斯特大學(xué)最短的博士攻讀時(shí)間成功畢業(yè)。之后她被國際上著名的英國馬克尼公司的光器件分公司(Marconi Optical Components)選中,作為科學(xué)家入職公司的研究與發(fā)展事業(yè)部。章雅平知道這是入門國際一流大公司學(xué)習(xí)一流科研方法與技能的一個(gè)千載難逢的機(jī)會,因此她放棄了馬上回國的打算,決心把真正有用的技術(shù)學(xué)到手,將來貢獻(xiàn)給祖國的科技發(fā)展。

彌艱彌深,可調(diào)激光器問世

背靠大海 壯行未來

英國馬可尼公司的光器件分公司是當(dāng)時(shí)國際著名的世界一流光芯片設(shè)計(jì)、制作與封裝全流程公司。該公司擁有光輝的發(fā)展歷程,全球許多最先進(jìn)的III-V族有源發(fā)光器件均誕生于此。

2001年10月1日,滿懷激動、敬仰之情慕名而來,章雅平加入到了這支世界一流的研發(fā)團(tuán)隊(duì)之中。此時(shí)正值全球電信行業(yè)泡沫發(fā)展的尾聲,全球在該行業(yè)一擲千金的日子正在接近崩潰。在章雅平加入到公司之前,可調(diào)激光器芯片項(xiàng)目的研發(fā)已經(jīng)開展了3~5年時(shí)間,耗資超過數(shù)億英鎊,但器件性能始終不理想,波長調(diào)諧圖扭曲變形,慘不忍睹,無法實(shí)現(xiàn)真正意義上的電流控制下的波長連續(xù)調(diào)諧。

在她入職不到半年時(shí)間,當(dāng)年席卷歐美的電信泡沫終于破裂,公司急劇裁員,公司規(guī)模瞬間縮小一半。從未見過如此職業(yè)風(fēng)暴的她當(dāng)時(shí)有兩種選擇,一是領(lǐng)取一萬英鎊現(xiàn)金自愿離開公司,尋求其他發(fā)展;二是繼續(xù)留在公司里。她義無反顧地選擇了后者,因?yàn)樗呀?jīng)對高端光芯片的研發(fā)產(chǎn)生了濃厚的興趣,也對公司的能力充滿希望。2002年2月,在全球光產(chǎn)業(yè)并購浪潮中,馬可尼光器件分公司被英國從事硅基光集成的波克海母技術(shù)公司收購(Bookham Technology Plc.)。此后不久,英國波克海母技術(shù)公司又收購了北美的北電公司(Nortel)的光器件分公司。此后,公司內(nèi)部進(jìn)行了合并與重組,剔除了硅基光集成部門,重點(diǎn)發(fā)展可調(diào)激光器芯片和光模塊。

山東中芯光電科技有限公司的中堅(jiān)力量

在章雅平尚未從公司巨大變故的驚濤駭浪中回過神來的時(shí)候,公司把可調(diào)激光器生長層模擬設(shè)計(jì)和芯片結(jié)構(gòu)模擬設(shè)計(jì),以及與一線生產(chǎn)對接這一重大責(zé)任交給了僅入職半年的她。這在一般企業(yè)是很難想像的一種安排,也是當(dāng)時(shí)特定時(shí)間和條件下的一種必然選擇,因?yàn)橐恍┵Y深設(shè)計(jì)人員在公司并購的大潮中已經(jīng)選擇離開。盡管沒有商業(yè)光芯片產(chǎn)品設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),章雅平還是義無反顧地接受了這個(gè)關(guān)系到公司存亡的重大設(shè)計(jì)與產(chǎn)品研發(fā)項(xiàng)目。沒有經(jīng)驗(yàn)是她的弱勢,但也意味著不會受到“經(jīng)驗(yàn)”的約束。她利用自己光電子理論基礎(chǔ)強(qiáng)、商業(yè)設(shè)計(jì)軟件運(yùn)用熟練的優(yōu)勢,很快進(jìn)入狀態(tài)。不到半年的時(shí)間,通過借鑒北電的光芯片設(shè)計(jì)理念重新設(shè)計(jì)晶體生長層和量子井,特別是通過創(chuàng)新式地引入主動和被動生長層間的適當(dāng)夾角,章雅平就徹底地解決了長期困擾公司前期資深設(shè)計(jì)人員的、由于內(nèi)腔反射引起的波長調(diào)諧圖混亂無序的難題,首次實(shí)現(xiàn)了可調(diào)激光器真正意義上的最佳功能性運(yùn)作,促成了可調(diào)激光器的商業(yè)化生產(chǎn)。這一舉措使公司成為當(dāng)時(shí)全球僅有的能實(shí)現(xiàn)這一先進(jìn)光芯片規(guī)?;a(chǎn)與銷售的兩家公司之一,為公司的生存與持續(xù)發(fā)展做出了關(guān)鍵性的杰出貢獻(xiàn)。

深知國內(nèi)外在光芯片領(lǐng)域存在著巨大差距,章雅平自從實(shí)現(xiàn)了可調(diào)激光器的商業(yè)開發(fā)與規(guī)?;N售之后便離開了公司,期待著能有機(jī)會幫助自己國家在高端光芯片領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展,趕超國際先進(jìn)水平。沒想到,這一等竟等了近15年。期間,她在數(shù)家國際一流光器件與子系統(tǒng)集成公司研發(fā)和制作了多種先進(jìn)的光器件和集成子系統(tǒng),并為歐洲航天局設(shè)計(jì)和生產(chǎn)了星載二氧化碳傳感器光芯片。2011年9月1日,在距離首次出國15年后,章雅平選擇了回國,執(zhí)教于英國諾丁漢大學(xué)分校即寧波諾丁漢大學(xué),并兼任國際著名學(xué)術(shù)期刊主編。

當(dāng)選科學(xué)中國人2017年度人物

盡管出國期間她幾乎每年都會短期回國探親,但回國后親自體會到國內(nèi)的巨大變化,還是對她震撼很大?;貒螅私虒W(xué)任務(wù)外,她積極參與了與國內(nèi)工業(yè)部門的合作,期望能在光芯片領(lǐng)域?yàn)楦淖儑鴥?nèi)的落后局面做出貢獻(xiàn)。2014年,在一家合作公司的支持下,她被評為“浙江千人”特聘專家,并獲得西湖區(qū)325項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)500萬元,用于經(jīng)濟(jì)型可調(diào)激光器的商業(yè)開發(fā)。為此,她夜以繼日地投入到了開發(fā)設(shè)計(jì)之中,一人干起了正常情況下兩個(gè)人的全職工作量,終于在2016年獲得成功,填補(bǔ)了中國高端光芯片的商業(yè)研發(fā)空白,實(shí)現(xiàn)了中國高端光芯片的零突破。這一成就在全國范圍內(nèi)瞬間得到了廣泛的報(bào)道和宣傳,被評為2016年國內(nèi)光學(xué)領(lǐng)域十大產(chǎn)業(yè)技術(shù)。

然而令章雅平始料不及的是,種種原因之下,這一具有極大發(fā)展前景的項(xiàng)目竟然中途夭折。幸好在全國各地廣泛報(bào)道這一巨大成果之后,各路投資機(jī)構(gòu)紛至沓來,期望洽談合作發(fā)展。章雅平的追夢熱情被重新點(diǎn)燃。經(jīng)濟(jì)南市高新區(qū)政府的誠摯邀請和投資下,這一重大項(xiàng)目終于在2017年6月落戶濟(jì)南高新區(qū),重獲新生,章雅平也于同年被評為“泉城特聘專家”(“5150”人才)。

重新組建的團(tuán)隊(duì)是一支充滿理想和生機(jī)勃發(fā)的年輕隊(duì)伍,以80后為主力,集結(jié)了為光芯片事業(yè)獻(xiàn)身的一批有志之士。目前,以章雅平為核心的山東中芯光電科技有限公司正在為中國聯(lián)通、華為、中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所和眾多光傳感器公司定制適用于5G部署、城域網(wǎng)升級、國防保密通信、和眾多光傳感應(yīng)用的可調(diào)激光器芯片、光器件和光模塊,將為高端光芯片、光器件、光模塊的國產(chǎn)化做出至關(guān)重要的貢獻(xiàn),從而打破國外在這一領(lǐng)域的長期壟斷,保證國家的信息安全。

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