应用电子技术的应用与发展 光电子技术的“破茧”之路

光电子技术的“破茧”之路

■本报记者 胡珉琦

近日，中国科学院半导体研究所（以下简称半导体所）“半导体光电子器件及集成技术”入选了中科院“率先行动”计划第一阶段重大成果及标志性进展。

作为国家信息产业的基础技术之一，光电子技术在宽带互联网、高性能计算、智能机器人、先进制造和智慧城市等多个领域起到关键性支撑作用。它也因此成为了衡量一个国家综合实力和国际竞争力的重要标志。

认准了半导体光电子器件及集成技术是构建未来信息社会的核心和基础，半导体所在“十二五”和“十三五”期间，分别将其作为重点培育方向和重大突破方向，坚持面向国家重大需求，突破半导体光电子器件及集成技术的瓶颈，研制出自主可控核心光电子器件，以实现其在光通信、光互连、光传感等领域的典型应用。

在限制中突破

新一代信息技术、机器人、航空航天装备、新能源汽车、新材料、生物医药及高性能医疗器械等，这些中国制造重点领域都离不开一项支撑技术——激光技术。

而半导体激光器是全固态激光、光纤激光、气体激光等的泵浦源，是核心器件，不可或缺、不可替代。但我国在激光芯片方面的发展现状却是低端芯片依赖进口，高端芯片受制于人。

1996年11月开始实施的《瓦森纳协定》明确了对中国禁运的半导体激光芯片的清单，且随着技术的演进，每年清单中的器件类型、器件指标都在不停更新，旨在将中国的半导体激光器应用技术限制在低端水平。

2003年博士后研究工作结束后返回半导体所的郑婉华，只想到了一条出路——突破高性能激光芯片技术，而且必须探索一条自主发展的道路，实现换道超车。

当年她向科技部提出建议，中国应该创新发展光子晶体半导体激光器新原理与新技术，解决半导体激光面临的功率密度低、光束质量差的世界性难题。这一提议不仅获得了“863”项目的支持，后期也得到了国家自然科学基金等新项目的帮助。郑婉华团队在2006年率先在中国实现光子晶体激光的突破，中国也成为了当时实现光子晶体激光激射的少数几个国家之一。

许多半导体人都有着和郑婉华一样的境遇和经历。“限制”反而成了光电子技术突破的磨刀石。

同样艰难迎战的还有光通信芯片团队。国家宽带网络建设的核心芯片，以前主要掌握在美国、日本、韩国、丹麦及英国等国的几家企业手中，中国以进口芯片封装为主。面对国家光网络建设需求，半导体所经过10多年的技术攻关，不仅解决了光分路器及AWG芯片设计及关键工艺问题，还实现了光分路器及AWG的成果转化。如今，光分路器芯片全球市场占有率达50%以上，AWG芯片实现海外市场突破，有力保障了我国宽带网络建设芯片的自主可控，促进了我国硅基光子学器件的产业链完整性建设。

度过漫长的沉默期

光电子技术，特别是芯片技术，一头是研发，一头是制造。要从这一头走到那一头，并且稳稳地落地，常常是孤独又漫长的。

2010年，半导体所光通信芯片团队开启了成果转化之路。10年中，他们需要解决损耗均匀性、芯片良率、工艺稳定性、一致性及可靠性等一系列问题。“这些问题在半导体所基础研究中并非重点关注的问题，而在产业化中却是必须解决的。”半导体所研究员安俊明告诉《中国科学报》，为此，一款芯片需要30多次的设计优化制版、上百次的实验流片验证，才能使芯片性能达到国际同类芯片水平，与国外芯片同台竞争。

他说，团队还非常注重每个细节的芯片开发方式。“比如AWG芯片，结构中分五大部分，还有上千条波导的结合，而涉及的性能参数，每个通道就有十多个，看似千头万绪。一个参数的好坏受多方面的影响，如何准确判断问题所在？团队人员会把芯片的每一部分分别进行研究，不放过任何可能的影响因素，才使问题一步步得到解决。”

为了加快研究进度，团队想尽了各种办法。安俊明说：“我们经常会有一些方案，大家会预测结果，比如我们曾经预测第一次流片的光分路器损耗，有的说会达到10dB以下，有的说刚流片，不会那么乐观，这种打赌的方式也提升了转化速度。”

郑婉华也坦言，实验室的技术成果向市场转化的过程困难重重。

在她看来，半导体激光芯片是一个高资金投入、高密集人才、高度设备依赖的技术，如果上述问题得以克服，仍然面临实验室样品向批量化转移中的诸多工程技术难题。“因为我们先于国外开展这种高端激光芯片的批量制造，因此解决这些难题没有捷径可走，必须投入时间、人力、物力，且需要全体人员不浮躁、沉下心，一个难题一个难题攻克。”

“半导体光电子技术领域的研究工作，目前都是硬骨头工作，存在发表文章难、出成果难的问题。在人才培养方面，由于很难获得各种人才称号，我们只能以身作则，以国家需求为己任，留住人才。”郑婉华说。

壮大转化队伍

半导体所除了以基础前沿为引领来立身，同样重要的是在全面服务国家重大需求和国民经济发展中发挥不可替代的基础支撑作用。急国家和市场之所需一直是该研究所坚持的科研文化。

郑婉华表示，得益于国家、中科院“率先行动”计划和研究所在技术转移方面的优厚政策，最大化地提升了年轻人的收入水平，从而逐渐吸引了一些有理想、有抱负的博士生留下来，投入到这项事业中。

对科研人员而言，要投身转移转化，最难转变的是思维。如果思维转变不过来，再好的政策也无法推动。这就要求部分研究人员带头去从事成果转化工作，从而形成示范效应，让更多人加入这一行列。

目前，以半导体所为技术方的河南仕佳已成为国际上规模最大的光无源芯片生产企业。今年8月，河南仕佳正式在科创板上市，这也为半导体所人走在成果转化的道路上加足了信心。

值得一提的是，在这一过程中，半导体所已经形成了一支从理论分析、设计优化、工艺开发到产业化应用，完整的、训练有素的、敢于啃硬骨头的团队。也因此，半导体所承担了中科院科技成果转移转化重点专项（弘光专项）“硅基二氧化硅阵列波导光栅芯片产业化”，实现了我国数据中心及骨干网核心波分复用芯片的国产化，更加提升了科技成果转化能力。

提到团队培养的经验，安俊明表示，“我们的特色是把研究生的培养放在产业转化一线，使他们掌握的知识更接地气，他们的许多经验、教训来源于生产实践，这在研究所是无法得到的。”如此培养的年轻人，在今后从事科研的过程中，也会更注重我国光电子产业链中的难点问题、设计及开发的实用性和产业转化的可行性，更注重解决国家急需的产业化难题。

来源： 《中国科学报》

电子战：接轨时代制胜未来

来源：人民网-军事频道 原创稿

据《亚洲时报》报道，在第二次纳卡战争中，久姆里基地的“克拉苏哈”系统至少击落了9架土耳其的“贝拉克塔”无人机。若该电子战系统在战争初期投入战场，或许会扭转局势，这透露出电子战装备的强悍威力。

随着科技的飞速发展，信息技术进一步渗透战场，各国更加重视信息化战争的对抗。在现代化战争的背景下，建立以信息收集为基础，以信息压制为核心的电子对抗作战体制，成为各个军事大国面向实战、面向未来的战略追求。

谋求电子作战平台“双化”转型升级

21世纪，电子信息技术设备已广泛渗透到电子战装备和电子对抗的各个环节，无论是侦察，监视还是预警，无论是情报处理还是作战决策，都离不开电子信息技术设备。未来战争中电磁频谱控制权的斗争将会更加激烈，战场上的电磁环境也会更加复杂，以往那种相互独立，功能单一的电子战装备已远远不能适应作战需要，一体化和通用化成为当前电子战装备发展的重点。

一体化是指将功能相近，相互关联的数个设备组合成一个系统，从而简化系统，实现信息交互，提高电子战装备的信息综合能力和快速反应能力，以有效应对多种威胁，并持续跟进战场态势，把握战机。进一步将地基、空基、天基电子战系统整合构建为规模庞大、效能强劲、体系完备的综合性电子战系统，保证指挥系统的核心化，压缩通信、指挥、控制的运转周期，全方位感知战场。通用化则是指电子对抗系统的设备采用标准化的模块结构，通过组建多种作战平台通用的弹性系统骨架，使不同的系统、设备之间尽可能拥有相同的电子模块，相互之间可以通用，根据战斗需要快速组装成功能各异的电子战装备。这样就避免了设备的重复研制，降低了成本造价，同时减少了设备，器件的种类，简化了系统的后勤保障和技术维护，并最终有效地提高电子对抗系统的反应速度和作战效能。

美国陆军作战能力发展司令部陆军研究实验室启动了数个对未来士兵能力至关重要的研究项目，其中“多域作战中的电子战基础研究”项目将电子战能力视为大规模作战和多域作战取得成功的必要条件，而该项目旨在进行基础研究和应用研究，以推动陆军使用电子战的方式发生革命性变化，从单一作战平台转变为攻防兼备的一体化多功能电子对抗系统，实现美陆军在争夺电磁频谱控制权中的战术优势。

依托人工智能发展认知电子战技术

随着现代战场电磁环境越来越复杂，电子战领域对自适应、自动化、智能化要求越来越高。传统的电子战技术在信息化战争中难以确保信息的即时性，在把握战机、预判敌情方面显得力有不逮。作为最具发展潜力的新兴电子战领域之一，认知电子战提供了解决问题的新思路。

认知电子战是一种在软件无线电技术基础上实现的智能化、网络化、多功能电子战理念，除了可以对抗传统电子信息系统以外，还可以对抗新兴的认知电子信息系统。从技术层面上看，其核心主要在于无线电技术、机器学习技术、行为建模技术等。近年来，人工智能蓬勃发展，认知电子战技术具备了得天独厚的研发条件。

通过吸纳转化认知科学的成果，认知电子战技术在传统的系统中增加了目标认知、智能决策、自主学习等功能，实现电子战智能化。其作战过程首先从原始传感器的大量数据中提取有关目标电磁信号的信息，随即实时地制定出电子战攻击的最优方案，完成打击后对本次攻击效能进行评估，再根据评估结果调整下一次的攻击策略。理论上讲，在强大的硬件支持下，认知电子战系统可通过重复的学习过程掌握对各种目标的最优战法。

认知电子战技术应用前景广阔，既有助于传统电子战系统的转型升级和适应性发展，还对探索信息化战争中的新式电子对抗策略有指导性作用。依托人工智能技术，认知电子战有望解决复杂电磁环境中精准把握战场态势的难题，同时，能够有效克制敌方投入的智能化武器系统。可以预见，随着现代化武器智能程度的不断提高，具备实时动态学习能力的认知电子战技术将成为电子对抗发展的必然趋势和最优选择。

推动电子对抗与赛博空间深度融合

赛博空间的概念最初提出时，该作战主要指计算机网络上的博弈。但随着无线电和光学技术的不断发展，网络空间与电磁空间趋于融合，电磁频谱成为赛博空间的重要组成。因此，赛博空间逐渐从完全虚拟形态转变为半虚拟、半物理形态。

在现代战争中，赛博空间是信息化战争的一个新领域，已被美军列为与陆、海、空、天同等重要并需保持绝对性优势的五大领域之一。作为独立于陆、海、空、天战场的第五维空间领域，赛博空间具有不稳定性、无界性、隐蔽性、动能性、物理真实性和信息流的高速性。电磁频谱与无线网络的交融，使电磁空间与网络空间的界限变得模糊。战场网络攻防必须借助电磁领域中的接收、处理和发射技术来实现交互，而电子对抗的延伸又必定落在网络攻防上。因此，电子对抗已成为支撑赛博空间作战的有力手段。

一般来讲，战场赛博空间是一个近乎封闭的网络体系，它不与因特网相连，无法对其实施直接的网络或电磁攻击。但战场作战网络的构造需要无线接入端口和链路，以及开放式传感器。通过电子战技术，攻击方能够以电磁波的形式从无线接入端口等节点，突破相对封闭的战场赛博空间，实现信息夺取、电子干扰、网络致痪。在俄乌冲突时，俄罗斯以赛博空间为主战场，凭借电子对抗手段，在电磁上切断乌方通信，瘫痪指挥系统；在网络上攻击敌方网站，制造恐慌，再配合部队的正面进攻，达到快速制胜的目的。

为实现电子对抗与赛博空间的深度融合，可将技术先进、效能强悍的电子战武器投入到赛博作战中，如电子干扰机、超宽带雷达等。同时，最前沿的反辐射打击、多维全域电子侦察、低旁瓣天线等电子对抗技术也能够支撑赛博空间的全面发展。通过电磁频谱侵入敌方战场赛博空间的作战方式，电子对抗装备与技术始终是其关键手段。(杨扬、马建光、张兆鑫)

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