文章来源：摘选自天风证券《光子芯片：数据中心革命领航，后摩尔时代新秀》行业报告
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光子芯片：高传输速度+高宽带，AI 浪潮下核心前景技术
随着人工智能技术发展，各行业对智能计算能力需求旺盛，传统电子计算体系及芯片面临性能与能耗等诸多问题。近年来，伴随着 AlphaGo、ChatGPT 为代表的人工智能革命性成果的诞生，深度神经网络、人工智能大模型等技术成为全球关注和发展的焦点，各行业对提升智能计算能力的技术需求旺盛，传统电子计算体系存在的“冯·诺依曼瓶颈”、摩尔定律放缓、“功耗墙”等问题日益显著。自2012年以来，AI的算力需求以指数速率快速增长，平均每4个月增长一倍，远远超过了摩尔定律所描述的电子芯片性能提升速度，后者大约每18至24个月翻倍。传统的电子芯片不仅在性能上受到挑战，而且还伴随着惊人的能耗问题。
AI 模型训练的算力需求与摩尔定律的对比
资料来源：ALGER、信熹资本公众号，天风证券研究所
我们认为光子芯片技术或是解决“后摩尔时代”关键瓶颈的最具前景的解决方案。在当前的技术发展背景下，解决“后摩尔时代”电子芯片在算力和能耗方面瓶颈的主要技术路径可分为三大类。
1. 第一类通过先进制程进一步缩小电子逻辑器件的尺寸从而延续摩尔定律，包括极紫外（EUV）光刻机、鳍式场效应型晶体管（FinFET）、环绕式栅极晶体管（GAA）以及可实现 1 nm 工艺的二维材料晶体管等；
2. 第二类通过高级封装方案将多个芯片异质集成到一起以提高系统的整体性能，如光互连、2.5D/3D 封装、Chiplet 等；
3. 第三类是超越传统 CMOS 技术开发的具有高算力和高能效比的新型计算体系，如光计算、碳基计算和量子计算等。
前两类技术路径仍然是在传统电子芯片体系内进行改进，第三类路径代表了更为革新、更具前景的技术路径。其中碳基计算和量子计算离真正实用化还有很长的路要走，而光计算或光电混合计算则是当前最有望解决算力供给和低功耗数据处理等难题并得到实际应用的技术途径。
据中国通信学会，硅光芯片结合了集成电路技术的超大规模、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。经过20余年的快速发展，得益于大容量数据通信场景的日益增加以及新需求、新应用的出现，硅光芯片技术研究已逐渐从学术研究驱动转变为市场需求驱动。如今，我们可以在硅芯片上实现包括调制器在内的所有光子功能的单片集成，也可以采用同一套流片工艺将硅光子功能元件与微电子集成电路进行一体化集成。这种前所未有的光电融合能力，给未来芯片性能飞跃带来无限可能。
对比传统芯片，光子芯片的优势特征显著：
传统的电子芯片（Electronic Chips）依赖于电子的流动来处理信息。然而，电子传输速度较慢，且随着数据量的增加，热量积累成为一个严重问题。相比之下，光子芯片使用光子来传输数据，几乎不受电磁干扰（Electromagnetic Interfe rence）的影响，能够在更高的频率下工作，提供更高的数据带宽（Bandwidth）和更低的能耗。例如，根据《自然》杂志上的一项研究，某些光子芯片的数据传输速率可以达到每秒数百 Gbps（Gigabits per second），远超传统电子芯片。
光子芯片与传统芯片对比
资料来源：驭势资本公众号，天风证券研究所
近年来,数据中心、星链网络、超级计算、通信系统等信息领域重大应用及产业发展需求不断兴起和持续演进。对光子芯片提出了更严苛的要求和更强烈的需求。随着信息技术的不断进步，数据中心作为信息存储和处理的核心基础设施，其性能与效率直接影响到整个社会的运行效率和信息处理能力。传统的基于电子芯片的数据中心面临着能耗高、热量大、速度瓶颈等多重挑战。光子芯片（Photonic Chips）的出现，被视为一种革命性的解决方案，旨在通过光学而非电子方式进行数据传输和处理，以实现数据中心性能的大幅提升和能效的显著优化。
光子芯片，或称为光子集成电路（Photonic Integrated Circuits, PICs），是一种利用光信号进行数据传输和处理的微型设备。与传统的电子芯片相比，光子芯片使用光而非电信号，拥有更高的传输速度和更低的能耗。
光子芯片主要组成
资料来源：驭势资本公众号，天风证券研究所
光子芯片的核心组件：
1）波导（Waveguides）：波导是光子芯片中的基础结构，用于引导和限制光信号在芯片内部的传播路径。它们通常由高折射率材料制成，以保持光在特定路径内。波导的设计和制造对于光子芯片的性能至关重要。
2）调制器（Modulators）：调制器在光子芯片中扮演着控制光信号的角色。它们通过改变光的强度、相位或极化状态来编码信息。最常见的类型包括电光调制器（Electro-optic Modulators）和热光调制器（Thermo-optic Modulators）。
3）探测器（Detectors）：探测器用于将接收到的光信号转换回电信号。它们通常由半导体材料制成，能够响应特定波长的光。探测器的灵敏度和速度对于整个光子系统的性能至关重要。
4）光源（Lasers）：光子芯片通常需要一个稳定的光源来生成光信号，激光器是最常见的选择。集成激光器（Integrated Lasers）可以直接在芯片上生成所需波长的光。
5）耦合器（Couplers）：耦合器用于将光信号有效地输入和输出光子芯片。它们可以是光纤到芯片的耦合器（Fiber-to-Chip Couplers）或芯片内部的光信号分配器。
6）光学滤波器（Optical Filters）：光学滤波器在光子芯片中用于选择或抑制特定波长的光。它们对于波分复用（Wavelength Division Mul tiplexing, WDM）等高级通信应用至关重要 。
雷射光源与芯片的整合是关键环节。由于发光层异质整合技术难度较高，目前大部分产品和文献采用外置式 DFB 雷射光源进行对准耦光。例如，美国Luxtera公司（已被 Cisco 收购）采用分立式透镜聚焦方式，将雷射光通过光栅耦合器耦合进入硅光子芯片。Lux tera的硅光子芯片结合了驱动及放大集成电路，采用四通道并列式（PSM4）传输结构，利用四芯单模光纤进行输入和输出，可实现 100Gb/s 的总收发传输量。
芯片中包含两种光栅耦合器：单光极化式光栅耦合器用于耦合DFB雷射光源及光信号发射端，双极化分光式光栅耦合器用于无特定光极化方向输入的光信号接收端。由于采用相同波长输出的PSM4传输结构，只需一颗高功率的1310nmDFB雷射输入。雷射光通过硅光平台（Si Optical Bench）、球型透镜聚光、法拉第光极化旋转器及硅蚀刻形成的反射面，最终经半波片打入硅光子芯片。法拉第光极化旋转器和半波片的作用是防止反射的雷射光注入DFB雷射中，避免不必要的光共振，从而破坏DFB雷射的光特性。
在光子芯片的技术发展历程中，关键技术突破和重大科研成果层出不穷，推动了光子学（Photonics）在信息技术领域的应用从理论探索走向实际应用，并逐步实现了对传统电子芯片的性能优势转换。以下是几个标志性的技术突破和革新，它们共同塑造了当前光子芯片技术的发展态势：
1) 集成光子学（Integrated Photonics）：
集成光子学技术是指在单一的硅基底上集成多个光学组件的技术。这一技术的发展使得光子芯片能够在极小的空间内实现复杂的光学操作，大大提高了光子芯片的性
能和功能密度。集成光子学的关键技术突破包括高效率的波导（Waveguides）、光学调制器（OpticalModulators）、和光探测器（Photodetectors）的开发，这些组件是光子芯片的核心。
2) 硅光子学（Silicon Photonics）：
硅光子学技术是利用硅作为主要材料来制造光子学器件的技术。硅光子技术的发展使得光子芯片可以利用现有的半导体制造工艺，从而降低成本并提高生产效率。硅光子学的关键技术突破包括高速光电调制器（High-SpeedElectro-OpticModulators和高灵敏度光电探测器（High-SensitivityPhotodetectors），这些成果为高速通信和高效率数据传输提供了基础。
3)光子晶体（Photonic Crystals）：
光子晶体技术通过人工创造的周期性光学纳米结构，来控制和操纵光的传播。光子晶体的研究不仅为理解光与物质的相互作用提供了新的平台，而且在开发新型光子器件方面展示了它的潜力。光子晶体能够实现高度定制化的光学响应，为光子集成电路提供了新的设计自由度。
4)量子光子学（Quantum Photonics）：
量子光子学技术结合了量子信息科学与光子学，旨在开发基于量子态的光子学器件。这一领域的关键技术突破包括量子比特（Quantum Bits, Qubits）的光学生成和操控、量子纠缠（Quantum Entanglement）的实现以及量子通信（Quantum Communication）的实验验证。量子光子学的发展不仅对实现超高安全的通信网络具有重要意义，而且对于量子计算的实现提供了关键技术支持。
5)超材料光子学（Metamaterial Photonics）：
超材料光子学是一门研究人造结构材料对光学性质的影响和控制的学科。通过设计具有非自然光学性质的超材料，研究者能够实现负折射率（Negative Refraction）、 超透镜（Supe rlens）以及光学隐身（Optical Cloaking）等现象。超材料的研究为光子芯片的光学功能集成和性能提升奠定基础。
集成光子学：从电信、传感到量子计算
光电子集成芯片(PIC)是集成光电子技术的核心,利用光信号而非电信号进行操作。PIC的关键组件包括波导、调制器、探测器和光源。
1）波导是PIC的主干,负责在芯片内部限制和引导光。波导通常由硅、氮化硅或磷化铟等材料制成。波导的设计涉及控制核心和包层材料之间的折射率对比,以确保光能高效传播,损耗最小。
2）光学调制器对于将信息编码到光波中很重要。它们通过改变通过的光的强度、相位或偏振来发挥作用。调制器常常利用电光效应或热光效应来实现折射率的快速调制。
3）集成光电子技术中的探测器将光信号转换回电信号。在需要读出数据或进一步处理电子信号的应用中,探测器发挥着关键作用。光电探测器通常由具有高光吸收系数的材料制成,如集成在硅上的锗或铟镓砷等 III-V 族化合物。
4）光源(包括激光器和发光二极管)在集成光电子技术中扮演着关键角色。将高效、相干的光源集成到光子芯片上一直是一个重大挑战,这主要是由于材料不兼容性和热管理问题。目前,将 III-V 族半导体激光器键合到硅芯片上的混合集成技术已成为一种流行的方法。
硅基光电子集成技术（简称“硅光技术”），通过传统微电子 CMOS 工艺实现光电子器件和微电子器件的单片集成，是研究和开发以光子和电子为信息载体的硅基大规模集成技术。下图为硅基光电子集成芯片的概念图，该芯片由光源、调制器、光波导、探测器及电路芯片构成，由激光器产生光信号并通过调制器和探测器实现高速电信号与光信号的收发。目前，硅光技术主要采用基于 SOI（绝缘衬底上硅）衬底的制造平台，已能实现探测器与调制器的单片集成。然而硅基光电子集成芯片的性能受限于硅材料本身的光电性能，仍存在无法高密度集成光源、集成低损耗高速光电调制器等问题。因此，利用不同种材料发挥其各自光电特性优势的硅基光电异质集成技术近年来发展迅速。硅基光电异质集成技术不仅拥有硅材料可大规模 CMOS 制造的特点，同时充分发挥不同材料的优异光电特性，可实现传统硅光技术无法媲美的器件指标，进而实现真正意义上的硅基光电子单片集成系统。
光子芯片制造工艺特点包括：
1. 结构创新设计，采用绝缘体上硅（SOI）晶圆作为基底，其独特的三明治结构（顶层硅/埋氧层/衬底）既能保证波导光场约束，又可有效抑制基底损耗通过曲线掩模技术优化波导弯折结构，以渐变曲率替代传统直角转折，使光传输损耗降低 90%以上。
2. 材料体系突破，针对硅材料间接带隙缺陷，采用异质集成技术将 III-V族半导体（如 InP、GaAs）键合于硅基板，实现高效光发射引入锗材料提升近红外波段光电探测效率，结合氮化硅材料改善中红外波段的透光性能开发新型掺杂工艺精准调控硅基波导载流子浓度，优化电光调制器的消光比与响应速度。
3. 工艺兼容性提升，光刻环节采用 193nm 浸没式光刻结合电子束直写技术，实现 100nm以下特征尺寸加工开发低温等离子体增强化学气相沉积（PECVD）工艺，确保光学薄膜与CMOS 电路的热预算兼容通过深紫外激光退火技术实现局部区域快速热循环，平衡材料性能与器件可靠性。
若将上盖光层去除，各式所需的导波结构、光波长滤波或多工结构、光功率分配结构、光极化控制结构、光纤输入输出结构、光调制结构、光波相位调整、及光侦测结构等均有其需求性结构的 3D 示意图，如下图的光电器件。
针对硅基光电子器件的光-电-热多物理场耦合问题，现代制造工艺采用：微纳结构应力工程：通过硅锗应变层调节材料能带结构。三维集成技术：实现光互连层与电子电路层的垂直堆叠。热管理方案：集成微型热电制冷器（TEC），将工作温度波动控制在±0.1℃以内。
这种融合微电子与光子学的制造体系，使单芯片集成度突破万级光学元件规模，为下一代光计算、量子通信等领域提供了核心硬件基础。当前最先进的硅光工艺节点已达12英寸晶圆、45nm线宽水平，光传输损耗降至0.1dB/cm量级，调制器带宽突破 100GHz。
CPO是将PIC和EIC异构集成到一个封装基板上。这种集成结合了光学和电子元件的优势，实现了高速数据传输和处理。集成光收发器有多种封装选择，包括可插拔收发器、板载光学器件（OBO）、近封装光学器件（NPO）和共封装光学器件（CPO）。下图显示了这些封装方法的演变过程，突出显示了从可插拔收发器到CPO的过渡，以实现更高的性能和集成度。
实现真正意义上大规模光电集成芯片的产业应用，需要依托硅材料与不同种类光电材料的异质集成，以充分发挥各种材料的优异特性。相较于微电子领域集成电路的飞速发展，光电子领域的集成化道路显得阻碍重重。自从Soref20世纪80年代末期最早提出硅光技术以来，虽然无论在器件性能、集成度还是应用方面都有了众多突破性进展，但至今仍有很多主流光模块厂商依然采用光电器件分立封装的形式，主要原因是受限于硅材料本身的光电性质。例如，硅材料间接带隙的能带结构使得它无法实现高效率的片上光源，线性光电效应（Pockels 效应）限制了调制器的速度。下图列举了目前各种材料体系所对应的优势光电器件，如Ⅲ -Ⅴ族材料制作的激光器光源、单光子源、调制器，Ge（锗）材料制作的探测器，LiNbO3（铌酸锂）材料调制器，磁光材料 YIG（钇铁石榴石）光隔离器，二维材料调制器，SiN（氮化硅）材料制作的宽谱低损耗光波导等。其中，对于光通信应用，Ⅲ-Ⅴ族材料制作的光源、LiNbO3 制作的调制器和 YIG 材料制作的隔离器相比于硅基器件具有无法比拟的优势。因此，实现真正意义上大规模光电集成芯片的产业应用，需要依托硅材料与不同种类光电材料的异质集成，以充分发挥各种材料的优异特性。
可以用于硅基光电异质集成的材料体系及光电器件
目前较为成熟的材料体系为硅基材料。由于硅是间接带隙材料，发光效率低，不适合做光源。
下面展示了目前硅基光电异质集成领域的多种技术路线。
① 片间混合集成技术。其与目前产业化应用最广泛的透镜耦合最为接近，但本质上还属于微封装技术，在多个光源耦合的应用中需要耗费大量时间在精密耦合对准工艺上，同时无法进行大规模光源的集成；目前有部分光模块公司采取该方案制作硅光产品。
② 片上倒装焊技术。通过将制备好的激光器芯片进行倒装焊集成到硅光芯片上，解决了可以集成光源的问题。但硅光芯片需要刻蚀开槽精确控制激光器耦合高度，同时仍需要解决高精度耦合问题，因此产业中该方案也没有得到应用。
③ 片上键合异质集成技术。最早由美国加州大学圣芭芭拉分校 John Bowers课题组提出，通过键合Ⅲ-Ⅴ族外延材料到已加工好的硅光晶圆上然后通过后工艺制作Ⅲ -Ⅴ族有源器件。该技术可实现Ⅲ-Ⅴ族材料与硅光芯片的大规模集成，但开发难度大，产品良率难以控制。
④ 片上直接生长异质集成技术。通过在已制作好的硅光晶圆上开槽，利用选区外延的方法生长Ⅲ -Ⅴ族材料，随后通过Ⅲ-Ⅴ族工艺制造光源。该种方法类似键合异质集成的流片过程，但不需要复杂的芯片到晶圆键合（die to wafer bonding）工艺，是最接近于 CMOS 集成工艺的异质集成技术。该技术虽然适合晶圆级大规模量产工艺，但对硅基Ⅲ-Ⅴ族外延技术有着很高的材料生长要求，需要解决一系列诸如硅基异质材料外延、片上光源耦合及片上光源老化等难题；目前该技术仍处于学术研究阶段。
光子芯片具有广泛的应用前景，可以应用于通信、计算、传感等领域。
与此同时，人工智能领域正呈现出迅猛的发展态势。根据 Open - AI 发布的分析数据，自2012年起，AI 训练对于算力的需求每3.43个月便实现翻番，增长速度远超摩尔定律的演进节奏。
根据 Yole 数据分析，以硅光芯片为例，预计硅基光子集成芯片（PIC）的市场规模将从2022年的近6800万美元增长到 2028 年的6.13亿美元。2022年至2028年的复合年增长率（CAGR）为44%。下游领域中，光学计算，通信，数据中心领域发展较为迅速。
2024年11月18日，英特尔研究院副总裁、英特尔中国研究院院长宋继强在第二十一届中国国际半导体博览会（IC China 2024）上发表了题为《面向“智算时代”的产品设计与制程技术创新》的演讲，分享了对智能计算技术发展趋势的洞察，介绍了英特尔如何通过产品和技术创新，加速从云到端的智能计算落地，以推动数字经济发展和产业转型 升级 。
宋继强表示，智能计算的落地既需要强大的半导体算力支撑，也需要从云到端全面的技术创新。不同级别的计算资源在 AI 应用中有不同的用途，从客户端到边缘再到数据中心，随着任务复杂度和规模的增加，所需的计算资源也在增加。不同类型的工作负载，在更为合适的硬件上运行，才能有“事半功倍”的效果，既节约了成本，又提高了效率。
当深入处理更复杂的计算任务时，尤其是涉及超过 5000 亿个参数的大型模型时，遇到了重大挑战---系统的性能越来越受计算节点之间的通信而非计算本身的影响。这种现象就是封装逃逸带宽瓶颈。传统的电子I/O解决方案难以满足芯片之间和跨系统数据传输日益增长的需求。随着计算能力的提升，电子信号的局限性愈发明显，导致功耗增加、热管理问题，最终限制了系统性能。
传统的基于电子芯片的数据中心面临着能耗高、热量大、速度瓶颈等多重挑战。光子芯片（Photonic Chips）的出现，被视为一种革命性的解决方案，旨在通过光学而非电子方式进行数据传输和处理，以实现数据中心性能的大幅提升和能效的显著优化。
1）光互连（Optical Interconnects）：利用光波导（Waveguides）和光纤来代替传统的电缆和铜线，实现服务器之间、数据中心内部以及数据中心间的高速数据传输。光互连技术可以显著降低延迟和能耗，提高数据传输速度和带宽。
2）光开关（Optical Switches）：通过光调制器（Optical Modulators）实现数据流的快速切换和路由，以代替传统的电子开关。光开关具有高速、低能耗的特点，能够提高数据中心的处理效率和响应速度。
3）光存储（Optical Storage）：利用光学技术进行数据存储，相较于传统的电子存储解决方案，光存储具有更高的数据密度和更低的能耗。
4）高速数据传输：光子芯片支持的高速光传输技术可以大幅提升数据中心内部以及与外界的数据交换速度，为大数据处理和云计算提供强大的数据吞吐能力。
5）能源效率：相比于电子传输，光传输具有更低的能耗。在数据中心这种高能耗环境中，使用光子芯片可以显著降低运营成本，并减少对环境的影响。
6）减少热量产生：光子芯片在运作时产生的热量远低于电子芯片，有助于降低数据中心的冷却需求和成本，同时提高系统的稳定性和可靠性。
7）灵活的数据处理：光子技术的引入，特别是光开关和光存储技术，为数据中心提供了更加灵活和高效的数据处理能力，支持更复杂的数据操作和管理策略。
光子芯片在通信技术中的应用，特别是在5G和预期的6G网络中，预示着一场深刻的技术革新。这些先进的网络技术对数据传输以其超高速的数据传输能力和低延迟特性，成为满足这些要求的关键技术之一。速度和网络可靠性提出了更高的要求，光子芯片以其超高速的数据传输能力和低延迟特性，成为满足这些要求的关键技术之一。
1）5G网络中的应用：5G网络承诺提供比4G更高的数据传输速度、更低的延迟和更高的连接密度，这对后端的数据传输和处理能力提出了挑战。光子芯片在5G基站和网络基础设施中的应用，可以显著提高数据传输的速度和效率，减少能耗。例如，通过使用光子芯片，可以实现高速的光电转换，加快数据在网络中的传输速度，同时减少信号损耗和干扰，确保5G网络的高性能和高可靠性。
2）6G网络的潜在影响：虽然6G网络的商用部署还处于研究和开发阶段，但预计它将提供比5G更为先进的特性，如更高的数据速率（达到Tbps级别）、更低的延迟（微秒级）和更广泛的应用场景。光子芯片在6G网络中的应用，将进一步提升网络性能，支持超高清视频传输、增强现实（AR）/虚拟现实（VR）应用、自动驾驶车辆等数据密集型服务。此外，光子芯片还将在实现 6G 网络的分布式架构和自组织网络中发挥关键作用，支持网络的灵活配置和高效管理。
汽车雷达进军：激光雷达与光纤陀螺仪是自动驾驶的关键组成
在2021年Mobileye总裁兼首席执行官Amnon Shashua教授发表了年度“Under the Hood”演讲，展示了一款新型硅光子激光雷达SoC，该 SoC将从2025年开始为自动驾驶汽车提供片上调频连续波 (FMCW) 激光雷达。
Mobileye 的方案从技术与商业两个维度化解了规模化挑战。对于自动驾驶汽车在全球范围内的普及而言，将技术成本降低至与未来自动驾驶汽车市场相适配的可承受水平，这一点至关重要。Mobileye 的解决策略，首先是采用价格低廉的摄像头作为主要传感器，随后结合具备真正冗余特性的辅助传感系统，以此达成安全关键性能，该性能相较于人类驾驶的安全性至少提升三个数量级。借助 True Redundancy™技术，Mobileye 能够以比采用融合系统更低的成本、更快的速度验证这一等级的性能。
Mobileye的软件定义成像雷达技术具备2304个通道、100DB动态范围以及40DBc 旁瓣电平，这些特性共同作用，使得雷达能够构建出足以支撑自动驾驶策略的感知状态。凭借全数字化和最先进的信号处理技术、多样化的扫描模式、丰富的原始检测以及多帧跟踪功能，Mobileye的软件定义成像雷达标志着架构的范式转变，进而实现了性能的重大突破。
光子芯片在通信技术中的应用，特别是在5G和预期的6G网络中，预示着一场深刻的技术革新。这些先进的网络技术对数据传输速度和网络可靠性提出了更高的要求，光子芯片以其超高速的数据传输能力和低延迟特性，成为满足这些要求的关键技术之一。光子芯片技术在医疗领域的应用正迅速成为推动医疗科技进步的关键力量，尤其在医学成像和精准医疗技术方面展现出较强潜力。通过高度集成的光子学组件，如波导（Waveguides）、光调制器（Optical Modulators）和光探测器（Optical Detectors），光子芯片能够提供更高效、更精准的医疗诊断和治疗手段。
1）医学成像：在医学成像领域，光子芯片技术能够提供比传统成像技术更高的分辨率和对比度，使得医生能够更清晰地观察到疾病的早期征兆和微小变化。
2）光学相干断层扫描（Optical Coherence Tomography, OCT）：利用光子芯片产生的高质量。光源，OCT 可以在非侵入性的情况下提供组织的微观三维图像，广泛应用于眼科、皮肤科和心血管疾病的诊断。
3）荧光成像（Fluorescence Imaging）：通过特定波长的光激发，光子芯片可以增强荧光信号的收集和处理，从而提高癌症和其他疾病标记物的检测灵敏度和准确性。
4）精准医疗技术：精准医疗旨在根据患者的遗传信息、生活方式和环境因素来定制个性化的治疗方案。光子芯片在此领域的应用主要包括：
生物传感器（Biosensors）：光子芯片可用于开发高灵敏度的生物传感器，用于检测血液、唾液或其他生物样本中的疾病标志物。这些传感器能够快速识别出微量的生物标志物，为早期诊断和治疗提供关键信息。
基因测序（Genomic Sequencing）：光子学技术可以提高基因测序的速度和准确性，使得大规模的基因组分析变得更加经济和可行。这对于理解个体之间的基因差异以及这些差异如何影响疾病的易感性和药物反应性至关重要
光子芯片：优势与局限共存，如何锚定未来航向
高速低耗：光子芯片的制胜法宝
抗电磁干扰能力强：光子芯片依靠光信号进行信息传输和处理，不易受到温度、电磁场和噪声变化的影响。
集成度潜力大：随着技术发展，未来有望将更多光学元件集成在同一芯片上，实现更复杂功能，满足人工智能、物联网等领域对高性能芯片不断增长的需求。
总体而言，光具有高计算速度、低功耗、低时延等特点，且不易受到温度、电磁场和噪声 变化的影响，在AI应用领域，将光学技术与电子学结合，有望提供比传统方法更好的速度和能效。
光子芯片：潜力无限下的发展困境
然而，光子芯片公司的发展也面临着不少挑战。光子芯片的制造涉及精细和复杂的工艺流 程。与传统的半导体制程相比，光子集成电路（Photonic Integrated Circuits, PICs）需要更 高的精度和控制。波长级别的精度要求导致光子元件的设计和制造难度显著增加。此外，集成不同光子组件（如激光器、调制器）到单一芯片上，需要解决材料和光学特性上的挑战。
制造工艺复杂且成本高昂：高精度制造要求导致光子芯片的生产成本较高。为了使光子技 术更具市场竞争力，必须通过改进制造工艺、提高产量、采用更经济的材料等方式来降低成本。目前，与成熟的电子芯片制造相比，光子芯片的大规模生产尚未实现，这限制了其 在成本敏感型应用中的广泛应用。
标准化和兼容性问题突出：光子芯片行业缺乏统一的标准化框架，这影响了不同系统和组 件间的互操作性。与电子芯片不同，光子芯片由于材料和设计多样性，难以形成统一的制 造和测试标准。因此，行业内部需要共同努力，制定标准以促进技术的发展和市场的扩张。
光子芯片：在技术迭代中蜕变
新材料、新工艺聚焦于提高元件集成度、缩小光子芯片尺寸等关键问题。2022 年，南京 大学将飞秒脉冲激光聚焦于铌酸锂晶体材料内部，把光雕刻铌酸锂三维结构的尺寸，大大 提高了加工精度。2023 年，中国科学技术大学与新加坡国立大学等利用新型二维材料 NbOCl2 的非线性过程实现了超薄的量子光源，厚度可低至 46 nm。2024 年 Vanguard 全自动 3D 光刻耦合封装平台，采用 3D 光刻工艺，借鉴电气引线键合(wire bonding)思路， 可制备出任意形状高分子聚合物光波导和微光学透镜，实现芯片-芯片/芯片-光纤光耦合互联。
材料体系多元化与一体化：光子芯片功能的多样化决定了材料体系需朝着多元化方向发展。 硅材料在半导体领域虽占据重要地位，但存在性能局限。为实现性能互补，不同光电功能材料被引入。III - V 族半导体在光放大与激光产生方面优势突出，其直接带隙和高光学增益的特性使其成为理想选择。近年来，硅 / III - V 异质集成光源发展迅速，已实现 III - V 族 芯片或晶圆与 SOI 晶圆的直接键合，达成低成本片上集成，还出现了窄线宽、低相位噪 声、可调谐和多波长的光源。在近红外波段光探测领域，锗材料弥补了硅材料探测能力的 不足，且已实现标准化流片工艺。铌酸锂薄膜因具备低吸收损耗、宽透明窗口等诸多优势， 有望成为重要的材料平台，其在硅基铌酸锂薄膜体系展现出的超高速调制能力，使其有望 成为新一代硅基高速调制器件的主流技术。二维材料作为新型功能材料，在光源、调制器 和光电探测等器件方面颇具潜力，其异质集成也具有重要研究价值。不过，多材料体系异 质集成在为光电子器件及芯片发展带来新机遇的同时，也引发了工艺兼容性等难题，亟待攻克。
制造封装工艺标准化与自动化：对于多材料体系异质集成器件及芯片，制备工艺和封装技 术至关重要，建设高精度、标准化、大规模的工艺平台迫在眉睫。近年来，硅光技术受到 广泛关注，全球多国建立了制造平台，如比利时微电子研究中心（IMEC）、新加坡先进微晶圆厂（AMF）等。然而，这些平台大多通过多项目晶圆（MPW）服务提供微纳结构制 备，基本局限于CMOS兼容材料体系和制程，难以满足纳米尺度光电子结构及芯片制备 工艺复杂多样的需求。此外，纳光电子器件（尤其是光子器件）尺寸极小，对工艺误差极 为敏感，如何对芯片进行高精度的实时原位检测并及时修复，成为未来大规模集成光电子 芯片面临的关键技术挑战。
光电子器件微纳化与融合集成：发展多材料体系和相应工艺，进一步缩小光子器件尺寸并 实现与电子器件的融合集成，充分发挥光子技术和微电子技术的各自优势，已成为光子芯 片的重要发展趋势。这需要从能带理论、器件物理学等物理基础出发，降低器件尺寸，提 高工作效率，突破带宽、噪声等性能瓶颈，拓展器件工作波长及应用场景。以光通信为例， 面向多维度复用技术的高密度集成收发芯片是提升并行通道数、突破通信系统传输容量的 关键。英特尔公司2022年发布的 8 波长复用硅基集成光通信芯片，虽总容量达 1.6 Tb/s， 但激光器和调制器占据大量芯片面积，反映出当前相关器件存在尺寸过大、集成度不高的问题，无法满足未来超大容量光通信的需求，阻碍了光通信技术的发展。因此，在实现高性能的同时，大幅减小光电子器件尺寸、提升集成密度，是纳光电子与光子芯片研究面临的关键挑战。
芯片及系统规模持续拓展：在单元器件发展的基础上，实际应用中芯片及系统的集成规模 快速增大，甚至超越了集成电路摩尔定律的发展速度。目前，各国积极推进大规模光电融 合集成研究，涵盖仿真软件、芯片设计等多个方面。我国在相关领域也有所布局并取得一 定成果，如华为九天在仿真软件方面具备较好基础，IMECAS 在光电子流片工艺平台方面 有优势，中国科学院半导体研究所在光电集成芯片封测方面表现突出。但要满足未来超大 规模光子集成的发展需求，仍有很长的路要走。未来需从单元器件原理、材料及结构等源 头进行创新，在高性能和大容差等方面取得突破，并通过跨领域合作，推进芯片设计与制 造的标准化、自动化和智能化发展，以实现更大规模的集成芯片和更深入的光电融合，满 足广泛的应用需求。
产业发展：从萌芽到繁荣的蜕变
硅光技术的发展整体可分为四个阶段：第一阶段，通过硅基材料制造光通信的底层器件， 逐步取代光分立器件；第二阶段，集成技术从混合集成逐渐向单片集成发展，将各类器件 通过不同组合实现不同功能的单片集成，这也是目前硅光子技术的发展现状；未来第三阶 段， 预计将通过光电一体技术融合，实现光电全集成融合；第四阶段，器件分解为多个 硅单元排列组合，矩阵化表征类，通过编程自定义全功能，实现可编程芯片。有机结合了 成熟微电子和光电子技术，有望成为“超越摩尔”的新技术路径。
光计算多领域应用前景广阔。根据中国通信协会，光计算速度的提升有望在一定程度上解 决各个领域中对大数据处理的急切需求，在未来万物互联的智能社会中，光计算可以在人工智能、气象监测、金融投资、生物医药等诸多领域发挥重要作用。
国家推动全产业链建设，优化企业扶持政策。加强产学研结合，推动产业链的上下游联动。 把光计算芯片纳入国家发展战略之中，推动半导体材料、光芯片器件等光经典计算与光量 子计算共性产业支撑基础发展，进一步完善产业配套服务。（来源：中国通信协会）
在技术创新上，光子芯片正朝着更高效率的数据传输迈进。凭借其近乎光速的数据传输速度以及更低的能耗，光子芯片有望在数据处理领域实现重大突破。同时，集成度的提升也是重要趋势，未来将有更多功能被集成到更小的芯片上，这不仅能提高芯片性能，还能降低生产成本。量子计算的发展也与光子芯片紧密相关，通过实现更复杂的量子逻辑门和量子比特控制，光子芯片将为量子计算的实际应用提供有力支持。此外，多功能性和智能化 以及新材料的运用，将进一步拓展光子芯片的应用边界，使其在不同场景下都能发挥最佳性能。
随着信息技术和通信技术的不断进步，对于高速、高效、低能耗的数据处理需求不断增长。 光子芯片（Photonics Chips）在这方面具有显著优势，预计将在未来的数据中心、高速网络和高性能计算领域看到更广泛的应用。
光子学（Photonics）作为一门新兴领域，其研发重点将包括提高光子芯片的集成度、降 低成本、提高性能和效率。特别是在硅光子学（Silicon Photonics）领域，通过利用成熟的 半导体制造技术，有望进一步推动光子芯片的商业化进程。
预计未来将出现更多专注于光子芯片研发和生产的公司，同时传统的半导体公司也可能进 一步拓展其在光子芯片领域的业务。同时，跨国合作和学术界与工业界的联合研发项目将 为光子芯片的创新和应用提供强有力的支撑。
光子集成电路作为一种将多个光子学功能集成在一个微型芯片上的技术，未来可能会有更 多的研究和开发。这些集成电路能够提供更高的性能，同时降低系统的复杂性和成本。
光子芯片在能源效率方面的优势，使其成为支持可持续发展和绿色技术的关键组件。未来， 随着环境保护意识的增强，这一点可能成为推动光子芯片市场增长的一个重要因素。
光子芯片的发展对社会产生的影响也极为深远。在通信和信息技术领域，它将有望极大提 升数据传输的速度和效率，为6G及未来通信标准的实现提供技术支持，有望推动信息时代的进一步发展。经济结构方面，光子芯片将有望催生新的市场机会，同时也会对现有市 场格局产生冲击，一定程度上促使企业和行业进行调整升级，以适应新的技术环境。在医疗领域，光子芯片的应用有望提高医疗成像、遥感技术和精准医疗等方面的精度和效率， 有助于早期疾病检测和治疗，为人类健康带来福音。教育和研究领域，其高速的数据处理 和传输能力或将促进科学研究的进步，特别是在需要处理大量数据的领域，能够加速科研成果的产出。环境影响上，光子芯片的高能效性能或将有助于减少电力消耗和温室气体排放，对应对气候变化和推动可持续发展具有重要意义。在全球经济格局中，那些能够率先掌握和应用光子芯片技术的国家和地区，也有望在全球经济中占据更重要的地位，引领新 一轮的科技革命和产业变革。
硅光子集成电路相关市场正呈现出蓬勃发展的态势。调研机构Yole 2023年预测，出货量 呈现强劲增长态势。2018年总出货量仅为208.9万个，此后逐年递增，预计到2028年将激增至5,572.6万个，2022-2028复合年增长率（CAGR）达41% 。在各应用领域中， 数据通信可插拔（Datacom Pluggable）始终是主要的应用方向。2018 年其出货量为 54.5 万个，到 2028 年预计达到 1,976.3 万个，占当年总出货量的较大比例。电信无线（Telecom Wireless）和电信波分复用（Telecom xWDM）领域的出货量也有显著增长，2022-2028 复合年增长率分别为 110% 和 44% 。其他应用领域，如光学计算（Optical computing）、数 据通信光互连（Datacom Optical I/O）等，虽然当前出货量相对较小，但也在稳步增长。 这些趋势表明，硅光子集成电路在通信及计算等多领域的应用前景广阔，市场需求持续上升。
光子芯片领域迎来了国产替代的机会，国内市场持续扩大。2017 年，我国工信部正式批 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，汇聚了国内信息光子领域创新资源，承载着解决我 国信息光子制造业“关键和共性技术协同研发”以及“实现首次商业化”的战略任务，着 力破解信息光子“缺芯”的局面。2018年，中国信科宣布我国首款商用“100G 硅光收发 芯片”正式投产。光子芯片有望成为我国在集成电路领域“换道超车”的重要机遇。
光子芯片企业图谱：行业巨头与潜力新秀
光子芯片公司的现状呈现出多方面的特点，在市场规模上，正展现出快速增长的态势。据Yole预测，硅光子市场（以裸晶计算）规模将从2021年的1.52亿美元攀升至2027年的9.27亿美元，年复合成长率达36%。IDTechEx 报告显示，由于对人工智能数据中心需求的激增，到2035年，光子集成电路市场将达到540亿美元。
光电子芯片产业涵盖多个关键环节，每个环节都有众多企业深度参与。
产业链公司
从技术发展层面来看，国外进展显著。美国英特尔公司早在2006年就研发出世界上首个采用标准硅工艺制造的电力混合硅激光器。国内也实现了诸多突破，中国科学院上海微系统与信息技术研究所研究员欧欣领衔的团队也在钽酸锂异质集成晶圆领域取得突破性进展。
36 家改变世界的初创公司，其中部分公司来自光电子板块
多家公司与团队相继取得重大突破。2020年6月，LightOn 发表用光学神经网络训练芯片运行AI模型的新论文；7月，曦智科技拿到由和利资本投资的数千万美元 A+轮融 资；8月，Lightmatter 在芯片顶会HotChips上展示了其光子芯片的架构细节；12月， 光子算数宣布其打造的光电混合AI加速计算卡已交予服务器厂商客户做测试。
嗅到AI加速带来的机会后，来自英、法、美、中的一些创业团队开始扬帆起航，切入云端AI计算市场，其中不乏有初创公司得到来自科技巨头及知名投资者的投资。
2013年成立的英国创企Optalysys，曾于2015年创建一个光计算原型，实现了约320Gflops的处理速度，且能效非常低。2020 年上半年，Optalysys 推出了入门级光学协处理器 FT: X2000，计划出售给包括计算机制造、国防及航空航天领域的部分合作伙伴及早期客户。
海外光子芯片领域发展迅猛，多家企业各展所长。英特尔凭借在半导体领域的深厚积淀， 在硅光子技术研发上成果丰硕，不断推进技术创新与应用拓展，在下一代通信和计算架构 方面展现出强大的战略布局与发展潜力。Ayar Labs 作为光学互连领域的创新先锋，通过 推出业界领先的封装内光 I/O 解决方案，实现了高带宽、高能效和低延迟，与众多行业巨 头合作，推动着光学互连技术在 AI 等领域的广泛应用。Lightmatter 以独特的光子计算技 术重塑 AI 算力格局，其光子芯片在计算速度和能耗上优势显著，产品涵盖计算平台、芯 片互连及适配软件，吸引大量资本注入，与日月光合作加速商业化进程。Luminous Computing 作为光子 AI 芯片领域的潜力黑马，基于创新的 Broadcast and Weight 方案 构建光子集成电路，有效突破传统 AI 芯片数据传输瓶颈，致力于消除人工智能超级计算 机的性能瓶颈 。
国内光子芯片领域，迈信林、源杰科技、长光华芯、仕佳光子、杰普特、炬光科技和曦智科技各有建树。迈信林专注航空航天零部件制造，通过与光子算数合作涉足光子芯片业务， 在大模型兴起带来算力需求增长及国产替代趋势下有机遇，但面临光芯片通用性弱和竞争激烈等挑战。源杰科技聚焦光芯片研发、设计、生产与销售，产品应用于光纤接入、移动通信网络和数据中心等领域，在 AI 相关光模块产品上有布局。长光华芯主营半导体激光 芯片等核心元器件，建成 IDM 全流程工艺平台和量产线，光通信芯片产品性能先进。仕 佳光子以光芯片及器件等研发生产销售为主营，全产业链布局，积极把握 AI 变革下的光 通信市场需求，定位大客户战略拓展市场。杰普特从事激光器及智能装备研发生产销售， 打造多个技术平台，产品获众多知名厂商认可。炬光科技在高功率半导体激光元器件等领 域有研发生产销售业务，其硅光学元器件加工技术独特，还推出高功率、低热阻、低 Smile 传导冷却半导体激光器新品。曦智科技是全球领先的光电混合算力提供商，以 MZI 技术 为基础，从光子矩阵计算、片上光网络和片间光网络三大核心技术打造产品线，与多领域客户合作，还与新华三集团合作实现技术应用突破。
