“20倍、50倍、100倍、1000倍、3000倍、10000倍...”，光芯片在计算方面超越硅芯片的速度与日俱增。

近几十年以来，微电子技术与电子芯片产业遵循着摩尔定律不断发展，随着传统制程工艺逼近极限，电子芯片在进一步提升计算速度和降低功耗方面的技术突破，面临难以解决的瓶颈。

在后摩尔时代，光芯片这一颠覆性技术被视为破局的关键。

尤其是当前对算力的需求来看，随着AI的爆发，在未来10年中，增长越来越缓慢的电子芯片，难以匹配增长越来越快的数据需求。

由此，光芯片进入了人们的视野。


超高速微波光子学芯片研发成功

据中国科学报，日前，香港城市大学副教授王骋团队与香港中文大学研究人员合作，利用铌酸锂为平台，开发出处理速度更快、能耗更低的微波光子芯片，可运用光学进行超快模拟电子信号处理及运算。相关研究成果在2月29日发表于《自然》。

据介绍，该芯片不仅在速度上比传统电子处理器快出1000倍，而且能耗更低。其广泛的应用领域涵盖了5G/6G无线通信系统、人工智能、计算机视觉以及图像/视频处理等多个方面。

王骋教授表示，低能耗对于人工智能领域有着重大意义。越来越多的人工智能产品问世，产品更新迭代速度加快，人工智能模型所具备的规模越来越大、复杂度越来越高。随之而来的是能量消耗问题日益凸显。

为了解决这些难题，王骋团队将超快电光转换模块与低损耗、多功能信号处理模块同时放置在一块芯片上，组成集成微波光子系统；而能实现卓越效能的原因是负责集成的薄膜铌酸锂平台。

该集成铌酸锂微波光子芯片不仅速度比传统电子处理器快1000倍，具有67吉赫兹的超宽处理带宽和极高的计算精确度，而且它的能耗更低。以处理一个250×250像素的图片为例，集成铌酸锂微波光子芯片仅需要3纳焦的能耗就能完成对图片边缘信息的提取，而传统的电子芯片若要执行相同的任务，则需要几百甚至上千纳焦的能耗。


为什么是光芯片

在一个信息爆炸的时代，数据如同洪流般汹涌而来。为了应对这一挑战，科技界不断在集成电路领域寻求突破。然而，传统的电子集成电路在带宽与能耗等方面已逐渐接近极限，“摩尔定律”仿佛一条道路越走越窄，急需寻找新的出路。

想象一下，当电子集成电路的金属导线变得越来越细，间距不断缩小，它们之间的电阻和欧姆损耗不断增加，就像是一个疲惫的马拉松跑者，背负着越来越重的负担。同时，金属导线间的电容增大，串扰加剧，严重影响了芯片的高频性能。

这就像是在一个喧嚣的城市中，车辆之间的干扰导致交通拥堵，信息传递受到阻碍。

正当电子集成电路面临困境时，光子芯片如同一束耀眼的光芒照亮了前行的道路。它采用频率更高的光波作为信息载体，展现出更低的传输损耗、更宽的传输带宽、更小的时间延迟以及更强的抗电磁干扰能力。这就像是将信息的高速公路从地面抬升到空中，让数据在光速的轨道上自由驰骋。

不仅如此，光互连技术还通过波分复用、模分互用等方式提高了传输媒质内的通信容量。这就好比在一条高速公路上开辟了多个车道，让数据的流量得到成倍的提升。

因此，建立在集成光路基础上的片上光互连被视为克服电子传输瓶颈的极具潜力的技术。

光子芯片依托于集成光学或硅基光电子学中的介质光波导来传输导模光信号，将光信号和电信号的调制、传输、解调等集成在同一块衬底或芯片上。这种高度集成化的设计让光子芯片在数据传输和处理方面展现出无与伦比的优势。

光芯片主要用于光电信号转换，遵循“Chip-OSA-Transceiver”的封装顺序。在光通信系统中，核心光芯片如DFB、EML、VCSEL等类型的应用场景各不相同，但它们共同支撑着光通信的快速发展。

近年来，全球各大研究机构纷纷在光子芯片领域取得突破性进展。从2015年美国加州大学伯克利分校报道的第一个在硅基片上集成的光电子系统，到2018年美国麻省理工学院将850个光子器件和7000万个晶体管等电子器件集成在同一个光电子系统中，再到2021年加拿大和美国团队报道的可编程多光子量子芯片，每一次突破都在推动着光子芯片技术的飞速发展。

然而，现阶段的光子集成电路仍面临着元器件尺寸较大、效率较低、功能单一等挑战。这主要是因为传统光波导在结构和材料等方面存在局限性。为了克服这些难题，研究者们不断探索新的结构和材料，以期在光子芯片领域实现更大的突破。

从以色列研究团队通过添加刻槽结构实现集成化的模式转换器，到美国哥伦比亚大学学者利用超构波导实现氮化硅波导的非对称传播，再到中国清华大学和美国麻省理工学院研究团队利用超构波导平台实现多功能的集成化波导耦合器等设计，每一次创新都在为光子芯片的发展注入新的活力。

随着5G、物联网、云计算等技术的不断普及和发展，对数据传输速度和处理能力的需求将呈指数级增长。而光子芯片以其独特的优势，正成为满足这一需求的关键技术之一。

展望未来，光子芯片将在光通信、光计算、光传感等领域发挥越来越重要的作用。它将以光速传递信息，打破电子传输的瓶颈限制，真正超越“摩尔定律”。


10G以下实现国产替代

25G及以上仍被海外垄断

我国光芯片企业已基本掌握 10G 及以下速率光芯片的核心技术。2.5G光芯片主要应用于光纤接入市场，产品技术成熟，国产化程度高，国外光芯片厂商由于成本竞争等因素已基本退出相关市场。10G 光芯片在光纤接入市场、移动通信网络市场和数据中心市场均有应用。其中，10G1270nm DFB 激光器芯片主要用于 10G-PON 数据上传光模块，10G 1310 光芯片主要应用于4G移动通信网络，国内互联网公司目前主要使用40G/100G 光模块并开始向更高速率模块过渡，其中 40G 光模块使用4颗10G DFB 激光器芯片的方案。

2.5G 及以下光芯片市场中，国内光芯片企业占据主要市场份额。2.5G 及以下光芯片市场中，国内光芯片企业已经占据主要市场份额，其中武汉敏芯和中科光芯在全球2.5G及其以下的FP/DFB激光器芯片市场份额均为17%，并列榜首。同时，我国光芯片企业已基本掌握 10G 光芯片的核心技术，但部分型号产品仍存在较高技术门槛，依赖进口。根据 ICC 统计，2021 年全球 10G DFB 激光器芯片市场中，源杰科技发货量占比为 20%，位居第一，已超过住友电工、三菱电机等海外企业。

高速率光芯片市场的增长速度将远高于中低速率光芯片。在对高速传输需求不断提升背景下，25G 及以上高速率光芯片市场增长迅速。根据Omdia对数据中心和电信场景激光器芯片的预测，2019 年至 2025 年，25G以上速率光模块所使用的光芯片规模逐渐扩大，整体市场空间将从13.6亿美元增长至 43.4亿美元，CAGR将达到21.4%。

25G 以上高速光芯片国产化率仍较低。根据 ICC预测，2021年2.5G速率国产光芯片占全球比重超过 90%；10G 光芯片方面，2021 年国产光芯片占全球比重约 60%，但不同光芯片的国产化情况存在一定差异， 部分10G光芯片产品性能要求较高、难度较大，如10G VCSEL/EML激光器芯片等，国产化率不到40%；25G及以上光芯片方面，随着5G建设推进，我国光芯片厂商在应用于5G基站前传光模块的25G DFB激光器芯片有所突破，数据中心市场光模块企业开始逐步使用国产厂商的25G DFB激光器芯片，2021年25G光芯片的国产化率约20%，但25G以上光芯片的国产化率仍较低约5%，目前仍以海外光芯片厂商为主。


未来技术方向

（1）硅光技术

传统光模块：可调制、接收光信号，包含光发射组件、光接受组件、光芯片等器件，在磷化铟基底上利用封装技术进行集成。

硅光光模块：采用硅光子技术的光模块。硅光技术是在硅和硅基衬底材料（如Si,SiGe,SOI等）上，利用CMOS工艺进行光器件开发和集成的新一代技术，其核心理念用激光束代替电子信号进行数据传输。逐渐从光子集成向光电集成发展，目前通信领域主要是光子集成的硅光模块。

硅光模块最大特点高度集成。硅光芯片通过硅晶圆技术，在硅基上制备调制器、接收器等器件，从而实现调制器、接收器、无源光学器件的高度集成。

与传统光模块相比，硅光模块存在成本低、工艺精度高、产业链成熟三大优势。成本低：硅光芯片的衬底价格更低，其中Si衬底价格最低，为0.2$/2，而InP衬底价格为4.55$/2，是Si衬底价格的20多倍。在功能晶圆价格方面，硅光芯片价格下降更为明显。另外，传统InP光模块由于良率低、固定开支成本等原因导致其成本进一步上升。工艺精度高、良率高：硅光芯片工艺精度可达65-250nm，传统光模块工艺精度最多达到300nm。硅光芯片良率大于80%，而传统光芯片良率不足40%。产业链成熟：硅光模块可使用目前较为成熟的CMOS集成电路产业，量大成本低。


（2）薄膜铌酸锂

铌酸锂材料主要用于制作电光调制器，电光调制器可以将电信号转化为光信号，并在光信号传输中实现信号的调制，其他传统的电光调制器还包括硅基电光调制器和磷化铟（InP）电光调制器，其中铌酸锂性能优势最为显著，并在光通信等领域已被广泛的应用和验证。然而，铌酸锂电光调制器存在尺寸大、难以集成和驱动电压高等缺点，薄膜铌酸锂便可以很好的解决这些缺点，通过将铌酸锂体材料薄膜化并键合到硅衬底上制备出绝缘体上薄膜铌酸锂（LNOI）材料，即通过“离子切片”的方式，从块状的铌酸锂晶体上剥离出铌酸锂薄膜，并键合到带有二氧化硅缓冲层的硅晶片上。相比之下，薄膜铌酸锂调制器的尺寸更小，带宽更高，而薄膜铌酸锂材料也有望使用于大规模的光子集成。