“20倍、50倍、100倍、1000倍、3000倍、10000倍...”，光芯片在計(jì)算方面超越硅芯片的速度與日俱增。

近幾十年以來，微電子技術(shù)與電子芯片產(chǎn)業(yè)遵循著摩爾定律不斷發(fā)展，隨著傳統(tǒng)制程工藝逼近極限，電子芯片在進(jìn)一步提升計(jì)算速度和降低功耗方面的技術(shù)突破，面臨難以解決的瓶頸。

在后摩爾時(shí)代，光芯片這一顛覆性技術(shù)被視為破局的關(guān)鍵。

尤其是當(dāng)前對(duì)算力的需求來看，隨著AI的爆發(fā)，在未來10年中，增長(zhǎng)越來越緩慢的電子芯片，難以匹配增長(zhǎng)越來越快的數(shù)據(jù)需求。

由此，光芯片進(jìn)入了人們的視野。


超高速微波光子學(xué)芯片研發(fā)成功

據(jù)中國科學(xué)報(bào)，日前，香港城市大學(xué)副教授王騁團(tuán)隊(duì)與香港中文大學(xué)研究人員合作，利用鈮酸鋰為平臺(tái)，開發(fā)出處理速度更快、能耗更低的微波光子芯片，可運(yùn)用光學(xué)進(jìn)行超快模擬電子信號(hào)處理及運(yùn)算。相關(guān)研究成果在2月29日發(fā)表于《自然》。

據(jù)介紹，該芯片不僅在速度上比傳統(tǒng)電子處理器快出1000倍，而且能耗更低。其廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋了5G/6G無線通信系統(tǒng)、人工智能、計(jì)算機(jī)視覺以及圖像/視頻處理等多個(gè)方面。

王騁教授表示，低能耗對(duì)于人工智能領(lǐng)域有著重大意義。越來越多的人工智能產(chǎn)品問世，產(chǎn)品更新迭代速度加快，人工智能模型所具備的規(guī)模越來越大、復(fù)雜度越來越高。隨之而來的是能量消耗問題日益凸顯。

為了解決這些難題，王騁團(tuán)隊(duì)將超快電光轉(zhuǎn)換模塊與低損耗、多功能信號(hào)處理模塊同時(shí)放置在一塊芯片上，組成集成微波光子系統(tǒng)；而能實(shí)現(xiàn)卓越效能的原因是負(fù)責(zé)集成的薄膜鈮酸鋰平臺(tái)。

該集成鈮酸鋰微波光子芯片不僅速度比傳統(tǒng)電子處理器快1000倍，具有67吉赫茲的超寬處理帶寬和極高的計(jì)算精確度，而且它的能耗更低。以處理一個(gè)250×250像素的圖片為例，集成鈮酸鋰微波光子芯片僅需要3納焦的能耗就能完成對(duì)圖片邊緣信息的提取，而傳統(tǒng)的電子芯片若要執(zhí)行相同的任務(wù)，則需要幾百甚至上千納焦的能耗。


為什么是光芯片

在一個(gè)信息爆炸的時(shí)代，數(shù)據(jù)如同洪流般洶涌而來。為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，科技界不斷在集成電路領(lǐng)域?qū)で笸黄啤Ｈ欢瑐鹘y(tǒng)的電子集成電路在帶寬與能耗等方面已逐漸接近極限，“摩爾定律”仿佛一條道路越走越窄，急需尋找新的出路。

想象一下，當(dāng)電子集成電路的金屬導(dǎo)線變得越來越細(xì)，間距不斷縮小，它們之間的電阻和歐姆損耗不斷增加，就像是一個(gè)疲憊的馬拉松跑者，背負(fù)著越來越重的負(fù)擔(dān)。同時(shí)，金屬導(dǎo)線間的電容增大，串?dāng)_加劇，嚴(yán)重影響了芯片的高頻性能。

這就像是在一個(gè)喧囂的城市中，車輛之間的干擾導(dǎo)致交通擁堵，信息傳遞受到阻礙。

正當(dāng)電子集成電路面臨困境時(shí)，光子芯片如同一束耀眼的光芒照亮了前行的道路。它采用頻率更高的光波作為信息載體，展現(xiàn)出更低的傳輸損耗、更寬的傳輸帶寬、更小的時(shí)間延遲以及更強(qiáng)的抗電磁干擾能力。這就像是將信息的高速公路從地面抬升到空中，讓數(shù)據(jù)在光速的軌道上自由馳騁。

不僅如此，光互連技術(shù)還通過波分復(fù)用、模分互用等方式提高了傳輸媒質(zhì)內(nèi)的通信容量。這就好比在一條高速公路上開辟了多個(gè)車道，讓數(shù)據(jù)的流量得到成倍的提升。

因此，建立在集成光路基礎(chǔ)上的片上光互連被視為克服電子傳輸瓶頸的極具潛力的技術(shù)。

光子芯片依托于集成光學(xué)或硅基光電子學(xué)中的介質(zhì)光波導(dǎo)來傳輸導(dǎo)模光信號(hào)，將光信號(hào)和電信號(hào)的調(diào)制、傳輸、解調(diào)等集成在同一塊襯底或芯片上。這種高度集成化的設(shè)計(jì)讓光子芯片在數(shù)據(jù)傳輸和處理方面展現(xiàn)出無與倫比的優(yōu)勢(shì)。

光芯片主要用于光電信號(hào)轉(zhuǎn)換，遵循“Chip-OSA-Transceiver”的封裝順序。在光通信系統(tǒng)中，核心光芯片如DFB、EML、VCSEL等類型的應(yīng)用場(chǎng)景各不相同，但它們共同支撐著光通信的快速發(fā)展。

近年來，全球各大研究機(jī)構(gòu)紛紛在光子芯片領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展。從2015年美國加州大學(xué)伯克利分校報(bào)道的第一個(gè)在硅基片上集成的光電子系統(tǒng)，到2018年美國麻省理工學(xué)院將850個(gè)光子器件和7000萬個(gè)晶體管等電子器件集成在同一個(gè)光電子系統(tǒng)中，再到2021年加拿大和美國團(tuán)隊(duì)報(bào)道的可編程多光子量子芯片，每一次突破都在推動(dòng)著光子芯片技術(shù)的飛速發(fā)展。

然而，現(xiàn)階段的光子集成電路仍面臨著元器件尺寸較大、效率較低、功能單一等挑戰(zhàn)。這主要是因?yàn)閭鹘y(tǒng)光波導(dǎo)在結(jié)構(gòu)和材料等方面存在局限性。為了克服這些難題，研究者們不斷探索新的結(jié)構(gòu)和材料，以期在光子芯片領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)更大的突破。

從以色列研究團(tuán)隊(duì)通過添加刻槽結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)集成化的模式轉(zhuǎn)換器，到美國哥倫比亞大學(xué)學(xué)者利用超構(gòu)波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)氮化硅波導(dǎo)的非對(duì)稱傳播，再到中國清華大學(xué)和美國麻省理工學(xué)院研究團(tuán)隊(duì)利用超構(gòu)波導(dǎo)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)多功能的集成化波導(dǎo)耦合器等設(shè)計(jì)，每一次創(chuàng)新都在為光子芯片的發(fā)展注入新的活力。

隨著5G、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等技術(shù)的不斷普及和發(fā)展，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速度和處理能力的需求將呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。而光子芯片以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，正成為滿足這一需求的關(guān)鍵技術(shù)之一。

展望未來，光子芯片將在光通信、光計(jì)算、光傳感等領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用。它將以光速傳遞信息，打破電子傳輸?shù)钠款i限制，真正超越“摩爾定律”。


10G以下實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)替代

25G及以上仍被海外壟斷

我國光芯片企業(yè)已基本掌握 10G 及以下速率光芯片的核心技術(shù)。2.5G光芯片主要應(yīng)用于光纖接入市場(chǎng)，產(chǎn)品技術(shù)成熟，國產(chǎn)化程度高，國外光芯片廠商由于成本競(jìng)爭(zhēng)等因素已基本退出相關(guān)市場(chǎng)。10G 光芯片在光纖接入市場(chǎng)、移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)市場(chǎng)和數(shù)據(jù)中心市場(chǎng)均有應(yīng)用。其中，10G1270nm DFB 激光器芯片主要用于 10G-PON 數(shù)據(jù)上傳光模塊，10G 1310 光芯片主要應(yīng)用于4G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，國內(nèi)互聯(lián)網(wǎng)公司目前主要使用40G/100G 光模塊并開始向更高速率模塊過渡，其中 40G 光模塊使用4顆10G DFB 激光器芯片的方案。

2.5G 及以下光芯片市場(chǎng)中，國內(nèi)光芯片企業(yè)占據(jù)主要市場(chǎng)份額。2.5G 及以下光芯片市場(chǎng)中，國內(nèi)光芯片企業(yè)已經(jīng)占據(jù)主要市場(chǎng)份額，其中武漢敏芯和中科光芯在全球2.5G及其以下的FP/DFB激光器芯片市場(chǎng)份額均為17%，并列榜首。同時(shí)，我國光芯片企業(yè)已基本掌握 10G 光芯片的核心技術(shù)，但部分型號(hào)產(chǎn)品仍存在較高技術(shù)門檻，依賴進(jìn)口。根據(jù) ICC 統(tǒng)計(jì)，2021 年全球 10G DFB 激光器芯片市場(chǎng)中，源杰科技發(fā)貨量占比為 20%，位居第一，已超過住友電工、三菱電機(jī)等海外企業(yè)。

高速率光芯片市場(chǎng)的增長(zhǎng)速度將遠(yuǎn)高于中低速率光芯片。在對(duì)高速傳輸需求不斷提升背景下，25G 及以上高速率光芯片市場(chǎng)增長(zhǎng)迅速。根據(jù)Omdia對(duì)數(shù)據(jù)中心和電信場(chǎng)景激光器芯片的預(yù)測(cè)，2019 年至 2025 年，25G以上速率光模塊所使用的光芯片規(guī)模逐漸擴(kuò)大，整體市場(chǎng)空間將從13.6億美元增長(zhǎng)至 43.4億美元，CAGR將達(dá)到21.4%。

25G 以上高速光芯片國產(chǎn)化率仍較低。根據(jù) ICC預(yù)測(cè)，2021年2.5G速率國產(chǎn)光芯片占全球比重超過 90%；10G 光芯片方面，2021 年國產(chǎn)光芯片占全球比重約 60%，但不同光芯片的國產(chǎn)化情況存在一定差異， 部分10G光芯片產(chǎn)品性能要求較高、難度較大，如10G VCSEL/EML激光器芯片等，國產(chǎn)化率不到40%；25G及以上光芯片方面，隨著5G建設(shè)推進(jìn)，我國光芯片廠商在應(yīng)用于5G基站前傳光模塊的25G DFB激光器芯片有所突破，數(shù)據(jù)中心市場(chǎng)光模塊企業(yè)開始逐步使用國產(chǎn)廠商的25G DFB激光器芯片，2021年25G光芯片的國產(chǎn)化率約20%，但25G以上光芯片的國產(chǎn)化率仍較低約5%，目前仍以海外光芯片廠商為主。


未來技術(shù)方向

（1）硅光技術(shù)

傳統(tǒng)光模塊：可調(diào)制、接收光信號(hào)，包含光發(fā)射組件、光接受組件、光芯片等器件，在磷化銦基底上利用封裝技術(shù)進(jìn)行集成。

硅光光模塊：采用硅光子技術(shù)的光模塊。硅光技術(shù)是在硅和硅基襯底材料（如Si,SiGe,SOI等）上，利用CMOS工藝進(jìn)行光器件開發(fā)和集成的新一代技術(shù)，其核心理念用激光束代替電子信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。逐漸從光子集成向光電集成發(fā)展，目前通信領(lǐng)域主要是光子集成的硅光模塊。

硅光模塊最大特點(diǎn)高度集成。硅光芯片通過硅晶圓技術(shù)，在硅基上制備調(diào)制器、接收器等器件，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)制器、接收器、無源光學(xué)器件的高度集成。

與傳統(tǒng)光模塊相比，硅光模塊存在成本低、工藝精度高、產(chǎn)業(yè)鏈成熟三大優(yōu)勢(shì)。成本低：硅光芯片的襯底價(jià)格更低，其中Si襯底價(jià)格最低，為0.2$/2，而InP襯底價(jià)格為4.55$/2，是Si襯底價(jià)格的20多倍。在功能晶圓價(jià)格方面，硅光芯片價(jià)格下降更為明顯。另外，傳統(tǒng)InP光模塊由于良率低、固定開支成本等原因?qū)е缕涑杀具M(jìn)一步上升。工藝精度高、良率高：硅光芯片工藝精度可達(dá)65-250nm，傳統(tǒng)光模塊工藝精度最多達(dá)到300nm。硅光芯片良率大于80%，而傳統(tǒng)光芯片良率不足40%。產(chǎn)業(yè)鏈成熟：硅光模塊可使用目前較為成熟的CMOS集成電路產(chǎn)業(yè)，量大成本低。


（2）薄膜鈮酸鋰

鈮酸鋰材料主要用于制作電光調(diào)制器，電光調(diào)制器可以將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為光信號(hào)，并在光信號(hào)傳輸中實(shí)現(xiàn)信號(hào)的調(diào)制，其他傳統(tǒng)的電光調(diào)制器還包括硅基電光調(diào)制器和磷化銦（InP）電光調(diào)制器，其中鈮酸鋰性能優(yōu)勢(shì)最為顯著，并在光通信等領(lǐng)域已被廣泛的應(yīng)用和驗(yàn)證。然而，鈮酸鋰電光調(diào)制器存在尺寸大、難以集成和驅(qū)動(dòng)電壓高等缺點(diǎn)，薄膜鈮酸鋰便可以很好的解決這些缺點(diǎn)，通過將鈮酸鋰體材料薄膜化并鍵合到硅襯底上制備出絕緣體上薄膜鈮酸鋰（LNOI）材料，即通過“離子切片”的方式，從塊狀的鈮酸鋰晶體上剝離出鈮酸鋰薄膜，并鍵合到帶有二氧化硅緩沖層的硅晶片上。相比之下，薄膜鈮酸鋰調(diào)制器的尺寸更小，帶寬更高，而薄膜鈮酸鋰材料也有望使用于大規(guī)模的光子集成。