什么是集成光子学？

对于光子学，硅不是一种可行的材料。

集成电路 (IC) 首次开发于 20 世纪 50 年代后期，也称为芯片或微芯片，是当今使用的几乎所有电子设备的关键组成部分。大多数现代 IC 芯片由半导体晶片制成并由电力驱动，现在以平方毫米为单位进行测量，并且可以由数千或数百万个微型电阻器、电容器、二极管和晶体管组成。

然而，随着芯片变得越来越小型化，我们正在快速接近这样一个点，即物理上不可能在晶圆上安装更多组件。这个被称为后摩尔定律的世界最早可能在 2036 年出现在我们面前，并可能对半导体工程的进一步发展构成严峻挑战。

更糟糕的是，由于大数据、物联网 (IoT) 设备和人工智能 (AI) 导致的数据使用量呈指数级增长，目前的 IC 芯片已经承受着巨大的压力。简而言之，当前的 IC 架构无法应对不断增长的数据需求的挑战，这导致了带宽瓶颈和数据传输速度下降。

幸运的是，近年来集成光子学领域的进步迅速扩大，很可能会形成一种新型 IC 架构的基础，这种架构使用光而不是电来发送信号和驱动组件。

什么是集成光子学？

光子集成电路 (PIC)，也称为光子芯片，是一种使用两个或多个光子元件形成功能电路的微芯片。光子芯片与电子芯片的区别在于它使用光粒子（光子）而不是电（电子）来感知和传输信息。

光子允许比电子芯片更大的带宽。此外，光子不会像电子那样遇到彼此的任何阻力，这意味着更快的数据传输速度和更低的热效应。

将光子芯片与电子芯片区分开来的另一件事是其构造中使用的基板材料。在大多数电子芯片中，硅是首选，因为它具有高导电性、低成本和成熟的加工技术。

然而，对于光子学，硅不是一种可行的材料，因为它是一种不良的光发射体。相反，光子学发展中出现了三种不同的衬底——即磷化铟 (InP)、氮化硅 (SiN) 和硅/二氧化硅光子学 (SiP)。芯片制造商选择使用何种材料将取决于芯片的预期应用，因为每种基板都有自己的优点和缺点。从理论上讲，有一天可能会结合所有三种材料来制造最终的 PIC，但鉴于当前 PIC 市场的规模有限，制造商进行这样的努力尚不具有经济意义。

数据和电信中的光子学

光子芯片的主要优势之一是改进了数据通信，这导致 PIC 在不同行业领域的许多应用，包括自动驾驶、生物医学、天文学、国防和航空航天。但从光子学的进步中获益最多的两个行业可能是数据管理和电信行业。这就是未来几十年光子芯片可能对数据通信产生最大影响的地方。

数据中心的集成光子学

2010 年至 2018 年期间，全球互联网流量增长了 10 倍以上，而全球数据中心存储容量增长了 25 倍。随着新的可能性的出现，每天生成和消耗的数据量的这种巨大增长只会持续下去来自人工智能、大数据和物联网的发展。由于这些不断增长的数据需求，用于连接服务器的传统铜缆正遭受影响整个系统的带宽瓶颈。

虽然铜缆往往会在几 Gbps 内达到其带宽限制，但光纤的限制几乎是无限的，允许传输速度达到数百 Gbps 或 Tbps，并具有超低延迟。此外，数据中心还可以将光子芯片与高带宽发射器和接收器等板载组件集成在一起，从而显著提高系统性能和可靠性。

节约能源使用成本

电子通过铜线时遇到的电阻的后果之一是产生大量的热量。这对于电子芯片中使用的硅来说可能是个大问题，因为硅在热应力下往往会迅速分解。因此，需要大量的冷却来保持数据中心的运行，这反过来又导致大量的能源消耗和高碳排放。据估计，仅冷却一项就占数据中心能耗的 33%。

相比之下，PIC 产生的热量要少得多。事实上，它们产生的热量非常少，不需要任何专用的冷却系统。随着数据中心面临着减少能源消耗的压力，作为减少碳排放的一部分，这种极端的能源效率在未来几年可能会变得更加重要。

下一代 6G 网络

即使 5G 继续在全球范围内推广，电信公司也已经在讨论 6G 的潜在设计，6G 有望比 5G 快几个数量级。6G 预计将在本世纪末推出，可提供高达 1 Tbps 的速度，为 3D 全息视频、8K 流媒体以及改进的人工现实 (AR) 和虚拟现实 (VR) 设备的新进展打开大门。光子学肯定是 6G 的决定性技术，因为它可以在带宽和传输速度方面显著改善电子技术。

最后的想法

未来十年，光子芯片显然将成为数据和电信领域的首选。它们能够以低热效应在宽带宽上提供闪电般的速度，使其成为处理快速数字化社会日益增长的数据需求的最佳解决方案。也就是说，必须牢记这只是光子学的开始。不断增长的数据需求肯定会进一步推动它们的发展，从而导致新的用例和扩大的市场，这些市场可能会在未来五年内达到新的高度。

光子产业是推动21 世纪经济发展的朝阳产业。光子学是关于光的科学和技术，特别是光的产生、指引、操纵、增强和探测。从通信到卫生保健，从生产材料加工到照明设备和太阳能光伏，到日常使用的DVD播放器和手机，光子技术已经渗透到生产生活的方方面面。谷歌、通用汽车等信息通讯技术、制造业企业，对光学与光子技术十分依赖。

目前，光子芯片技术已经由硅光子集成技术向纳米光子学范畴迈进。在材料方面，石墨烯等先进材料的研究也有望将光子芯片技术的应用推向新的高度。随着光子技术的不断发展，光子技术将帮助突破计算机电子技术的局限;通过大幅增加数据容量和提高数据传输速度，它将推动通信行业进入太比特时代，同时降低碳足迹和单位成本。

业界普遍认为，光子学具有类似于电子学的发展模式，都是由光子器件向光子集成，光子系统方向发展。

大规模集成电路已经走了近五十年的历程。其主流技术CMOS的集成度每18个月翻一番(摩尔定律)。集成度的提高使芯片的功能成百上千倍的增强。现代科技可以说是以此为基础的。而集成光路技术的发展会带来同样的效应。集成后的光器件除了功能上的益处外，其在总体成本上的益处比起集成电路来更胜一筹。由于单立光器件的封装成本要占到器件成本的2/3，集成可以大规模降低单立光器件的数量，从而降低总体的成本。同时，封装界面的减少也会使得集成器件的性能成倍的提高。

目前比较经济的发展思路是将集成光子工业基于微电子工业之上，使用硅晶作为集成光学的制造平台。这将使全球历时五十年、投入数千亿美元打造的微电子芯片制造基础设施可以顺理成章地进入集成光器件市场，将成熟、发达的半导体集成电路工艺应用到集成光器件上来，一下子将集成光学工业的水平提高。这正是目前发展良好的硅光子技术的发展思路。

虽然硅光子还面临很多技术瓶颈，但在整个产业界的向心力下，正在被一个一个的克服，产业界对硅光子大规模商用也抱有极大的信心。尤其是数据中心的短距离应用，让硅光子找到了最合适的用武之地。数据中心的巨大潜力，以及英特尔等厂商的大力推动，促使硅光子的研发进程进一步加速。目前，硅光子技术已经进入集成应用阶段。

根据Yole Développement在2014年针对硅光子产业的报告，硅光子的产业链与电子集成电路的产业链相似，上游主要包括晶圆、制造设备和原材料供应商，中游则是负责设计、制造和封装的芯片公司，下游则主要分为光互连公司、服务器公司和谷歌、亚马逊、微软等最终用户公司。Yole Développement认为，最终用户公司是硅光子技术在数据中心方面研发的主要驱动力。

硅光子技术的应用挑战主要来自技术方面。激光光源的集成便是一个主要技术挑战，对此，锑化铟芯片上的激光芯片后端处理或将是一个值得关注的方法。功耗问题也很重要。目前的功耗水平大约在10pJ/bit，2025年的目标是要将功耗降低到200fJ/ bit以下。此外，产业界也需要从并行光纤发展至波分复用技术(wavelength division multiplexing，WDM)，大多数厂商都在其产品路线图中规划了波分复用技术。

封装也是目前的主要技术障碍，约占最终收发器产品成本的80~90%，主要由于光学校准要求非常严格，并且增加了组装所需要的时间。现在，MEMS技术或能帮助解决这些问题，Kaiam公司和Luxtera公司在这方面做了很多开拓性的工作，并建立了一些方案来提供低成本光子组装试验产线，尤其是在欧洲。这些技术挑战都和成本相关，目标是从目前的5美元/Gb，到2020年降至0.1美元/Gb以下。

虽然硅光子技术供应链正在逐步形成过程中，落后主流的硅半导体供应链好多年。然而，纵观全球，大举的研发并购和相关项目正在进行，为现有厂商做好知识产权布局。对于外包半导体组装和测试厂商来说，由于市场对低成本封装解决方案的需求，其机遇也必定会增加。随着晶圆消耗数量的增长，将驱动成本不断降低，硅光子代工厂必定会涌现出来。

审核编辑：刘清