从材料到集成：光子芯片技术创新，突破算力瓶颈

电子发烧友网报道（文/李弯弯）在全球科技竞争的浪潮中，光子芯片作为突破电子芯片性能瓶颈的核心技术，正逐渐成为各方瞩目的焦点。它以光波作为信息载体，通过集成激光器、调制器、探测器等光电器件，实现了低时延、高带宽、低功耗的数据处理能力。随着人工智能算力需求呈爆发式增长，光子芯片技术路线呈现出多元化的发展态势。

主流技术路线：从材料创新到系统集成的突破

当前，光子芯片领域形成了多种主流技术路线。硅基光子集成技术依托成熟的CMOS工艺，利用硅材料实现光波导、调制器等器件的集成。通过将硅与氮化硅、磷化铟等材料进行异质集成，有效提升了器件性能。该技术具有显著的工艺优势，能够兼容现有半导体产线，从而降低制造成本。同时，其高集成度特性使得单芯片可集成数百个光学元件，支持复杂光路设计。然而，硅基技术也面临一些挑战。硅的间接带隙特性导致其发光效率较低，需要依赖外部光源。此外，调制器效率、探测器响应度等指标仍落后于III - V族材料。



在代表企业方面，英特尔推出了1.6T硅光模块，采用8通道并行传输，功耗降低40%；华为发布了硅光全光交换机，实现了400G/800G端口密度提升3倍。2024年，英特尔硅光芯片在微软Azure数据中心实现规模化部署，有力支撑了AI训练集群的超高带宽需求。

III - V族化合物半导体技术以磷化铟（InP）、砷化镓（GaAs）为基底，能够直接集成激光器、放大器等有源器件，实现单片全光子集成。这种技术具有高性能和低损耗的显著优势，电光调制效率达VπLπ = 0.2V·cm，较硅基器件提升2个数量级；波导传输损耗小于0.1dB/cm，支持超长距离光互连。不过，其成本高昂，化合物半导体晶圆价格是硅基的5 - 10倍，且工艺复杂，需结合分子束外延（MBE）等精密技术，良率控制难度较大。

Luxtera（现属思科）开发了DFB激光器与硅光子芯片的混合集成方案，实现了100Gb/s传输速率；长光华芯量产了100G EML芯片，并计划2026年推出50G VCSEL产品。2025年，长光华芯为中际旭创供应的25G DFB芯片，成功应用于英伟达H200 GPU的光模块。

铌酸锂调制技术利用铌酸锂（LiNbO₃）的电光效应实现高速调制，结合硅基波导实现光电协同设计。该技术具备超高速和低驱动电压的特点，调制带宽达100GHz，支持1.6Tbps单波长传输；Vπ小于2V，功耗较传统方案降低60%。但铌酸锂材料存在脆性，晶圆加工易开裂，需要开发专用切割工艺，且与硅基工艺的兼容性仍需优化。

光迅科技发布了铌酸锂薄膜调制器芯片，插入损耗小于2dB；旭创科技与中科院合作开发了铌酸锂光子集成回路（PIC），实现了800G光模块量产。2025年，香港城市大学团队利用铌酸锂芯片构建微波光子滤波器，实现了6GHz带宽内信号处理时延小于1ns。

技术融合与前沿探索：开启光子芯片新未来

为了进一步提升光子芯片的性能和应用范围，技术融合与前沿探索成为当前的重要方向。光电混合集成技术通过2.5D/3D封装将硅光芯片与CMOS驱动芯片垂直集成，突破了“光进电退”的物理限制。台积电的COUPE平台实现了7nm制程与光子I/O的异质集成，单芯片带宽达1.6Tbps；Ayar Labs推出的TeraPHY光子引擎，通过Chiplet架构将光互连延迟降低至2ns。

新型材料体系的研究为光子芯片带来了新的可能性。氮化硅（Si₃N₄）具有低损耗波导特性，损耗小于0.1dB/cm，适用于量子光子芯片；薄膜铌酸锂（TFLN）的调制效率较块状材料提升10倍，支持400G/800G相干通信；二维材料（如石墨烯）具有超宽带可调谐特性，可用于动态光子器件。

共封装光学（CPO）架构将光引擎直接集成至ASIC封装内，缩短了电信号传输路径，功耗降低30%。博通发布了51.2T CPO交换机，采用硅光子 + DSP混合方案，支持AI集群的万卡互联；兆驰集成规划2026年量产CPO模块，目标市场为800G/1.6T数据中心。

写在最后

展望未来，光子芯片的发展前景广阔。短期来看，在2025 - 2027年，数据中心与AI算力将成为主要驱动力。光模块市场规模将以17%的复合年均增长率增长，预计2030年达到110亿美元，硅光芯片渗透率预计从2025年的25%提升至2030年的60%。

中期，在2028 - 2030年，光子计算与量子通信将迎来发展机遇。光子矩阵运算单元（PMU）有望替代传统GPU，算力密度提升100倍；量子密钥分发（QKD）网络将依赖光子芯片实现城域级覆盖。长期而言，在2030年以后，将进入光子-电子融合时代。光电混合芯片将占据高端计算市场80%的份额，推动ZB级算力时代的到来。