AI时代，光芯片关键技术与产业链深度解析

电子发烧友网报道（文/李弯弯）人工智能技术的迅速发展，全球数据流量每年呈爆发式增长。传统电芯片在算力与能耗的矛盾中逐渐触及物理极限，而光芯片凭借其超低传输损耗、超宽带宽和超低延迟的特性，成为突破算力瓶颈的关键技术。据预测，2027年全球光芯片市场规模有望达到56亿美元，年复合增长率16%。从800G到1.6T光模块的量产，再到硅光子技术与光电共封装（CPO）的突破，光芯片正重塑全球半导体产业格局。

技术演进：光电融合的必然之路

集成电路与集成光子的平行发展在2010年后迎来转折点。随着摩尔定律失效，光电融合成为延续技术进步的必然选择。英特尔是最早研究硅光的巨头厂商之一，其研究硅光子技术已经超过30年。从2016年推出硅光子平台后，英特尔已出货超过800万个光子集成电路（PIC）和超过320万个集成片上激光器，这些产品被很多大型云服务提供商采用。

英特尔的硅光技术，是用CMOS制造工艺，把激光器、调制器、探测器等光学器件与电路集成在同一块硅基片上，实现电子与光学结合。

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2024年开发出钽酸锂异质集成晶圆，并成功用其制作高性能光子芯片。欧欣介绍，不同于电子芯片以电流为信息载体，光子芯片以光波为信息载体，能实现低功耗、高带宽、低时延的效果。不过，现阶段的光子芯片受限于材料和技术，面临效率较低、功能单一、成本较高等挑战。

类似于电子芯片将电路刻在硅晶圆上，团队将光子芯片的光波导刻在钽酸锂异质集成晶圆上。该集成晶圆是由“硅-二氧化硅-钽酸锂”组成的“三明治”结构，其关键在于最上层薄约600纳米的高质量单晶钽酸锂薄膜及该薄膜与二氧化硅形成的界面质量。

光芯片与电芯片的本质差异体现在信息载体、能耗与应用场景等几个方面。光子以10¹⁴Hz频率传输，支持Tbps级速率且能耗低至0.1pJ/bit；而电子受限于109Hz频率，速率与能耗均处于劣势。这种差异决定了光芯片在长距离通信、AI计算等场景的不可替代性，而电芯片则在通用计算、控制逻辑等领域持续发挥价值。

技术代际的跃迁清晰可见：第一代分立器件（2000-2015）以DFB激光器、PIN探测器为主，应用于40G以下速率场景；第二代光电混合集成（2016-2022）通过硅光技术实现100G-400G模块商用；第三代单片光电融合（2023-2030）则借助CPO技术将光引擎与ASIC芯片共封装，功耗降低50%以上。

关键技术突破：多路径竞速的创新格局

芯片制造技术呈现多元化发展。EML芯片通过电吸收层实现高速调制，源杰科技2025年推出的100GEML芯片良率突破85%。硅光技术是将传统微电子芯片与光子学融合的技术，也就是把电子元件和光学元件“挤”在同一片芯片上。相比传统微电子芯片，硅光芯片传输速率更高、功耗更低，是5G/6G、AI算力网络、量子信息等领域的底层技术，还可以绕开对EUV光刻机的依赖，实现芯片领域“换道超车”。薄膜铌酸锂是高性能玻璃状材料，它能将数据传输速度显著提升至1.6至3.2Tb/s，同时大幅降耗，为数据中心带来前所未有的效率提升，兼具环境友好性。

先进封装技术革命中，CPO与LPO成为焦点。传统光模块独立于交换芯片，信号需通过PCB长距离传输，损耗大、功耗高。 而CPO将光引擎与芯片（如GPU、ASIC）集成在同一基板，电信号传输距离从厘米级压缩至毫米级。这一变革使功耗直降50%-70%，英伟达1.6T光模块功耗从30W骤降至9W，博通CPO交换机单通道功耗仅5.5W/800G。传统光模块依赖DSP芯片进行信号处理，功耗通常在25W以上，而LPO方案通过移除DSP芯片，功耗降低至10W左右。例如，新易盛的1.6T DR8硅光模块采用LPO技术后，功耗降至10W，较传统DSP模块降低68%。

材料科学的突破为技术升级提供支撑。中国科学院上海微系统与信息技术研究所研究员欧欣团队在钽酸锂异质集成晶圆及高性能光子芯片制备领域取得突破性进展。欧欣团队采用基于“万能离子刀”的异质集成技术，通过氢离子注入结合晶圆键合的方法，制备了高质量硅基钽酸锂单晶薄膜异质晶圆。进一步，合作团队开发了超低损耗钽酸锂光子器件微纳加工方法，使对应器件的光学损耗降低至5.6 dB m-1，这低于其他团队报道的晶圆级铌酸锂波导的最低损耗值。

该研究结合晶圆级流片工艺，探讨了钽酸锂材料内低双折射对于模式交叉的有效抑制，并验证了可以应用于整个通信波段的钽酸锂光子微腔谐振器。钽酸锂光子芯片展现出与铌酸锂薄膜相当的电光调制效率；同时，基于钽酸锂光子芯片，该研究首次在X切型电光平台中产生了孤子光学频率梳，结合电光可调谐性质，有望在激光雷达和精密测量等方面实现应用。当前，该研究已攻关8英寸晶圆制备技术，为更大规模的国产光电集成芯片和移动终端射频滤波器芯片的发展奠定了材料基础。

产业链解析：从材料到系统的生态重构

光芯片企业通常采用lll-V族化合物磷化铟（InP）和砷化家（GaAs）作为芯片的衬底材料，相关材料具有高频、高低温性能好、噪声小、抗辐射能力强等优点，符合高频通信的特点，因而在光通信芯片领域得到重要应用。

其中，磷化铟（InP）衬底用于制作FP、DFB、EML边发射激光器芯片和PIN、APD探测器芯片，主要应用于电信、数据中心等中长距离传输；砷化（GaAs）衬底用于制作VCSEL面发射激光器芯片，主要应用于数据中心短距离传输、3D感测等领域。

磷化铟（InP）和砷化镓（GaAs）衬底材料，全球90%以上产能由日本住友、美国AXT等垄断，国内三安光电、云南锗业等逐步突破。

从分类和功能来看，光芯片可分为有源光芯片和无源光芯片。有源光芯片负责光电信号转换，包括激光器芯片和探测器芯片；无源光芯片则包括光开关芯片、光分束器芯片等。

国内外主要的光芯片研发和制造企业有Coherent（II-VI）、Lumentum、Broadcom、Intel、OSRAM、源杰科技、光迅科技、长光华芯、福建中科光芯、光本位科技、厦门优迅等。

中游制造方面，IDM模式与Foundry模式并行发展。如，光迅科技实现从衬底到模块的全链条覆盖。中科光芯的8英寸光芯片代工线支持EML、VCSEL等多品类制造。

下游模块与应用市场，中国厂商已占据全球光模块市场重要地位，主要企业有中际旭创、新易盛、光迅科技、华工科技等。中际旭创占据全球800G模块40%市场份额，2025年800G光模块上半年出货量超400万只。新易盛是AWS供应链核心供应商，同时为Meta、微软提供800G LPO模块，2026年规划产能450万只，重点布局硅光+CPO技术。

写在最后

技术趋势层面，2026年后3.2T光模块与CPO技术将进入商用阶段，光芯片算力密度预计提升10倍。薄膜铌酸锂、量子点激光器等新材料将推动成本进一步下探。产业格局上，中国厂商在25G以上高速芯片市场份额从2020年的5%提升至2025年的35%，国产化替代进入深水区。

战略价值方面，光芯片不仅是AI算力的基础设施，更是6G通信、量子计算、生物传感等前沿领域的核心支撑。《“十四五”信息通信行业发展规划》明确提出，到2030年建成全球领先的光芯片产业集群。在这场光电融合的革命中，技术突破与产业生态的共振正在改写半导体行业的底层逻辑。从实验室到数据中心，从通信基站到自动驾驶，光芯片正以“隐形冠军”的姿态，托举起一个万物智联的新时代。