電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/李彎彎）在全球科技競爭的浪潮中，光子芯片作為突破電子芯片性能瓶頸的核心技術(shù)，正逐漸成為各方矚目的焦點(diǎn)。它以光波作為信息載體，通過集成激光器、調(diào)制器、探測器等光電器件，實(shí)現(xiàn)了低時延、高帶寬、低功耗的數(shù)據(jù)處理能力。隨著人工智能算力需求呈爆發(fā)式增長，光子芯片技術(shù)路線呈現(xiàn)出多元化的發(fā)展態(tài)勢。

主流技術(shù)路線：從材料創(chuàng)新到系統(tǒng)集成的突破

當(dāng)前，光子芯片領(lǐng)域形成了多種主流技術(shù)路線。硅基光子集成技術(shù)依托成熟的CMOS工藝，利用硅材料實(shí)現(xiàn)光波導(dǎo)、調(diào)制器等器件的集成。通過將硅與氮化硅、磷化銦等材料進(jìn)行異質(zhì)集成，有效提升了器件性能。該技術(shù)具有顯著的工藝優(yōu)勢，能夠兼容現(xiàn)有半導(dǎo)體產(chǎn)線，從而降低制造成本。同時，其高集成度特性使得單芯片可集成數(shù)百個光學(xué)元件，支持復(fù)雜光路設(shè)計(jì)。然而，硅基技術(shù)也面臨一些挑戰(zhàn)。硅的間接帶隙特性導(dǎo)致其發(fā)光效率較低，需要依賴外部光源。此外，調(diào)制器效率、探測器響應(yīng)度等指標(biāo)仍落后于III - V族材料。



在代表企業(yè)方面，英特爾推出了1.6T硅光模塊，采用8通道并行傳輸，功耗降低40%；華為發(fā)布了硅光全光交換機(jī)，實(shí)現(xiàn)了400G/800G端口密度提升3倍。2024年，英特爾硅光芯片在微軟Azure數(shù)據(jù)中心實(shí)現(xiàn)規(guī)模化部署，有力支撐了AI訓(xùn)練集群的超高帶寬需求。

III - V族化合物半導(dǎo)體技術(shù)以磷化銦（InP）、砷化鎵（GaAs）為基底，能夠直接集成激光器、放大器等有源器件，實(shí)現(xiàn)單片全光子集成。這種技術(shù)具有高性能和低損耗的顯著優(yōu)勢，電光調(diào)制效率達(dá)VπLπ = 0.2V·cm，較硅基器件提升2個數(shù)量級；波導(dǎo)傳輸損耗小于0.1dB/cm，支持超長距離光互連。不過，其成本高昂，化合物半導(dǎo)體晶圓價格是硅基的5 - 10倍，且工藝復(fù)雜，需結(jié)合分子束外延（MBE）等精密技術(shù)，良率控制難度較大。

Luxtera（現(xiàn)屬思科）開發(fā)了DFB激光器與硅光子芯片的混合集成方案，實(shí)現(xiàn)了100Gb/s傳輸速率；長光華芯量產(chǎn)了100G EML芯片，并計(jì)劃2026年推出50G VCSEL產(chǎn)品。2025年，長光華芯為中際旭創(chuàng)供應(yīng)的25G DFB芯片，成功應(yīng)用于英偉達(dá)H200 GPU的光模塊。

鈮酸鋰調(diào)制技術(shù)利用鈮酸鋰（LiNbO?）的電光效應(yīng)實(shí)現(xiàn)高速調(diào)制，結(jié)合硅基波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)光電協(xié)同設(shè)計(jì)。該技術(shù)具備超高速和低驅(qū)動電壓的特點(diǎn)，調(diào)制帶寬達(dá)100GHz，支持1.6Tbps單波長傳輸；Vπ小于2V，功耗較傳統(tǒng)方案降低60%。但鈮酸鋰材料存在脆性，晶圓加工易開裂，需要開發(fā)專用切割工藝，且與硅基工藝的兼容性仍需優(yōu)化。

光迅科技發(fā)布了鈮酸鋰薄膜調(diào)制器芯片，插入損耗小于2dB；旭創(chuàng)科技與中科院合作開發(fā)了鈮酸鋰光子集成回路（PIC），實(shí)現(xiàn)了800G光模塊量產(chǎn)。2025年，香港城市大學(xué)團(tuán)隊(duì)利用鈮酸鋰芯片構(gòu)建微波光子濾波器，實(shí)現(xiàn)了6GHz帶寬內(nèi)信號處理時延小于1ns。

技術(shù)融合與前沿探索：開啟光子芯片新未來

為了進(jìn)一步提升光子芯片的性能和應(yīng)用范圍，技術(shù)融合與前沿探索成為當(dāng)前的重要方向。光電混合集成技術(shù)通過2.5D/3D封裝將硅光芯片與CMOS驅(qū)動芯片垂直集成，突破了“光進(jìn)電退”的物理限制。臺積電的COUPE平臺實(shí)現(xiàn)了7nm制程與光子I/O的異質(zhì)集成，單芯片帶寬達(dá)1.6Tbps；Ayar Labs推出的TeraPHY光子引擎，通過Chiplet架構(gòu)將光互連延遲降低至2ns。

新型材料體系的研究為光子芯片帶來了新的可能性。氮化硅（Si?N?）具有低損耗波導(dǎo)特性，損耗小于0.1dB/cm，適用于量子光子芯片；薄膜鈮酸鋰（TFLN）的調(diào)制效率較塊狀材料提升10倍，支持400G/800G相干通信；二維材料（如石墨烯）具有超寬帶可調(diào)諧特性，可用于動態(tài)光子器件。

共封裝光學(xué)（CPO）架構(gòu)將光引擎直接集成至ASIC封裝內(nèi)，縮短了電信號傳輸路徑，功耗降低30%。博通發(fā)布了51.2T CPO交換機(jī)，采用硅光子 + DSP混合方案，支持AI集群的萬卡互聯(lián)；兆馳集成規(guī)劃2026年量產(chǎn)CPO模塊，目標(biāo)市場為800G/1.6T數(shù)據(jù)中心。

寫在最后

展望未來，光子芯片的發(fā)展前景廣闊。短期來看，在2025 - 2027年，數(shù)據(jù)中心與AI算力將成為主要驅(qū)動力。光模塊市場規(guī)模將以17%的復(fù)合年均增長率增長，預(yù)計(jì)2030年達(dá)到110億美元，硅光芯片滲透率預(yù)計(jì)從2025年的25%提升至2030年的60%。

中期，在2028 - 2030年，光子計(jì)算與量子通信將迎來發(fā)展機(jī)遇。光子矩陣運(yùn)算單元（PMU）有望替代傳統(tǒng)GPU，算力密度提升100倍；量子密鑰分發(fā)（QKD）網(wǎng)絡(luò)將依賴光子芯片實(shí)現(xiàn)城域級覆蓋。長期而言，在2030年以后，將進(jìn)入光子-電子融合時代。光電混合芯片將占據(jù)高端計(jì)算市場80%的份額，推動ZB級算力時代的到來。