對于光子學，硅不是一種可行的材料。

集成電路 (IC) 首次開發于 20 世紀 50 年代后期，也稱為芯片或微芯片，是當今使用的幾乎所有電子設備的關鍵組成部分。大多數現代 IC 芯片由半導體晶片制成并由電力驅動，現在以平方毫米為單位進行測量，并且可以由數千或數百萬個微型電阻器、電容器、二極管和晶體管組成。

然而，隨著芯片變得越來越小型化，我們正在快速接近這樣一個點，即物理上不可能在晶圓上安裝更多組件。這個被稱為后摩爾定律的世界最早可能在 2036 年出現在我們面前，并可能對半導體工程的進一步發展構成嚴峻挑戰。

更糟糕的是，由于大數據、物聯網 (IoT) 設備和人工智能 (AI) 導致的數據使用量呈指數級增長，目前的 IC 芯片已經承受著巨大的壓力。簡而言之，當前的 IC 架構無法應對不斷增長的數據需求的挑戰，這導致了帶寬瓶頸和數據傳輸速度下降。

幸運的是，近年來集成光子學領域的進步迅速擴大，很可能會形成一種新型 IC 架構的基礎，這種架構使用光而不是電來發送信號和驅動組件。

什么是集成光子學？

光子集成電路 (PIC)，也稱為光子芯片，是一種使用兩個或多個光子元件形成功能電路的微芯片。光子芯片與電子芯片的區別在于它使用光粒子（光子）而不是電（電子）來感知和傳輸信息。

光子允許比電子芯片更大的帶寬。此外，光子不會像電子那樣遇到彼此的任何阻力，這意味著更快的數據傳輸速度和更低的熱效應。

將光子芯片與電子芯片區分開來的另一件事是其構造中使用的基板材料。在大多數電子芯片中，硅是首選，因為它具有高導電性、低成本和成熟的加工技術。

然而，對于光子學，硅不是一種可行的材料，因為它是一種不良的光發射體。相反，光子學發展中出現了三種不同的襯底——即磷化銦 (InP)、氮化硅 (SiN) 和硅/二氧化硅光子學 (SiP)。芯片制造商選擇使用何種材料將取決于芯片的預期應用，因為每種基板都有自己的優點和缺點。從理論上講，有一天可能會結合所有三種材料來制造最終的 PIC，但鑒于當前 PIC 市場的規模有限，制造商進行這樣的努力尚不具有經濟意義。

數據和電信中的光子學

光子芯片的主要優勢之一是改進了數據通信，這導致 PIC 在不同行業領域的許多應用，包括自動駕駛、生物醫學、天文學、國防和航空航天。但從光子學的進步中獲益最多的兩個行業可能是數據管理和電信行業。這就是未來幾十年光子芯片可能對數據通信產生最大影響的地方。

數據中心的集成光子學

2010 年至 2018 年期間，全球互聯網流量增長了 10 倍以上，而全球數據中心存儲容量增長了 25 倍。隨著新的可能性的出現，每天生成和消耗的數據量的這種巨大增長只會持續下去來自人工智能、大數據和物聯網的發展。由于這些不斷增長的數據需求，用于連接服務器的傳統銅纜正遭受影響整個系統的帶寬瓶頸。

雖然銅纜往往會在幾 Gbps 內達到其帶寬限制，但光纖的限制幾乎是無限的，允許傳輸速度達到數百 Gbps 或 Tbps，并具有超低延遲。此外，數據中心還可以將光子芯片與高帶寬發射器和接收器等板載組件集成在一起，從而顯著提高系統性能和可靠性。

節約能源使用成本

電子通過銅線時遇到的電阻的后果之一是產生大量的熱量。這對于電子芯片中使用的硅來說可能是個大問題，因為硅在熱應力下往往會迅速分解。因此，需要大量的冷卻來保持數據中心的運行，這反過來又導致大量的能源消耗和高碳排放。據估計，僅冷卻一項就占數據中心能耗的 33%。

相比之下，PIC 產生的熱量要少得多。事實上，它們產生的熱量非常少，不需要任何專用的冷卻系統。隨著數據中心面臨著減少能源消耗的壓力，作為減少碳排放的一部分，這種極端的能源效率在未來幾年可能會變得更加重要。

下一代 6G 網絡

即使 5G 繼續在全球范圍內推廣，電信公司也已經在討論 6G 的潛在設計，6G 有望比 5G 快幾個數量級。6G 預計將在本世紀末推出，可提供高達 1 Tbps 的速度，為 3D 全息視頻、8K 流媒體以及改進的人工現實 (AR) 和虛擬現實 (VR) 設備的新進展打開大門。光子學肯定是 6G 的決定性技術，因為它可以在帶寬和傳輸速度方面顯著改善電子技術。

最后的想法

未來十年，光子芯片顯然將成為數據和電信領域的首選。它們能夠以低熱效應在寬帶寬上提供閃電般的速度，使其成為處理快速數字化社會日益增長的數據需求的最佳解決方案。也就是說，必須牢記這只是光子學的開始。不斷增長的數據需求肯定會進一步推動它們的發展，從而導致新的用例和擴大的市場，這些市場可能會在未來五年內達到新的高度。

光子產業是推動21 世紀經濟發展的朝陽產業。光子學是關于光的科學和技術，特別是光的產生、指引、操縱、增強和探測。從通信到衛生保健，從生產材料加工到照明設備和太陽能光伏，到日常使用的DVD播放器和手機，光子技術已經滲透到生產生活的方方面面。谷歌、通用汽車等信息通訊技術、制造業企業，對光學與光子技術十分依賴。

目前，光子芯片技術已經由硅光子集成技術向納米光子學范疇邁進。在材料方面，石墨烯等先進材料的研究也有望將光子芯片技術的應用推向新的高度。隨著光子技術的不斷發展，光子技術將幫助突破計算機電子技術的局限;通過大幅增加數據容量和提高數據傳輸速度，它將推動通信行業進入太比特時代，同時降低碳足跡和單位成本。

業界普遍認為，光子學具有類似于電子學的發展模式，都是由光子器件向光子集成，光子系統方向發展。

大規模集成電路已經走了近五十年的歷程。其主流技術CMOS的集成度每18個月翻一番(摩爾定律)。集成度的提高使芯片的功能成百上千倍的增強。現代科技可以說是以此為基礎的。而集成光路技術的發展會帶來同樣的效應。集成后的光器件除了功能上的益處外，其在總體成本上的益處比起集成電路來更勝一籌。由于單立光器件的封裝成本要占到器件成本的2/3，集成可以大規模降低單立光器件的數量，從而降低總體的成本。同時，封裝界面的減少也會使得集成器件的性能成倍的提高。

目前比較經濟的發展思路是將集成光子工業基于微電子工業之上，使用硅晶作為集成光學的制造平臺。這將使全球歷時五十年、投入數千億美元打造的微電子芯片制造基礎設施可以順理成章地進入集成光器件市場，將成熟、發達的半導體集成電路工藝應用到集成光器件上來，一下子將集成光學工業的水平提高。這正是目前發展良好的硅光子技術的發展思路。

雖然硅光子還面臨很多技術瓶頸，但在整個產業界的向心力下，正在被一個一個的克服，產業界對硅光子大規模商用也抱有極大的信心。尤其是數據中心的短距離應用，讓硅光子找到了最合適的用武之地。數據中心的巨大潛力，以及英特爾等廠商的大力推動，促使硅光子的研發進程進一步加速。目前，硅光子技術已經進入集成應用階段。

根據Yole Développement在2014年針對硅光子產業的報告，硅光子的產業鏈與電子集成電路的產業鏈相似，上游主要包括晶圓、制造設備和原材料供應商，中游則是負責設計、制造和封裝的芯片公司，下游則主要分為光互連公司、服務器公司和谷歌、亞馬遜、微軟等最終用戶公司。Yole Développement認為，最終用戶公司是硅光子技術在數據中心方面研發的主要驅動力。

硅光子技術的應用挑戰主要來自技術方面。激光光源的集成便是一個主要技術挑戰，對此，銻化銦芯片上的激光芯片后端處理或將是一個值得關注的方法。功耗問題也很重要。目前的功耗水平大約在10pJ/bit，2025年的目標是要將功耗降低到200fJ/ bit以下。此外，產業界也需要從并行光纖發展至波分復用技術(wavelength division multiplexing，WDM)，大多數廠商都在其產品路線圖中規劃了波分復用技術。

封裝也是目前的主要技術障礙，約占最終收發器產品成本的80~90%，主要由于光學校準要求非常嚴格，并且增加了組裝所需要的時間。現在，MEMS技術或能幫助解決這些問題，Kaiam公司和Luxtera公司在這方面做了很多開拓性的工作，并建立了一些方案來提供低成本光子組裝試驗產線，尤其是在歐洲。這些技術挑戰都和成本相關，目標是從目前的5美元/Gb，到2020年降至0.1美元/Gb以下。

雖然硅光子技術供應鏈正在逐步形成過程中，落后主流的硅半導體供應鏈好多年。然而，縱觀全球，大舉的研發并購和相關項目正在進行，為現有廠商做好知識產權布局。對于外包半導體組裝和測試廠商來說，由于市場對低成本封裝解決方案的需求，其機遇也必定會增加。隨著晶圓消耗數量的增長，將驅動成本不斷降低，硅光子代工廠必定會涌現出來。

審核編輯：劉清