中国粉体网讯 随着电子芯片的发展逼近摩尔定律极限，曾在与电子芯片竞争中落后的光子芯片，逐步进入潜在颠覆性技术布局行列。近日，半导体巨头英特尔和英伟达宣布投资Ayar Labs，华为入股微源光子及长光华芯，格芯推出新硅光子技术，新思科推出全球首个开放式硅光子平台……一批国内外大厂加快对“光芯片”赛道的探索布局。
10月18日，从中科鑫通获悉，国内首条“多材料、跨尺寸”的光子芯片生产线已在筹备，预计将于2023年在京建成，可满足通信、数据中心、激光雷达、微波光子、医疗检测等领域需求，有望填补我国在光子芯片晶圆代工领域的空白。
光子芯片应用领域（来源：王俊等，《光子芯片研究进展及展望》）
何谓光子芯片？
光子芯片这个概念最早在1969年被提出，是利用光子作为信息传输和处理载体的新型集成芯片。
波士顿Lightmatter公司所开发的Envise光子芯片（来源：Mitch Leslie，《Light-Based Chips Promise to Slash Energy Use and Increase Speed》）
在理想状态下，光子芯片的计算速度比电子芯片快约1000倍，同时功耗更低，从性能上突破摩尔定律的限制；此外，光计算芯片与电子芯片原理不同，不依赖晶体管优化，而是通过光电转换原理、利用光信号传播速度更快、功耗更低和不受电磁干扰等特性，实现更快速度和更低功耗完成特定计算任务；更为重要的是，光子芯片技术将催化出一条全新的产业链，包括EDA工业软件、光刻机设备、原材料技术等，都将实现国产化的生产，不再受制于外部的限制、打压措施。
综上各种优势，使得光子芯片被认为是未来大容量数据传输、人工智能加速计算等领域最具前景的解决方案之一，也为国内芯片产业“换道超车”提供了很好的机遇。
光子芯片种类
回顾光子芯片发展历程，早在1969年美国的贝尔实验室就已经提出了集成光学的概念。但因技术和商用化方面的原因，直到21世纪初，以Intel和IBM为首的企业与学术机构才开始重点发展硅芯片光学信号传输技术，期望能用光通路取代芯片之间的数据电路。
近年来随着技术的发展，包括硅、氮化硅、磷化铟、III-V族化合物、铌酸锂、聚合物等多种材料体系已被用于研发单片集成或混合集成的光子芯片。
出于对经济、技术和性能等多方面综合评估，业界普遍认为硅在未来将会成为集成光子芯片的主要载体，也就是所说的硅光子集成芯片。
硅材料有其他材料不具备的优势：①硅材料在通信波段（1550nm）是透明的，折射率的虚部为0，对光没有严重的吸收效应，所以用硅材料制作无源器件（如波导）损耗较低；②硅对1550nm左右的光折射率约为3.47，与波导包层材料的折射率存在很大梯度，因此硅材料制成的无源器件可以很小，比如硅波导的宽度可以做到400-500nm，且弯曲损耗较小；③硅材料作为集成光子学基底的最大优点是成本较低，半导体CMOS工艺的发展积累了大量经验和工业基础，因此硅材料基底的光电子芯片流片成本较低。硅材料的晶圆尺寸可以做到很大（12寸），平整度高工艺稳定且成本低。同时硅光子芯片的加工过程与制作光电子成像元件的CMOS工艺十分兼容。
光与电的竞与合
由于电子芯片在计算、存储等方面具有优势，逻辑运算能力强大，逻辑的控制和计算更多以电为主。光子最大的优点是低功耗、抗干扰能力强、传输带宽更宽。光的传输能力强，光计算在局部区域具有性能优势。
目前来看，光有光的优势，电有电的优势，在某些应用场景中，两者有竞争，但更多的时候，二者是共赢关系。
在北京邮电大学教授、博士生导师李培刚看来，硅光技术发展主要可以分为3个阶段：第一，硅基器件逐步取代分立元器件，即用硅把光通信底层器件做出来，达到工艺的标准化；第二，集成技术从耦合集成向单片集成演进，实现部分集成，再把这些器件像乐高积木一样，通过不同器件的组合，集成不同的芯片；第三，光电一体技术融合，实现光电全集成化，把光和电都集成起来，实现更加复杂的功能。
硅光芯片技术目前还在逻辑运算领域，未来的趋势是光电集成，要实现全光计算还需要很长的一段时间。光子集成电路虽然目前仍处于初级发展阶段，不过其成为光器件的主流发展趋势已成必然。
“翻身之仗”
目前，美国联合欧洲各国打造的芯片联盟旨在对中国采取芯片封锁，以阻遏中国的高端芯片发展。至少在最近两年，中国在获得高端精密芯片方面受到了巨大的阻碍。尤其是华为，作为5G技术专利的领头羊企业，却只能卖4G手机，这不得不说是一种无奈。
我们在芯片领域有两条线可以打破芯片对高端光刻机的依赖，其一是碳基芯片，其二便是光子芯片。中科鑫通筹建的光子芯片产线，将是有效打破芯片对高端光刻机依赖局面的具体实现。尽管该产线要在2023年建成，但我们看到了打破国际上对我国高端光刻机和芯片的封锁的希望和成果。这将有效增强中国在芯片领域的话语权，而且光子芯片一旦进入商用阶段，中国势必在该领域形成先发优势，打一场漂亮的“翻身之仗”。
参考资料：
1、关伟，《光子算数：光子芯片“加速”进行时》
2、王俊等，《光子芯片研究进展及展望》
3、Mitch Leslie，《Light-Based Chips Promise to Slash Energy Use and Increase Speed》
4、马浩然等，《硅基光子芯片研究进展与挑战》
5、科技日报，《硅光芯片：并非电子芯片的“对头”而是“伙伴”》
（中国粉体网编辑整理/长安）
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