AI時(shí)代，光芯片關(guān)鍵技術(shù)與產(chǎn)業(yè)鏈深度解析

  ICC訊 人工智能技術(shù)的迅速發(fā)展，全球數(shù)據(jù)流量每年呈爆發(fā)式增長(zhǎng)。傳統(tǒng)電芯片在算力與能耗的矛盾中逐漸觸及物理極限，而光芯片憑借其超低傳輸損耗、超寬帶寬和超低延遲的特性，成為突破算力瓶頸的關(guān)鍵技術(shù)。據(jù)預(yù)測(cè)，2027年全球光芯片市場(chǎng)規(guī)模有望達(dá)到56億美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率16%。從800G到1.6T光模塊的量產(chǎn)，再到硅光子技術(shù)與光電共封裝(CPO)的突破，光芯片正重塑全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)格局。

  技術(shù)演進(jìn)：光電融合的必然之路

  集成電路與集成光子的平行發(fā)展在2010年后迎來轉(zhuǎn)折點(diǎn)。隨著摩爾定律失效，光電融合成為延續(xù)技術(shù)進(jìn)步的必然選擇。英特爾是最早研究硅光的巨頭廠商之一，其研究硅光子技術(shù)已經(jīng)超過30年。從2016年推出硅光子平臺(tái)后，英特爾已出貨超過800萬個(gè)光子集成電路(PIC)和超過320萬個(gè)集成片上激光器，這些產(chǎn)品被很多大型云服務(wù)提供商采用。

  英特爾的硅光技術(shù)，是用CMOS制造工藝，把激光器、調(diào)制器、探測(cè)器等光學(xué)器件與電路集成在同一塊硅基片上，實(shí)現(xiàn)電子與光學(xué)結(jié)合。

  中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所研究員歐欣領(lǐng)銜的團(tuán)隊(duì)2024年開發(fā)出鉭酸鋰異質(zhì)集成晶圓，并成功用其制作高性能光子芯片。歐欣介紹，不同于電子芯片以電流為信息載體，光子芯片以光波為信息載體，能實(shí)現(xiàn)低功耗、高帶寬、低時(shí)延的效果。不過，現(xiàn)階段的光子芯片受限于材料和技術(shù)，面臨效率較低、功能單一、成本較高等挑戰(zhàn)。

  類似于電子芯片將電路刻在硅晶圓上，團(tuán)隊(duì)將光子芯片的光波導(dǎo)刻在鉭酸鋰異質(zhì)集成晶圓上。該集成晶圓是由“硅-二氧化硅-鉭酸鋰”組成的“三明治”結(jié)構(gòu)，其關(guān)鍵在于最上層薄約600納米的高質(zhì)量單晶鉭酸鋰薄膜及該薄膜與二氧化硅形成的界面質(zhì)量。

  光芯片與電芯片的本質(zhì)差異體現(xiàn)在信息載體、能耗與應(yīng)用場(chǎng)景等幾個(gè)方面。光子以101?Hz頻率傳輸，支持Tbps級(jí)速率且能耗低至0.1pJ/bit;而電子受限于109Hz 頻率，速率與能耗均處于劣勢(shì)。這種差異決定了光芯片在長(zhǎng)距離通信、AI計(jì)算等場(chǎng)景的不可替代性，而電芯片則在通用計(jì)算、控制邏輯等領(lǐng)域持續(xù)發(fā)揮價(jià)值。

  關(guān)鍵技術(shù)突破：多路徑競(jìng)速的創(chuàng)新格局

  芯片制造技術(shù)呈現(xiàn)多元化發(fā)展。EML芯片通過電吸收層實(shí)現(xiàn)高速調(diào)制，源杰科技2025年推出的100GEML芯片良率突破85%。硅光技術(shù)是將傳統(tǒng)微電子芯片與光子學(xué)融合的技術(shù)，也就是把電子元件和光學(xué)元件“擠”在同一片芯片上。相比傳統(tǒng)微電子芯片，硅光芯片傳輸速率更高、功耗更低，是5G/6G、AI算力網(wǎng)絡(luò)、量子信息等領(lǐng)域的底層技術(shù)，還可以繞開對(duì)EUV光刻機(jī)的依賴，實(shí)現(xiàn)芯片領(lǐng)域“換道超車”。薄膜鈮酸鋰是高性能玻璃狀材料，它能將數(shù)據(jù)傳輸速度顯著提升至1.6至3.2Tb/s，同時(shí)大幅降耗，為數(shù)據(jù)中心帶來前所未有的效率提升，兼具環(huán)境友好性。

  先進(jìn)封裝技術(shù)革命中，CPO與LPO成為焦點(diǎn)。傳統(tǒng)光模塊獨(dú)立于交換芯片，信號(hào)需通過PCB長(zhǎng)距離傳輸，損耗大、功耗高。 而CPO將光引擎與芯片(如GPU、ASIC)集成在同一基板，電信號(hào)傳輸距離從厘米級(jí)壓縮至毫米級(jí)。這一變革使功耗直降50%-70%，英偉達(dá)1.6T光模塊功耗從30W驟降至9W，博通CPO交換機(jī)單通道功耗僅5.5W/800G。傳統(tǒng)光模塊依賴DSP芯片進(jìn)行信號(hào)處理，功耗通常在25W以上，而LPO方案通過移除DSP芯片，功耗降低至10W左右。例如，新易盛的1.6T DR8硅光模塊采用LPO技術(shù)后，功耗降至10W，較傳統(tǒng)DSP模塊降低68%。

  材料科學(xué)的突破為技術(shù)升級(jí)提供支撐。中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所研究員歐欣團(tuán)隊(duì)在鉭酸鋰異質(zhì)集成晶圓及高性能光子芯片制備領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展。歐欣團(tuán)隊(duì)采用基于“萬能離子刀”的異質(zhì)集成技術(shù)，通過氫離子注入結(jié)合晶圓鍵合的方法，制備了高質(zhì)量硅基鉭酸鋰單晶薄膜異質(zhì)晶圓。進(jìn)一步，合作團(tuán)隊(duì)開發(fā)了超低損耗鉭酸鋰光子器件微納加工方法，使對(duì)應(yīng)器件的光學(xué)損耗降低至5.6 dB m-1，這低于其他團(tuán)隊(duì)報(bào)道的晶圓級(jí)鈮酸鋰波導(dǎo)的最低損耗值。

  該研究結(jié)合晶圓級(jí)流片工藝，探討了鉭酸鋰材料內(nèi)低雙折射對(duì)于模式交叉的有效抑制，并驗(yàn)證了可以應(yīng)用于整個(gè)通信波段的鉭酸鋰光子微腔諧振器。鉭酸鋰光子芯片展現(xiàn)出與鈮酸鋰薄膜相當(dāng)?shù)碾姽庹{(diào)制效率;同時(shí)，基于鉭酸鋰光子芯片，該研究首次在X切型電光平臺(tái)中產(chǎn)生了孤子光學(xué)頻率梳，結(jié)合電光可調(diào)諧性質(zhì)，有望在激光雷達(dá)和精密測(cè)量等方面實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。當(dāng)前，該研究已攻關(guān)8英寸晶圓制備技術(shù)，為更大規(guī)模的國(guó)產(chǎn)光電集成芯片和移動(dòng)終端射頻濾波器芯片的發(fā)展奠定了材料基礎(chǔ)。

  產(chǎn)業(yè)鏈解析：從材料到系統(tǒng)的生態(tài)重構(gòu)

  光芯片企業(yè)通常采用lll-V族化合物磷化銦(InP)和砷化家(GaAs)作為芯片的襯底材料，相關(guān)材料具有高頻、高低溫性能好、噪聲小、抗輻射能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，符合高頻通信的特點(diǎn)，因而在光通信芯片領(lǐng)域得到重要應(yīng)用。

  其中，磷化銦(InP)襯底用于制作FP、DFB、EML邊發(fā)射激光器芯片和PIN、APD探測(cè)器芯片，主要應(yīng)用于電信、數(shù)據(jù)中心等中長(zhǎng)距離傳輸;砷化(GaAs)襯底用于制作VCSEL面發(fā)射激光器芯片，主要應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心短距離傳輸、3D感測(cè)等領(lǐng)域。

  磷化銦(InP)和砷化鎵(GaAs)襯底材料，全球90%以上產(chǎn)能由日本住友、美國(guó)AXT等壟斷，國(guó)內(nèi)三安光電、云南鍺業(yè)等逐步突破。

  從分類和功能來看，光芯片可分為有源光芯片和無源光芯片。有源光芯片負(fù)責(zé)光電信號(hào)轉(zhuǎn)換，包括激光器芯片和探測(cè)器芯片;無源光芯片則包括光開關(guān)芯片、光分束器芯片等。

  國(guó)內(nèi)外主要的光芯片研發(fā)和制造企業(yè)有Coherent(II-VI)、Lumentum、Broadcom、Intel、OSRAM、源杰科技、光迅科技、長(zhǎng)光華芯、福建中科光芯、光本位科技、廈門優(yōu)迅等。

  中游制造方面，IDM模式與Foundry模式并行發(fā)展。如，光迅科技實(shí)現(xiàn)從襯底到模塊的全鏈條覆蓋。中科光芯的8英寸光芯片代工線支持EML、VCSEL等多品類制造。

  下游模塊與應(yīng)用市場(chǎng)，中國(guó)廠商已占據(jù)全球光模塊市場(chǎng)重要地位，主要企業(yè)有中際旭創(chuàng)、新易盛、光迅科技、華工科技等。中際旭創(chuàng)占據(jù)全球800G模塊40%市場(chǎng)份額，2025年800G光模塊上半年出貨量超400萬只。新易盛是AWS供應(yīng)鏈核心供應(yīng)商，同時(shí)為Meta、微軟提供800G LPO模塊，2026年規(guī)劃產(chǎn)能450萬只，重點(diǎn)布局硅光+CPO技術(shù)。

  寫在最后

  技術(shù)趨勢(shì)層面，2026年后3.2T光模塊與CPO技術(shù)將進(jìn)入商用階段，光芯片算力密度預(yù)計(jì)提升10倍。薄膜鈮酸鋰、量子點(diǎn)激光器等新材料將推動(dòng)成本進(jìn)一步下探。產(chǎn)業(yè)格局上，中國(guó)廠商在25G以上高速芯片市場(chǎng)份額從2020年的5%提升至2025年的35%，國(guó)產(chǎn)化替代進(jìn)入深水區(qū)。

  戰(zhàn)略價(jià)值方面，光芯片不僅是AI算力的基礎(chǔ)設(shè)施，更是6G通信、量子計(jì)算、生物傳感等前沿領(lǐng)域的核心支撐?！丁笆奈濉毙畔⑼ㄐ判袠I(yè)發(fā)展規(guī)劃》明確提出，到2030年建成全球領(lǐng)先的光芯片產(chǎn)業(yè)集群。在這場(chǎng)光電融合的革命中，技術(shù)突破與產(chǎn)業(yè)生態(tài)的共振正在改寫半導(dǎo)體行業(yè)的底層邏輯。從實(shí)驗(yàn)室到數(shù)據(jù)中心，從通信基站到自動(dòng)駕駛，光芯片正以“隱形冠軍”的姿態(tài)，托舉起一個(gè)萬物智聯(lián)的新時(shí)代。