早在 1979 年，我国科学家钱学森就看好光子学，并环绕光子学提出了光子工业的概念，而到现在许多幻想依然没有完成，许多价值还有待发掘。
现在，光芯片代表的光子学正与电子学引发一场科学革新，芯片从电到光，将是我国完成赶超的战略机会[2]。光子革新已至，但若要光为人所用，其实也没有幻想中那样简单。
现代大多数芯片的实质，便是将环境信号转化为可精密操控的电信号，或将处理过的电信号转化为环境信号的一个进程（如用电发生电热或用洛伦兹力发生磁场）。同理，光也可转化为电信号。完成光电信号彼此转化的中心器材，便是光芯片。没有它，咱们就无法与光沟通。
光芯片早已深化每个人日子之中。你我都知道，家用电脑若要衔接网络，都要装置光纤和“光猫”，让这套体系正常运作的功臣，便是光芯片。
这是因为光子作为信息载体具有先天的优势，可以完成几十 Tb / s 的信息传输速率，完成低交流推迟和高传输带宽，完成多路一起通讯，一起具有超低功耗的体现[2]。研讨显现，光基设备中的数据以光速移动，比较一般电子电路，移动速度快 10 倍。[3]
尽管光芯片是天分型选手，但要在体系中发挥效果，仍是离不开电芯片。二者与 PCB、结构件、套管进一步构成光器材，并以此为根底加工为光模块完成终究功用，终究使用于商场。
现在，光芯片的技能概念有多重意义，包含光通讯、光核算、光量子等，使用广泛散布在工业、消费、轿车、医疗等范畴。但它的典型使用场景依然是光通讯，也是最中心的使用范畴。
光通讯指以光纤为载体传输光信号的大容量数据传输方法，经过光芯片和传输介质完成对光的操控。
在光通讯工业链中，光芯片是最中心的部分，一般分为 2.5Gb / s、10Gb / s、25Gb / s 及以上各种调制速率，速率越快对应的光模块在单位时间内传输的信号量就越大。
与此一起，光芯片也是光模块物料本钱结构中占比最大的部分。一般而言，光芯片约占中端光模块物料本钱的 40%，一些高端光模块中它的物料本钱甚至能占到 50% 以上[5]，反观电芯片的本钱一般占比为 10%~30%，越高速、高端的光模块电芯片本钱占比越高。[6]
按功用，光芯片首要分为激光器芯片和探测器芯片两类。激光器芯片用于发射信号，将电信号转化为光信号，按出光结构进一步分为面发射芯片和边发射芯片，首要包含 VCSEL、FP、DFB、EML；探测器芯片用于接纳信号，将光信号转化为电信号，首要包含 PIN 和 APD。
对光芯片来说，商场最大的诉求是高速率和高带宽。自上世纪 60 年代开端，光芯片就在资料、结构规划、组件集成和出产工艺方面不断改进。现在 EML 激光器芯片大规划商用最高速率已达 100Gb / s，DFB 和 VCSEL 激光器芯片大规划商用最高速率已达 50Gb / s，与此一起，这些改动也让光芯片具有向更宽广使用范畴开展供给底气，比如车载激光雷达、医疗等。[4]
光芯片的出产制作是难点。出产工序依序为 MOCVD 外延成长、光栅工艺、光波导制作、金属化工艺、端面镀膜、自动化芯片测验、芯片高频测验、可靠性测验验证等。其间，外延工艺是光芯片出产中最首要和最高技能门槛的环节，工艺水平直接决议了本钱的性能指标和可靠性。一款优异的光芯片背面，是昂扬的投入、极长的研制周期、较大的研制危险以及极快的技能更新速度。
因为光芯片处在工业链上游，会牵扯出杂乱的原资料问题。其自身一般由化合物半导体所制作，首要以砷化镓（GaAs）和磷化铟（InP）为代表的 III-V 族资料为衬底，经过内部能级跃迁进程随同的光子的发生和吸收，从而完成光电信号彼此转化。除此之外，制作进程中还会用到电子特气、光刻胶、湿电子化学品等原资料。
光芯片作为上游元件，商场首要受下流光模块拉动。据国信证券测算，以光模块职业均匀 25% 的毛利率及 Light Counting 对光模块全球超 150 亿美元的商场规划猜测预算，2021 年光芯片全球商场规划约为 35 亿美元，估计 2025 年可达 60 亿美元。[7]
跟着数据量需求爆破式增加，人们对光芯片的速率要求越来越高，而学术界和工业界则将目光放到了硅光芯片上。
展望未来 3 年，硅光芯片（或光电交融）将是光通讯的一大趋势，它将支撑大型数据中心的高速信息传输。现在，硅光芯片技能研讨由美国、欧洲和日本引领，100Gb / s、200Gb / s、400Gb / s 硅光系列产品占有全球相干光模块商场约 30% 以上。[8]
望文生义，硅光芯片便是在硅光子和硅电子芯片上扬长避短，发挥二者优势。这一概念早在 40 年前就已诞生，但硅基发光一向是巨大难题，因而一般是以硅资料为基底，引进多种资料完成发光[9]，分为 SOI（绝缘体上硅）、SiN、III-V 族（GaAs 和 InP）、硅衬底上铌酸锂薄膜四种制作渠道。[10]
杂乱的资料学问题引发更多技能难题，比如硅光耦合工艺、晶圆自动测验及切开、硅光芯片的规划东西等技能应战。别的，受制于工业链、工艺水平约束，硅光芯片还没有在产能、本钱、良率上凸显优势。不过，硅光芯片的颠覆性引发了研讨热潮，技能日趋老练，行将进入规划化商用阶段。[11]
硅光芯片的效果远不至此，它具有高运算速度、低功耗、低时延等特色，在制作工艺上，与微电子器材相似，但又不用寻求工艺尺度的极限缩小，也许是协助人们打破摩尔规律天花板的要害[12]。更重要的是，做好它就相当于打通光子工业的关节。科学家遍及认为，光子可以像电子相同作为信息载体来生成、处理、传输信息，其间光核算便是重要先进范畴之一。光通讯的光电转化技能可以使用在光核算中，而光核算所要求的低损耗、高密度光子集成也会进一步促进光通讯开展。未来 5 年~10 年，以硅光芯片为根底的光核算将逐步代替电子芯片的部分核算场景。[13]
据 Yole 猜测，从 2020 年到 2026 年，硅光芯片的全球商场规划将从 8700 万美元升至 11 亿美元。其间，顾客健康、数据中心、光子核算、共封装引擎、长距离收发器将是首要细分商场。[14]
欧美日在光芯片上技能起步早、堆集多，是商场的主导者。这些国家的研讨组织和先进企业经过不断堆集中心技能和出产工艺，逐步完成工业闭环，树立起了极高的职业壁垒。
反观国内则起步较晚，高速率光芯片（25Gb / s 及以上速率）严峻依靠进口，与国外工业领先水平存在显着距离。数据显现，我国 2.5Gb / s 光通讯芯片国产化率挨近 50%，但 10Gb / s 及以上的光通讯芯片国产化率却不超越 5%，十分依靠 Lumentum、Broadcom、三菱、住友等公司。[16]
与此一起，尽管光芯片国产商遍及具有晶圆外延环节以外的后端加工才能，但中心的外延技能并不老练，高端的外延片需求进口，大大约束了高端光芯片开展。
2017 年，我国电子元件职业协会发布的《我国光电子器材工业技能开展道路 年）》中指出，我国厂商只把握了 10Gb / s 速率及以下的激光器、探测器、调制器芯片以及 PLC / AWG 芯片的制作工艺和配套 IC 的规划、封测才能，高端芯片才能比世界落后 1~2 代以上，且缺少完好、安稳的光芯片加工渠道和人才，导致芯片研制周期长、功率低，逐步与国外的距离拉大。彼时清晰了重点是 25Gb / s 及以上速率激光器和探测器芯片。[18]
到了 2022 年，国产高端光芯片有显着打破，但仍旧大幅落后于世界巨子。而要害的 25Gb / s 激光器和探测器芯片方面，源杰科技、武汉敏芯、云岭光电、光迅科技等企业开端量产，不过全体出售规划依然较小。以源杰科技为例，其 10Gb / s、25Gb / s 激光器芯片系列产品出货量在国内同类产品中已独占鳌头，但其 2022 年上半年出售额仅为 4100 万元。[19]
对国产光芯片追逐者来说，分工形式是要害。芯片职业分为 Fabless（规划公司）和 IDM（规划、制作、封装全流程）两种形式，其间 IDM 形式是主导光芯片的首要形式。一方面，光芯片的中心在于晶圆外延技能；另一方面，因为选用 III-V 族半导体资料，因而要求光芯片规划与晶圆制作环节彼此反应验证。
纵览商场，国产光芯片典型玩家均挑选了 IDM 形式，如仕佳光子、长光华芯、源杰科技。一方面，IDM 可以及时呼应商场需求，灵敏调整产品出产进程中各种工艺参数；另一方面，可以高效排查问题，精准触达产品规划、出产、测验环节问题；别的，IDM 形式形成了完好的闭环流程，不只悉数自主可控，一起可以有用维护知识产权。[21]
近两年，光芯片在投融资界也热烈反常。据果壳硬科技核算，25Gb / s 及以上高速率光芯片、车用激光雷达芯片和硅光电子（光电交融）是最为抢手和吸金的赛道，也是商业化较近的项目。另一些项目则更聚集在未来，如光核算、光量子，这些项目商业化进程动辄十年、二十年，十分具有前瞻性。
把握先进的光芯片技能，是各国争相竞逐的要害。以美国为例，不只在方针上不断歪斜，以 IBM、Intel 为代表的工业巨子、以 MIT、UCSB 为代表的学术界领军组织都在竭尽全力地开展大规划光子集成芯片。别的，欧盟的“地平线”方案和日本的“先端研讨开发方案”中也触及光电子集成研讨项目。[22]
中科创星开创合伙人米磊曾提出“米 70 规律”，即光学技能是推进科技产品前进的要害瓶颈技能，光学本钱占未来一切科技产品本钱的 70％。[23]
纵观前史，科技革新的分散周期大约为 60 年，集成电路从 20 世纪 60 年代诞生至今也已曩昔 60 年[2]，光芯片无疑是引领下一个 60 年的要害。当然，光子也并不是要彻底代替掉电子，而是彼此协同。
归于光芯片的年代现已到来，但芯片职业一向严酷地循环着优胜劣汰和洗牌，谁能追逐得更快，谁才会成功。
[10] 马浩然，李筱敏，王曰海，杨建义.硅基光子芯片研讨进展与应战 [J].半导体光电，2022,43 (02):218-229.