AI時代，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。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，2027年全球光芯片市場規(guī)模有望達到56億美元，年復(fù)合增長率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體產(chǎn)業(yè)格局。

  技術(shù)演進：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。隨著摩爾定律失效，光電融合成為延續(xù)技術(shù)進步的必然選擇。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年推出硅光子平臺后，英特爾已出貨超過800萬個光子集成電路(PIC)和超過320萬個集成片上激光器，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、探測器等光學器件與電路集成在同一塊硅基片上，實現(xiàn)電子與光學結(jié)合。

  中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所研究員歐欣領(lǐng)銜的團隊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，能實現(xiàn)低功耗、高帶寬、低時延的效果。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，團隊將光子芯片的光波導刻在鉭酸鋰異質(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)用場景等幾個方面。光子以101?Hz頻率傳輸，支持Tbps級速率且能耗低至0.1pJ/bit;而電子受限于109Hz 頻率，速率與能耗均處于劣勢。這種差異決定了光芯片在長距離通信、AI計算等場景的不可替代性，而電芯片則在通用計算、控制邏輯等領(lǐng)域持續(xù)發(fā)揮價值。

  關(guān)鍵技術(shù)突破：多路徑競速的創(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融合的技術(shù)，也就是把電子元件和光學元件“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EUV光刻機的依賴，實現(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。

  先進封裝技術(shù)革命中，CPO與LPO成為焦點。傳統(tǒng)光模塊獨立于交換芯片，信號需通過PCB長距離傳輸，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，電信號傳輸距離從厘米級壓縮至毫米級。這一變革使功耗直降50%-70%，英偉達1.6T光模塊功耗從30W驟降至9W，博通CPO交換機單通道功耗僅5.5W/800G。傳統(tǒng)光模塊依賴DSP芯片進行信號處理，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%。

  材料科學的突破為技術(shù)升級提供支撐。中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所研究員歐欣團隊在鉭酸鋰異質(zhì)集成晶圓及高性能光子芯片制備領(lǐng)域取得突破性進展。歐欣團隊采用基于“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。進一步，合作團隊開發(fā)了超低損耗鉭酸鋰光子器件微納加工方法，使對應(yīng)器件的光學損耗降低至5.6 dB m-1，這低于其他團隊報道的晶圓級鈮酸鋰波導的最低損耗值。

  該研究結(jié)合晶圓級流片工藝，探討了鉭酸鋰材料內(nèi)低雙折射對于模式交叉的有效抑制，并驗證了可以應(yīng)用于整個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?shù)碾姽庹{(diào)制效率;同時，基于鉭酸鋰光子芯片，該研究首次在X切型電光平臺中產(chǎn)生了孤子光學頻率梳，結(jié)合電光可調(diào)諧性質(zhì)，有望在激光雷達和精密測量等方面實現(xiàn)應(yīng)用。當前，該研究已攻關(guān)8英寸晶圓制備技術(shù)，為更大規(guī)模的國產(chǎn)光電集成芯片和移動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、抗輻射能力強等優(yōu)點，符合高頻通信的特點，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探測器芯片，主要應(yīng)用于電信、數(shù)據(jù)中心等中長距離傳輸;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AXT等壟斷，國內(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。有源光芯片負責光電信號轉(zhuǎn)換，包括激光器芯片和探測器芯片;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，中國廠商已占據(jù)全球光模塊市場重要地位，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，同時為Meta、微軟提供800G LPO模塊，2026年規(guī)劃產(chǎn)能450萬只，重點布局硅光+CPO技術(shù)。

  寫在最后

  技術(shù)趨勢層面，2026年后3.2T光模塊與CPO技術(shù)將進入商用階段，光芯片算力密度預(yù)計提升10倍。薄膜鈮酸鋰、量子點激光器等新材料將推動成本進一步下探。產(chǎn)業(yè)格局上，中國廠商在25G以上高速芯片市場份額從2020年的5%提升至2025年的35%，國產(chǎn)化替代進入深水區(qū)。

  戰(zhàn)略價值方面，光芯片不僅是AI算力的基礎(chǔ)設(shè)施，更是6G通信、量子計算、生物傳感等前沿領(lǐng)域的核心支撐。《“十四五”信息通信行業(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體行業(yè)的底層邏輯。從實驗室到數(shù)據(jù)中心，從通信基站到自動駕駛，光芯片正以“隱形冠軍”的姿態(tài)，托舉起一個萬物智聯(lián)的新時代。