光子芯片技术发展现状及趋势分析

　　以电子驱动的集成电路（芯片）产业已经发展了半个多世纪，自从它出现以后，人类的生活、工作等活动就发生了翻天覆地的变化。集成电路、半导体逐渐成为了信息产业的基石，已经是人类社会活动不可或缺的重要组成。

　　信息产业发展源于芯片，在此基础上，出现了计算机，计算机又催生并推动了软件业。自从PC普及到每个家庭和每个人之后，又推动了互联网的快速发展和普及，随之而来的是路由器、交换机，以及光纤基础设施的涌现和普及。也就是在此时，光通信逐步进入了人类的工作和生活，且应用越来越广，重要性与日俱增。

　　这里有两个重要的时间点：1960年，美国物理学家梅曼发明了世界首台激光器，人类第一次有了如此单色性好、高准直、高能量密度的光源；1964年，中国科学院西安光学精密机械研究所完成了高速摄影机的研制，拍摄到我国第一颗原子弹爆炸的瞬间过程。

　　以电子驱动的集成电路业发展一直遵循摩尔定律，但经过半个多世纪的发展，该定律逐步呈现失效的态势。当下的半导体产业，如果按照摩尔定律判定的话，已经进入到了一个瓶颈期，这就需要新的产业驱动力量。光子芯片正是这样一股力量。

　　如当年集成电路开创信息时代一样，当下，已经普及的光通信正在成为新革命力量的开路先锋，与此同时，光子芯片正在从分离式器件向集成光路演进，在不久的将来有望取得更好的发展。

　　相对于电子驱动的集成电路，光子芯片有超高速率，超低功耗等特点，利用光信号进行数据获取、传输、计算、存储和显示的光子芯片，具有非常广阔的发展空间和巨大的潜能。未来，光子芯片将成为5G和人工智能时代的关键基石，因为无论是互联网、5G，还是物联网，基础设施都离不开光纤和光学器件。

　　未来，集成光路一定是人工智能时代的基础设施，而5G，以及之后的6G网络是人工智能的主要通信载体，其将光通信的速度提升了4倍以上，如100G的光模块开始向400G演进。

　　除了通信，光子芯片在计算、存储和显示方面也发挥着越来越重要的作用，现在的云计算和数据中心里面，已经大量采用了光收发模块，Google现在已经是全球最大的光器件采购商了。而信息的显示本身就是光学。以AR、VR为代表的3D感知和显示已经崭露头角，最具代表性的，就是在2017年问世的iPhone X，它在业内首先商用了Face ID，在手机里开始加大了光学成本，Face ID里面用了三个VCSEL激光器。如中科创星创始合伙人米磊所说，iPhone X拉开了消费光子时代的序幕。

　　进入2020年以后，突发的疫情影响着全人类的健康，红外测温设备、投影式红外成像设备、AR/5G远程会诊系统等光学领域多项技术，在抗击新冠疫情的过程中，起到了重要的支撑作用，也是光子芯片发展的加速器。

　　光通信、感知与计算

　　目前来看，光子技术主要用在通信、感知和计算方面，而光通信是这三者当中应用最为广泛的，而光计算还处于实验室研究阶段，距离大规模商用还有一段距离。

　　光通信已经商用很多年，市场广大，相对也比较成熟，不过，核心技术和市场都被欧美那几家大厂控制着，如II-VI，该公司收购了另一家知名的光通信企业Finisar，Finisar的传统优势项目在于交换机光模块。另一家大厂是Lumentum，该公司收购了Oclaro，之后又将光模块业务出售给了CIG剑桥。它们都在为未来光通信市场的竞争进行着技术和市场储备。光电芯片是光通信模块中最重要的器件，谁掌握了更多、更高水平的光芯片技术，谁就会立于不败之地。

　　在光感知方面（主要用于获取自然界的信息），激光雷达是当下的热点技术和应用，特别是随着无人驾驶的逐步成熟，激光雷达的前景被广泛看好，不过，成本控制成为了阻碍其发展的最大障碍，各家传感器厂商也都在这方面绞尽脑汁。另外，还有多种用于大数据量信息获取的光学传感器和光学芯片在研发当中，这也是众多初创型光电芯片企业重点关注的领域。

　　而在光计算方面，硅光技术是业界主流，包括IBM、英特尔，以及中国中科院在内的大企业和研究院所都在研发光CPU，目标是用光计算来解决传统电子驱动集成电路面临的难题。

　　不过，硅基光电子产品的大规模商用还需时日，因为硅光芯片的规模应用同现有的产品技术方案存在着竞争，虽然性能更优，但是硅光的成本很高，硅光芯片需要足够大的量才能摆脱价格方面的劣势，而到目前为止，市场规模最大的数据中心和云计算虽然用到了光电器件，但比重不高，还没有完全向硅光芯片打开大门，而在当下光通信领域的需要量不足以支撑其大规模生产。因此，光计算市场还需要时间培育。

　　政策支持

　　正是看到了光子时代的美好前景，行业领先的半导体企业，以及众多初创企业，纷纷在光子芯片领域重金投入，以求在未来的竞争中占据主动。与此同时，多个国家政府也出台政策，以扶持光子产业发展。

　　上世纪80年代，欧美发达国家就已经在光子芯片领域抓紧布局，美国国防部更是把光子学列为美国的20项关键技术之一。而德国政府则将光子学确定为21世纪保持其在国际市场上先进地位的九大关键技术之一，并投入35亿欧元用于产业研发，并发布了著名的 “地平线2020”计划，加大光电子集成研究。

　　在中国，2018年1月，国家工信部发布了中国光电子器件发展五年路线图（2018-2022），其中明确提及了中国光通信器件产业目标：2022年中低端光电子芯片国产化率超过60%，高端光电子芯片的国产化率突破20%；2022年国内企业占据全球光通信器件市场份额的30%以上，有1家企业进入全球前3名。

　　新时代 新机遇

　　在芯片行业，中国的整体水平暂时落后于人。而在诸如光学传感、生物光子和消费光子等新兴领域，中国与欧美日韩等发达国家差距较小，呈现出群雄逐鹿的态势。

　　因此，光子时代的到来，对中国来说是一个非常重要的机遇。特别是中国现在面临一个问题，就是核心芯片依赖进口，这不禁让我想起了2018年针对中兴通信的贸易禁令，其中，很大一部分是光电芯片和元器件。

　　所以，中国必须要攻克的就是以核心芯片为代表的核心技术，这是中国必须解决的问题。

　　在光电领域也是如此，中国本土也具备了较为完整的设备和模组产业链，但是上游的光电芯片主要依赖进口，国产替代前景广阔。而中兴和华为事件的爆发，加速了芯片国产替代的脚步。

　　2017年，IPhone X手机的结构光人脸识别功能，带动3D传感的爆发，打开了VCSEL在电子消费领域的巨大市场。VCSEL的爆发，使得原本一片空白的国内市场如雨后春笋般地冒出了一批从事VCSEL激光器芯片设计的企业，甚至一些从事大功率激光器芯片的企业也切入VCSEL。同时，ToF凭借较低的成本，也在手机3D感知应用方面迅速蹿红，与VCSEL形成分庭抗礼之势。但是，目前国内产业链还不完善，上下游链条没有完全打通，特别是国内VCSEL外延环节的市场规模还未形成。这是挑战，同时也是投资发展的机遇。

　　投资与共赢

　　综上，光子芯片是朝阳产业，值得投资。

　　特别是5G产业对光电芯片的需求巨大，而且会不断增长，因此，这逐渐成为了政府、投资机构，以及产业孵化器等重要的半导体投入板块。无论是在光发射端、接收端，还是在光电转换端，有越来越多的布局。

　　而在中国，创业和投资需要沉下心来，不能总是频繁转换风口，特别是在半导体和光子芯片这样的高新技术领域，要有十年磨一剑的雄心、魄力和毅力，才能把事情做成功。

　　近些年，一批专注于光电技术和产业发展的投资机构和初创企业得到了越来越多的关注和尊重。投资机构如中科创星、德联资本等。新兴的光电芯片企业在材料、外延、芯片、设备、显示等产业链环节均有布局目前，这些投资机构和芯片企业都做出了成绩。

　　在光电芯片投资领域，中科创星在国内具有较强的代表性，早在2014年，中科创星便已侧重在光电领域的布局，以突破“卡脖子”技术为目标，在信息的获取、传输、存储、计算、显示与交互等细分领域持续组网“修路”。在其投资的90余家半导体企业中，从事光电芯片及相关技术研发的占有很高的权重，代表企业有曦智科技、奇芯光电、鲲游光电、唐晶量子、赛富乐斯、飞芯电子、全磊光电、和其光电、知象光电、中科极光、东超科技等。

　　其中，鲲游光电因为得到了华为哈勃科技的投资而成为了明星企业，其生产的DOE光学元件很有特色。从事VCSEL、射频外延片生产的唐晶量子已开始获得业内主流企业认可。另外，专注车载激光雷达和ToF解决方案的飞芯电子，研发以InP和GaAs为衬底的 III-V 化合物半导体外延片的全磊光电，从事DCT-plate等效负折射率平板透镜研发生产的东超科技等企业，都得到了业内主流投资机构的广泛认可。

　　另外，中科创星还提供平台、设备、基金，专门用于孵化芯片企业。例如，2015年，中科创星和多家科研机构共同发起设立了陕西光子集成电路先导技术研究院，2016年，设立了国内首支专注于光电芯片领域的早期基金——陕西先导光电集成创投基金，总规模10亿元。

　　除了投资和芯片研发之外，产业生态建设也非常重要。因为光器件是我国整个光通信产业链最薄弱的环节，特别是高端芯片和器件，甚至是空白。市场对于光器件产品迭代速度要求越来越高，中国光器件企业要提升技术水平，只依靠企业自身是不够的，需要结合学校、研究院所等科研力量，合作共赢。

　　作为国内顶尖的科研院所，中科院微电子所搭建了国内首个完整硅光工艺流片能力平台，基于8英寸晶圆CMOS工艺线开发了成套硅光技术，包括硅光流片工艺库和基础器件库，制定了硅光器件和芯片的设计规则和工艺规范，形成了硅光PDK。该平台已对外提供包括无源器件和有源器件在内的硅光全流程工艺服务。

　　众人拾柴火焰高，中国光电产业需要更多企事业单位的交流、合作，这就需要打造更多集科技资源统筹、战略智库规划、国际前沿产业化技术研究、高端创新创业人才引进、创业投资与孵化为一体的光电子互通平台。而北京就有这样一个平台，它就是定于 2020 年 11 月 24日（周二）举办的“2020 中国光子产业高峰论坛”。

　　该论坛邀请了知名科学家、行业领袖、知名投资人等共同参与，大家可以在一起分享相关领域的成果与经验，探讨光芯片所面临的问题和动态。如果您是中国光电芯片及相关产业的一份子，诚挚邀请您莅临此次论坛！
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