关于光芯片的研发，国内已经走在了前头，华为拥有了诸多的技术专利，这也被认为是芯片的“革命技术”，和目前所使用的硅基芯片，完全属于两个概念，并且在各方面的优势也较为明显。

虽然光电子器件的概念源自于通讯领域，但通过论证是可应用于整个半导体领域的，除了通讯系统之外，在工业、消费电子、汽车等等领域，均能够有着广泛且深入的应用。

官方也把光芯片评为“时代风口”，相比于之前提到的碳基芯片，光芯片存在的可能性是更大的，在这新一轮的科技革命中，国产替代能否实现逆袭呢？光芯片又能起到什么作用呢？

光芯片的概念

常见的数字芯片、模拟芯片等等属于集成电路，而光芯片则属于分立器件大类下的光电子器件，二者虽然同属于半导体领域范畴，但却有着完全不同的技术构成，集成电路是以晶体管作为载体，而光芯片则以光信号为信息载体，激光器、探测器是其重要组成部分。

而整个接受过程可以参照“光纤传输”，发射端的激光器将电信号转化为光信号，通过“光纤”传输至接收端的探测器的光芯片，随后完成光电转换的步骤，转化为可用的电信号，两头的光芯片起到关键作用，传输速度和可靠性就是由它决定的。

目前在科研领域，已经证实了光芯片的实用性，除了通讯领域之外，后续将会被转移到工业、消费电子、汽车等等主要领域，未来将会是光子大规模替代传统电子的年代，这将会成为后摩尔时代的科技革命，根据专业机构推测，到2025年全球规模将突破9000亿欧元市值。

而光通信是光芯片的核心，其中激光器芯片和探测器芯片应用最广泛，不同的技术应对着不同的使用范围，从工作原理上进行分析的话，施加一定激励方式是激光器芯片的核心，经过一系列的反应，最终形成相位和方向高度一致的光子，也就是我们常说的“发射激光”！

而探测器芯片就比较好理解了，就是常说的“光电效应”，利用“雪崩击穿效应”获得内部电流增益，促使获得更高的灵敏度，经由两个重要零部件的相互配合，形成了一个完整的光通信原理。

目前国内千兆网络服务能力的10G PON光模块火热，截止到今年的6月份，国内具备升级条件的端口已经达到了1103万个，博创科技、中际旭创、华工科技、光迅科技等中企，都具备了相对应的技术。

2022年第二季度，亚马逊、Mate、微软、谷歌这四家企业，在该领域的资本性支出（ CAPEX）上达到了370亿美元，同比增长了19.9%，越来越多的企业开始重视光电产业的发展，说明光芯片已经站在了“时代的风口”上，谁能率先突破就能掌控未来的局面。

突破传统飞秒激光的光衍射极限

2022年9月14日晚间，国际顶级学术期刊《自然》发表文章，宣布南京大学张勇、肖敏、祝世宁领衔的科研团队，发明了一种新型“非互易飞秒激光极化铁电畴”技术，将飞秒脉冲激光聚焦于材料“铌酸锂”的晶体内部，通过控制激光移动的方向，在晶体内部形成有效电场，实现三维结构的直写和擦除。

论文刊登在2022年9月15日的《Nature》上

该技术突破了传统飞秒激光的光衍射极限，把光雕刻铌酸锂三维结构的尺寸，从传统的1微米量级首次缩小到纳米级，达到30纳米，大大提高了加工精度，也标志着我国科学家在下一代光电芯片制造领域实现重大突破。

相关报道强调，这一重大发明，未来或可开辟光电芯片制造新赛道，有望用于光电调制器、声学滤波器、非易失铁电存储器等关键光电器件芯片制备，在5G/6G通讯、光计算、人工智能等领域有广泛的应用前景。

立于时代风口的光芯片

根据Photonics21发布的《Market Data and Industry Report 2020》显示，自2015年以来，光子产业链全球市场规模以每年7%的速度增长。其中，2019年的全球市场规模达到6900亿欧元，预计2025年将进一步增至9000亿欧元。而在下游数字通信（数通）和电信领域双轮驱动下，光芯片拥有极大成长空间。

从行业层面来看，根据Lightcounting的统计，2020年和2021年由于新冠疫情，人们开始转向居家办公，因而对更快、更高可靠性的网络的需求更为强烈。因此虽然供应链短缺因素仍在持续，但是行业能够很大程度上克服这些问题，光芯片所在的光模块行业在2020年和2021年实现了17%和9%的增长，Lightcounting预测2022年有望再次实现17%的收入增长。

从市场上看，消费光子时代来临，集成电路将走向集成光路时代，将带来万亿美金市场。光电芯片成为消费光子时代的核心基础，苹果、华为、英特尔、思科、IBM等国际顶尖公司纷纷布局光电芯片。国内则涌现出了陕西源杰半导体、奇芯光电等一批芯片企业，面向新一代高速光通讯、光计算、光传感需求，聚焦光子材料与光子芯片研发制造，抢占新兴战略产业技术制高点。

从芯片制备角度，光芯片制备的工艺流程与集成电路芯片有一定相似性但侧 重点不同，光芯片最核心的是外延环节。光芯片的制备流程同样包含了外延、光刻、 刻蚀、芯片封测等环节。

但就侧重点而言，光刻是集成电路芯片最重要的工艺环节， 其直接决定了芯片的制程以及性能水平。与集成电路芯片不同，光芯片对制程要求 相对不高，外延设计及制造是核心，该环节技术门槛最高。以激光器芯片为例，其 决定了输出光特性以及光电转化效率。

然而，全球高端光芯片基本被国外厂商垄断。我国在高端芯片领域的自主技术研发和投入实力方面相对较弱，目前主要集中在中低端光芯片产品的研发、制造。全球主要光器件厂家均积极布局有源光芯片、器件与光模块产品，并达到 100Gb/s 速率及以上的水平。

在中兴、华为等通信设备的强势助攻下，中国成为世界上最大的光器件消费大国，市场占比约为 35%。国内企业在无源器件、低速光收发模块等中低端细分市场较强，然而以高速率为主要特征的高端光芯片技术，还掌握在美日企业手中（美、日企业占据了全球高端光芯片超过 50%市场份额，占据我国高端光芯片 90%以上的市场份额），我国高速率光芯片国产化率仅 3%左右。

华为10G 单模单纤、10km光模块

国内企业目前只掌握了10Gb/s 速率及以下的激光器、探测器、调制器芯片，以及 PLC/AWG 芯片的制造工艺以及配套IC的设计、封测能力，25Gb/s的工艺能力及产能配套都无法形成规模；单通道 25Gbps 光芯片大部分已可国产化，电芯片部分国产化，但绝大多数 25Gb/s 速率模块使用的光电芯片只能做到小批量供货，大部分还要依赖进口。50Gbps以上的光电芯片，只有很少部分器件可国产化。

从产品路线来看，布局 DFB 激光器和 PIN 探测器的厂家更为集中，而 VCSEL 的厂商较多，但由于人脸识别等传感市场的空间更多，所以仅专注于数通市场的厂家则较少。

当前中国光芯片企业已经可以实现10G及以下的DFB 、APD等光芯片进口替代，中国10G速率及以下光芯片国产化率已于2020年实现完全替代，在接入网市场已经可以实现完全自给自足，但 1577nm EML 仍依赖进口，国产化仍在进一步验证中；不过在 25Gbps 以上，尤其是EML激光器芯片依然严重依赖进口，国产化芯片仍在验证提升的阶段，大规模供应仍有待进一步突破。但值得一提的是，受益于我国 5G 规模建设的提速、光芯片政策扶持以及全球化贸易摩擦，中国光芯片企业竞争力正在快速提升。

在这样的情况之下，国内企业在做怎样的努力？

国内企业的努力

1.Lightmatter

目前钻研光子集成电路的初创企业并不少，但他们的光子计算核心原理基本相同，打造一个用于通用矩阵乘法运算（GEMM）的光子矩阵，再集成DAC、ADC、跨阻放大器（TIA）和光电探测器（PD）等其他模拟和光电器件，来替代目前深度学习和科学计算任务中的其他ASIC硬件。

Lightmatter在集成度上已经做到了很高的水平，甚至推出了8"x8"的晶圆级光子芯片。Lightmatter给出的性能指标也相当夸张，配有4个Envise光子芯片的服务器里，同时运行BERT机器学习模型，Envise服务器能实现比英伟达DGX-A100高三倍的推理性能和7倍以上的能效比。

Lightmatter在技术博客中介绍了其原理。高速DAC负责将多位数字信号转换成多电平模拟信号，再通过光调制器转换为光矢量输入。通过光子矩阵的计算后，输出光矢量经过光电探测器、跨阻放大器和ADC，重新回归数字信号。

Lightmatter强调高分辨率的DAC功率较大而且会占用较大的芯片面积，所以它们选择了中分辨率的DAC来保证性能。而且为了满足TIA在高动态范围和大带宽上的要求，反馈电阻不能特别大，TIA之后也要加一个额外的电压放大器。

2.曦智科技

去年年底，与Lightmatter可以称为“同门师兄弟”的曦智科技也发布了旗下首个产品，高性能光子计算处理器PACE。在PACE中，单个光子芯片集成了超了一万个光子器件，时钟速度达到1GHz。根据曦智科技的说法，PACE在运行特定循环神经网络时，速度可以达到高端GPU的数百倍。

PACE包含了一个64x64的光学矩阵，由集成硅光芯片和CMOS芯片3D堆叠而成，从Cadence发布的视频来看，曦智科技的3D封装应该是基于Cadence的Integrity 3D-IC和Innovus平台打造与设计的。

曦智科技强调，靠光子矩阵的光子计算和光子互联，不仅可以实现更强大的并行能力和更低的延迟，能效上也与电子IC相当，工艺要求却不高。所以对于数据中心等场景来说，是一个替代GPU的低成本高性能方案。

3.大规模光子集成芯片专项

从以上两家公司的成果可以看出，对于光子集成电路来说，最重要的一个是计算，另一个是互联，前者保证了性能，后者保证了扩展性和延迟。要攻克这些目标无疑需要更大的投入和研究，随着国外光子集成的研究已经起步，我国也早已认识到这一点，并在2016年启动了“大规模光子集成”芯片这一中科院战略性先导科技专项。

该专项分为三个目标，短期目标是在5年内，先解决目前集成电路面临的访存墙和I/O墙问题，互联交换带宽要达到3.2Tbps；中期目标则是利用大规模并行架构的光电混合计算芯片实现5万亿次矩阵乘加计算的处理能力，并以此开发深度学习计算机；长期目标则是面向未来的量子计算，推出超大规模的片上网络，在特定算法上性能彻底超过电子计算。

很明显，这样一个专项任务是一个复杂的工程，所以也分配给了半导体所、上海微系统与信息技术所、西安光学精密机械所以及计算技术所来合作完成。而该专项现阶段的结果已经达到了国际领先的集成规模，实现了单片集成15408个基础元件的16x16光学交叉矩阵芯片。

国产替代能否“弯道超车”？

根据Lightcounting 预测，激光器芯片规模到2027年将达到了23.5亿美元，而国内厂商的份额刚刚过亿，因此还是有很大的成长空间的，在华为、中兴等一众企业崛起之后，目前全球十大厂商当中，中企已经占据了半壁江山。

相对而言在供应链优势上，国内是要比欧美更加完善的，但受到历史原因方面的影响，目前上游的光芯片环节依然在他们手上，海外主导着高端产品，在综合实力上还是存在一定的差距，但在国家的大力扶持之下，在光电芯片领域，国内同样有着欧美未掌握的核心技术。

光芯片所展现出来的优势明显，在技术相对成熟之后，将处于半导体产业的顶端，探索新技术是目前中企的首要责任，如果后续能将光子和集成电路结合在一起，将有效的形成“片上光互联”，这对于更为深入的科研，是有着很大的助力的。

在这项颠覆性的技术诞生之后，华为一切的问题都将迎刃而解，凭借着在该领域的技术地位，也能够彻底的摆脱欧美技术体系的封锁，华为能够在5G技术上实现弯道超车，自然在光信通讯技术上也是齐头并进的。

在芯片供应被中断华为，华为就积极合作国内企业、研究所，展开全产业链技术的布局，实现全面的国产替代计划，而光电芯片国产化将成为最重要的一个步骤，对此你们是怎么看的呢？

文章来源： 圈聊科技，电脑报评论，电子发烧友