光子集成电路，下一个前沿领域

先进光学与光子技术可以操控、传输光信号，光纤与光放大器已经借助这类技术给通信行业带来变革。光子集成电路（PIC）是先进光子系统的下一个前沿方向，体积远小于多数传统光学系统。光子集成电路本质上相当于光子版本的微型半导体电子芯片，随着技术持续迭代，芯片尺寸不断缩小，性能持续提升。

什么是光子集成电路（PIC）？

PIC，也叫平面光波导电路、集成光电路，是一种使用光子而非电子来生成、传输与处理信息的微芯片。与之对应的电子器件就是集成电路（IC）。集成电路内置电阻、电感、晶体管、电容等电子元器件，依靠电子实现工作。

而光子集成电路拥有一套对应的光学器件：相当于导线的光波导、激光器、偏振器、光放大器、光电探测器以及相位调制器。这套器件组合，可以在光子集成电路芯片上完成可见光或者近红外光的生成、传输、调制与检测。

“光子集成电路与传统电子集成电路的目标一致，都是把复杂功能集成到体积小巧、可规模化生产的芯片上。但二者的信息载体存在本质区别，由此带来设计思路、性能上限与应用场景的差异。” 伦敦大学学院（UCL）半导体光子学教授Huiyun Liu表示，“电子电路依靠电子工作，而光子集成电路依靠光波导传导的光子。”

Huiyun Liu，伦敦大学学院（UCL）半导体光子学教授

集成电路与光子集成电路所用材料同样不一样。电子系统大多基于硅材料，采用互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺制造。而光子集成电路会用到多种电光晶体，包括氮化硅、铌酸锂、砷化镓、磷化铟。

光子可以在极高频率（数百太赫兹）下承载信息，并且不受电串扰与电磁干扰影响。电子互连会面临电阻损耗、电容损耗问题，光子的这一特性，使其非常适合高带宽、长距离的数据传输。

“电子电路擅长逻辑运算、存储与控制，但在高速数据场景下，互连带宽与功耗表现会变差。”Huiyun Liu谈道，“光子集成电路借助波分复用实现极高的带宽密度，中长距离链路中，传输每比特数据的能耗更低。光子集成电路是对电子电路的补充，并不会取而代之。”

Huiyun Liu表示，电子集成电路受益于数十年CMOS工艺迭代，拥有成熟的标准化器件库；光子集成电路发展时间更短，面临不少难题。“硅并不适合制作激光器这类发光器件，因此三五族‑硅（III‑V/Si）集成（例如硅基量子点激光器）至关重要，它能够提供可兼容CMOS制造工艺、可规模化的片上光源。”

光子集成电路器件组成

光子集成电路内部的电路实际是光通路，光信号沿着通路传输，由芯片上各类微型器件完成信号调控。根据应用场景不同，内部光路结构会有所区别。随着光子器件做得更小、效率更高，单颗芯片可以集成更多光学元器件，进一步提升光子集成电路在光电器件中的价值。

光子集成电路内部器件分为光源、调制器、放大器、信号传输单元、探测器，总体分为无源器件与有源器件两大类。无源光子器件不需要电信号输入，完全依靠光学方式工作；有源器件则需要电信号输入（调制）或者输出（传感），属于光电器件。

下表为光子集成电路主要器件及其功能：

工程师为何关注光子集成电路

“现代数字系统中，数据搬运而非计算本身，已经成为主要性能瓶颈，数据中心与AI基础设施尤为明显，这推动行业对光子集成电路的需求快速增长。”Huiyun Liu说道。光子传输速度远超电子，可以大幅提升数据中心、AI基础设施的工作效率。

尽管光子集成电路成熟度不及电子集成电路，但拥有多项独特优势。同等空间内，可以集成比其他光电系统数量更多的功能器件，行业对光子芯片的追捧，和当年电子芯片崛起的逻辑类似，唯一差别就是信息传输载体不同。光子集成电路整体体积更小，有利于制造小型化的数据通信设备；同时故障模式更少，可靠性更高。

对比电子电路，不光光子传播速度高于电子；传统电路会因为电阻产生大量热量，带来严重信号衰减，光子集成电路功耗效率优于电子电路。正如Huiyun Liu所说，光子集成电路和集成电路属于互补而非竞争关系，二者可以在单片集成系统与光电系统中结合使用。

设计层面的挑战

尽管光子集成电路优势突出，但器件结构复杂，对工程设计要求严苛。超快光子的行为特性、光子和不同材料之间的相互作用，以及芯片内部光信号频率、幅值、相位的改变，带来十分复杂的物理效应。

“最大挑战在于：硅无法高效发光，但激光器又是光互连必不可少的器件。”Huiyun Liu表示，“三五族‑硅集成技术可以把高性能激光材料和硅光子平台结合。如今晶圆键合、外延生长工艺已经足够成熟，可以支持量产；其中硅基量子点激光器前景尤其可观，抗缺陷能力更强、温度稳定性更好、器件寿命更长。”

光子集成电路的封装成本很高，是整套产品成本占比很高的一环。晶圆级、面板级装配工艺，搭配新型外壳材料，正在帮助降低成本、优化制造流程。业内预计未来光子集成电路成本结构会向其他高科技产品靠拢：材料成本约占80%，装配与测试占20%。

仿真工具能够在制造实物原型之前优化设计、缩短开发周期。“想要应对光子集成电路独特的设计难题，需要专用的光子仿真与版图工具。合适的建模、版图工具，不光缩短设计周期，还可以减少迭代次数，更快拿到合格设计。”Huiyun Liu说。依托先进仿真软件与高性能计算，光子集成电路的设计难点正在逐步被攻克。

行业应用场景

随着仿真、制造工艺进步，光子集成电路持续拓展新应用领域，能够设计、制造体积更小、性能更强、功能更丰富的光子芯片，在通信、传感、计算、数据处理领域打开全新应用空间。以下是正在快速落地的行业方向：

光通信：光子集成电路最典型的应用领域，通信设备大量使用微型光学元器件。光子集成电路可用作放大器、复用器，提升高速光纤网络的数据传输能力；光子集成电路光收发模块可实现计算机、通信基站之间的互联。未来还可以借助光保真（Li‑Fi）技术，在智慧城市网络中连接多台智能车辆。

激光雷达传感：自动驾驶广泛使用激光雷达，依靠激光脉冲感知周边环境；激光雷达发射端输出特定光脉冲，就需要光子集成电路实现。

芯片实验室：光子集成电路可用于芯片实验室诊断设备，检测多种疾病。芯片实验室平台同时集成光学与电子器件：利用光线检测体液样本，电子部分输出可读检测结果。芯片实验室器件整体尺寸很小，光子集成电路小巧的特性非常适配这类诊断平台。

量子计算：量子计算机量子比特分为电子基、光子基两类。光子量子计算中，小型光子集成电路至关重要：用于量子态的控制与测量，充当经典计算机和量子计算机之间的桥梁，还可以实现多台量子计算机之间的量子组网。

人工智能与机器学习（ML）：光子集成电路在AI与机器学习领域潜力巨大，属于未来重点增长赛道。目前光子集成电路已经用于计算机之间的高速光通信；未来神经网络可以大量受益于光子集成电路。仿真层面，AI辅助仿真工具也在开发性能更适配AI / 机器学习业务的光子集成电路。

被问及未来光子集成电路行业发展格局时，Huiyun Liu谈道：“在我看来，光子集成电路的发展方向，是让光学器件越来越靠近数据生成与数据处理的位置。未来五年，受更高带宽、单比特低能耗需求驱动，借助晶圆键合工艺，光子集成电路会大规模部署在数据中心、AI互连场景。再往后，光输入输出接口，以及三五族‑硅更加紧密的单片光电集成，很可能重塑整套系统架构，对高密度、低成本的大规模AI系统意义重大。”