光子芯片成為光通信“制高點(diǎn)”，論國(guó)內(nèi)外發(fā)展態(tài)勢(shì)

5G 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)快速發(fā)展，信息傳輸容量和速率關(guān)系國(guó)計(jì)民生，光通信產(chǎn)業(yè)由此成為各國(guó)戰(zhàn)略布局的重要領(lǐng)域。誰(shuí)能率先在光芯片技術(shù)上實(shí)現(xiàn)突破，誰(shuí)就能搶占光通信產(chǎn)業(yè)鏈的“制高點(diǎn)”。

光子芯片即將成主流

中科院專家介紹，光芯片正在逐步取代傳統(tǒng)的電芯片，成為通信芯片、人工智能芯片的主流。

光芯片也即光電子通信芯片，主要應(yīng)用于光通信領(lǐng)域，是用來(lái)完成光電信號(hào)轉(zhuǎn)換的。它相當(dāng)于信息中轉(zhuǎn)站，在移動(dòng)設(shè)備上屬于一個(gè)核心設(shè)備。
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光芯片是將磷化銦的發(fā)光屬性和硅的光路由能力整合到單一混合芯片中。當(dāng)給磷化銦施加電壓時(shí)產(chǎn)生光束，光束進(jìn)入硅片的波導(dǎo)，產(chǎn)生持續(xù)的激光束，激光束可以驅(qū)動(dòng)其他硅光子器件。
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在光通訊領(lǐng)域的帶動(dòng)下，硅基光電子技術(shù)在過(guò)去十年成長(zhǎng)顯著。通過(guò)在傳統(tǒng) CMOS 芯片上蝕刻微米級(jí)別的光學(xué)元器件，從而提高光學(xué)元器件的集成度。

光子芯片決定系統(tǒng)性能

與傳統(tǒng)電子芯片相比，具有運(yùn)算速度快、信息失真小、消耗能量少等突出優(yōu)勢(shì)。在光通信系統(tǒng)中，光子芯片占據(jù)著技術(shù)與價(jià)值的制高點(diǎn)，光芯片的性能直接決定著整個(gè)系統(tǒng)的性能。
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作為一種完全不同于電子計(jì)算的技術(shù)，光子計(jì)算以光子為信息處理載體，依賴光硬件而非電子硬件，以光運(yùn)算代替電運(yùn)算，擅長(zhǎng)快速并行處理高度復(fù)雜的計(jì)算任務(wù)，但它一直沒(méi)找到合適的應(yīng)用場(chǎng)景，且受限于傳統(tǒng)分離式光子器件，具有光場(chǎng)調(diào)控手段單一、光子設(shè)計(jì)體積龐大的缺點(diǎn)。因此，光子計(jì)算一直都停留在實(shí)驗(yàn)室階段。

我國(guó)光通信技術(shù)有待提升

我國(guó)光通信產(chǎn)業(yè)中、下游發(fā)展迅猛，但上游芯片仍嚴(yán)重依賴進(jìn)口，獨(dú)立生產(chǎn)光通信芯片的企業(yè)較少?，F(xiàn)在市面上，大多數(shù)還是以電子芯片為主流，光子芯片需要深厚的技術(shù)積累，研發(fā)和生產(chǎn)周期長(zhǎng)，所以光通信芯片技術(shù)成為中國(guó)光通信產(chǎn)業(yè)的軟肋。
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如光子芯片的制造工藝和器件稀缺是目前面臨的痛點(diǎn)。由于過(guò)長(zhǎng)的波長(zhǎng)限制芯片體積微縮的可能，同時(shí)光學(xué)裝置須要更精確的做工，光束傳輸?shù)男┪⑵顣?huì)造成巨大的問(wèn)題，相對(duì)需要高技術(shù)及高成本;光電子需要小尺寸、大帶寬、低功耗的調(diào)制器;陶瓷套管 / 插芯、光收發(fā)接口等技術(shù)也是國(guó)內(nèi)困擾企業(yè)的難題。

國(guó)產(chǎn)光子芯片彎道超車

目前國(guó)內(nèi)比較出色的光子芯片公司是曦智科技、鯤游光電、長(zhǎng)光華芯、縱慧芯光和陜西源杰半導(dǎo)體等。
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①曦智科技（Lightelligence）是全球光子計(jì)算芯片領(lǐng)域融資額最高，專注光子計(jì)算芯片設(shè)計(jì)，2017 年，沈亦晨（曦智科技聯(lián)合創(chuàng)始人兼 CEO）與其所在的麻省理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)在《自然 - 光子學(xué)》 雜志發(fā)表了一篇關(guān)于光子計(jì)算的論文；2018 年曦智科技成立；2019 年 4 月，其發(fā)布了全球首款光子芯片原型板卡，并通過(guò)流片驗(yàn)證。根據(jù) CB Insights 的數(shù)據(jù)，其已獲融資總額近 4000 萬(wàn)美元，是全球光子計(jì)算芯片領(lǐng)域融資額最高的公司。
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②鯤游光電（North Ocean Photonics）是華為哈勃加持的晶圓級(jí)光芯片。鯤游光電成立于 2016 年，專注于晶圓級(jí)光芯片的研發(fā)與應(yīng)用，致力于探索通過(guò)半導(dǎo)體工藝與光學(xué)工藝的融合，以半導(dǎo)體晶圓思路設(shè)計(jì)、制成納米級(jí)、低成本的光學(xué)芯片。其主要關(guān)注 3D 成像系列、AR 及新型光學(xué)顯示系列、5G 高速光通訊模塊系列。2019 年底，華為旗下哈勃科技投資參與融資，并成為其第二大機(jī)構(gòu)股東。今年 3 月，鯤游光電新獲 2 億元 B 輪融資。
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③長(zhǎng)光華芯（Everbright）是全球少數(shù)集研發(fā)和量產(chǎn)高功率半導(dǎo)體激光器芯片于一體的公司之一。長(zhǎng)光華芯主要致力于高功率半導(dǎo)體激光器芯片、高速光通信半導(dǎo)體激光芯片、高效率半導(dǎo)體激光雷達(dá) 3D 傳感芯片及相關(guān)光電器件和應(yīng)用系統(tǒng)的研發(fā)、生產(chǎn)和銷售。其自主研發(fā)的高功率 915nm 激光芯片，發(fā)光區(qū)寬度為 90μm，轉(zhuǎn)換效率可達(dá) 65%，現(xiàn)已累計(jì)銷售芯片超過(guò) 200 萬(wàn)片，是全球少數(shù)幾家研發(fā)和量產(chǎn)高功率半導(dǎo)體激光器芯片的公司。
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④縱慧芯光（Vertilite）是華為 Mate30 Pro 前、后置 TOF 的 VCSEL 供應(yīng)商，縱慧芯光專注于光通訊專用 VCSEL 芯片、3D 傳感專用 VCSEL 芯片的標(biāo)準(zhǔn)品開(kāi)發(fā)，以及基于行業(yè)需求定制芯片和解決方案，其已作為 Mate30 Pro 前置和后置 TOF 供應(yīng)商進(jìn)入華為的供貨商系統(tǒng)。2019 年 2 月獲得上億元級(jí) B+ 輪融資，領(lǐng)投方為武岳峰，前海母基金、追遠(yuǎn)創(chuàng)投、五岳華諾等跟投。
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⑤陜西源杰半導(dǎo)體（Yuanjie Semiconductor）是專注高可靠性的國(guó)產(chǎn)激光芯片設(shè)計(jì)公司。陜西源杰半導(dǎo)體關(guān)注光通信用半導(dǎo)體激光器芯片的研發(fā)、生產(chǎn)和銷售。主要從事開(kāi)發(fā)可靠性高的光通信激光器；其可獨(dú)立進(jìn)行外延到芯片端的設(shè)計(jì)與制造，是國(guó)內(nèi)少數(shù)具備電子束技術(shù)設(shè)備的公司，共同推動(dòng)未來(lái)硅光子技術(shù)產(chǎn)品前進(jìn)。

國(guó)外光子芯片發(fā)展現(xiàn)狀

美國(guó)一直注重光子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，早在 1991 年就成立了“美國(guó)光電子產(chǎn)業(yè)振興會(huì)”(OIDA)，以引導(dǎo)資本和各方力量進(jìn)入光電子領(lǐng)域。
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2008~2013 年，DARPA 開(kāi)始資助“超高效納米光子芯片間通訊”項(xiàng)目。目標(biāo)是開(kāi)發(fā)和 CMOS 兼容的光子技術(shù)用于高通量的通訊網(wǎng)絡(luò)。
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2014 年，美國(guó)建立了“國(guó)家光子計(jì)劃”產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，明確將支持發(fā)展光學(xué)與光子基礎(chǔ)研究與早期應(yīng)用研究計(jì)劃開(kāi)發(fā)，支持 4 大研究領(lǐng)域及 3 個(gè)應(yīng)用能力技術(shù)開(kāi)發(fā)，并提出了每一項(xiàng)可開(kāi)發(fā)領(lǐng)域的機(jī)會(huì)和目標(biāo)。
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美國(guó)以 IBM、Intel、Luxtera 公司為代表，近年來(lái)都在光互連技術(shù)研發(fā)方面取得了不錯(cuò)的成績(jī)。
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日本發(fā)展光電子技術(shù)時(shí)間也較早，1980 年為推動(dòng)光電子技術(shù)的發(fā)展，日本成立了光產(chǎn)業(yè)技術(shù)振興協(xié)會(huì)(OITDA)。
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在產(chǎn)業(yè)化及市場(chǎng)方面，由于光電領(lǐng)域的重大技術(shù)發(fā)明多產(chǎn)生于美國(guó)，因此，早期日本政府主要是靠引進(jìn)外國(guó)技術(shù)進(jìn)行消化吸收，后期則是自主創(chuàng)新過(guò)程。
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2010 年，日本開(kāi)始實(shí)施尖端研究開(kāi)發(fā)資助計(jì)劃(FIRST)，該計(jì)劃由日本內(nèi)閣府提供支援。FIRST 計(jì)劃是從 600 個(gè)提案中選出 30 個(gè)核心科研項(xiàng)目予以資助，項(xiàng)目資助的總金額達(dá)到 1000 億日元。光電子融合系統(tǒng)基礎(chǔ)技術(shù)開(kāi)發(fā)(PECST)是 FIRST 計(jì)劃的一部分，以在 2025 年實(shí)現(xiàn)“片上數(shù)據(jù)中心”為目標(biāo)。

結(jié)尾：光子芯片應(yīng)用前景廣闊

在國(guó)家政策以及資金的大力扶植之下，光電產(chǎn)業(yè)正在迅速發(fā)展，中高端芯片也逐漸由國(guó)外進(jìn)口，轉(zhuǎn)向自主研發(fā)、供給。在新興科技的發(fā)展與中國(guó)整體市場(chǎng)的推動(dòng)作用下，光通訊行業(yè)將迎來(lái)全面發(fā)展。
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未來(lái)，隨著光子芯片技術(shù)的成熟，芯片封裝成本的進(jìn)一步降低，光子芯片將從服務(wù)器、大型數(shù)據(jù)中心、超級(jí)電腦等大型設(shè)備進(jìn)入機(jī)器人、PC、手機(jī)等小型移動(dòng)設(shè)備。光子芯片技術(shù)運(yùn)用在將在多媒體和智能終端、超級(jí)計(jì)算、軍事安全等領(lǐng)域。