光芯片是全球半導體行業(yè)的一個重要細分賽道，涵蓋工業(yè)用高功率激光芯片、通信用高速率激光芯片、手機人臉識別用VCSEL 等成熟應用。

中國在芯片這一領域整體上處于劣勢，但經(jīng)過多年的發(fā)展，我國在芯片中的部分領域，如今也走到世界第一梯隊。從研發(fā)到終端制造，不斷追趕，如今光芯片代表的光子學正與電子學引發(fā)一場科學革命，芯片從電到光，將是我國實現(xiàn)趕超的戰(zhàn)略機遇。

光電芯片制造領域取得突破

近期，我國科學家在國際頂級學術期刊《自然》發(fā)表了最新研究，南京大學科研團隊發(fā)明的一種新型“非互易飛秒激光極化鐵電疇”技術，把光雕刻鈮酸鋰三維結構的尺寸，從傳統(tǒng)的 1 微米量級，一下子推進到30 納米級別，大幅度提高了加工精度，也標志著我國科學家在下一代光電芯片制造領域實現(xiàn)重大突破。

這是我國首次得到納米級光雕刻三維結構，新技術突破了傳統(tǒng)飛秒激光的光衍射極限。筆者了解到，早在二十世紀八十年代，南京大學科研人員就在鈮酸鋰晶體中得到了尺度為幾微米的鐵電疇陣列結構，但要進一步提升這種晶體器件的性能，就需要在三維空間做出尺度更小、精度更高的結構。

自2000年起，南京大學祝世寧科研團隊就將光學超晶格研究從經(jīng)典光學拓展至量子光學，經(jīng)過多年開拓創(chuàng)新，已利用光學超晶格研制成功全球首枚高速調(diào)控的鈮酸鋰光量子芯片。該技術是將飛秒脈沖激光聚焦于材料“鈮酸鋰”的晶體內(nèi)部，通過控制激光移動的方向，在晶體內(nèi)部形成有效電場，實現(xiàn)三維結構的直寫和擦除。

值得注意的是，這一重大發(fā)明，未來或可開辟光電芯片制造新賽道，有望用于光電調(diào)制器、聲學濾波器、非易失鐵電存儲器等關鍵光電器件芯片制備，在5G／6G通訊、光計算、人工智能等領域有廣泛的應用前景。該項研究工作已得到了科技部國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、固體微結構物理國家重點實驗室和人工微結構科學與技術協(xié)同創(chuàng)新中心的支持。

我國光芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

根據(jù)Photonics21發(fā)布的《Market Data and Industry Report 2020》顯示，自2015年以來，光子產(chǎn)業(yè)鏈全球市場規(guī)模以每年7％的速度增長。其中，2019年的全球市場規(guī)模達到6900億歐元，預計2025年將進一步增至9000億歐元。而在下游數(shù)字通信（數(shù)通）和電信領域雙輪驅動下，光芯片擁有極大成長空間。

眾所周知，全球高端光芯片基本被國外廠商壟斷。我國在高端芯片領域的自主技術研發(fā)和投入實力方面相對較弱，目前主要集中在中低端光芯片產(chǎn)品的研發(fā)、制造。

國外在光芯片領域早有布局，且不斷收購兼并。2018年，Lumentum并購Oclaro；2019年，II－IV并購Finisar等……借由整合產(chǎn)業(yè)鏈完成技術與業(yè)務轉型，以求覆蓋光通信芯片、光模塊領域各個環(huán)節(jié)。

而在國內(nèi)，不少光芯片企業(yè)尚在爬坡階段，并購還未呈現(xiàn)大規(guī)模態(tài)勢。不過，代表性企業(yè)，如華為和光迅科技等，已有動作。其中，華為在2013年收購了英國CIP光子研發(fā)中心、硅光子廠商Caliopa。在2012年和2016年，光迅科技分別收購了丹麥IPX、法國Almae，獲得了PECVD無源芯片和10G以上高端有源光芯片的量產(chǎn)能力。根據(jù)公開信息，光迅科技目前已在25G光芯片實現(xiàn)規(guī)模出貨。

目前我國光模塊、光纖激光器、激光雷達等下游細分領域已具備較強競爭實力。在光模塊方面，據(jù)Lightcounting 于2022 年5 月發(fā)布的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2021 年全球前十大光模塊廠商，中國廠商占據(jù)六席，分別為旭創(chuàng)（與 II－VI 并列第一）、華為海思（第三）、海信寬帶（第五）、光迅科技（第六）、華工正源（第八）及新易盛（第九）；相比于 2010 年全球前十大廠商主要為海外廠商，國內(nèi)僅 WTD（武漢電信器件有限公司，2012 年與光迅科技合并）一家公司入圍，體現(xiàn)出十年以來國產(chǎn)光模塊廠商競爭實力及市場地位的快速提升。

從國產(chǎn)化進展來看，當前我國高功率激光芯片、部分高速率激光芯片（10G、25G 等）等已處于國產(chǎn)化加速突破階段；而光探測芯片、25G 以上高速率激光芯片仍處于進口替代早期階段，未來國產(chǎn)化提升空間廣闊。

彎道超車，讓光子芯片被寄予厚望

由于光子芯片產(chǎn)業(yè)處于前期發(fā)展階段，全球面臨的局面是一樣的，技術壁壘還沒形成，目前國內(nèi)在光子芯片的研發(fā)上，已經(jīng)走在了世界的前頭。根據(jù)《北京日報》報道，中科鑫通已經(jīng)開始籌備國內(nèi)首條“多材料、跨尺寸”的光子芯片生產(chǎn)線，預計在2023年就可以建成。

光電子器件是光子芯片的核心組成部分，和硅基電子器件存在著很大的差別，在傳輸速度上較于電子芯片要快1000倍，且在功耗的控制上也更佳，光子芯片采用的是磷化銦、砷化鎵等二代半導體材料，比集成電路芯片的軌跡材料要強。

制造光子芯片最關鍵的地方在于制備程序，雖然芯片制備的工藝流程與集成電路芯片有一定相似性但側重點不同，但光子芯片的側重點在于外延伸與制備環(huán)節(jié)上，而并非是在光刻環(huán)節(jié)，這意味著不需要依賴高端的EUV光刻機。

光子芯片的結構對工藝需求較低，一般是百納米級別就夠了，國產(chǎn)的90nm光刻機足夠使用了，中科鑫通也表示：“光子芯片就算采用國產(chǎn)的設備和工藝，也能夠實現(xiàn)成熟的量產(chǎn)！”

根據(jù)專業(yè)機構的預測，未來五年光子芯片規(guī)模將突破千億美元，這也將給我們帶來更多的機會，我國科學家用激光實現(xiàn)了納米級三維電子晶體的制造，相當于是掌握了全球最先進的光芯片制造技術。如果與華為的專利技術結合起來，可能徹底打破美國在半導體芯片領域對我們的封鎖。

未來的時代或將是一個光子大規(guī)模替換電子的時代，光網(wǎng)絡傳輸有望成為人類信息文明最重要的基礎設施。而從技術競爭的角度來看，光芯片被認為是與國外研究進展差距最小的芯片技術，被寄予了中國“換道超車”的希望。

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