光芯片是全球半導(dǎo)體行業(yè)的一個重要細(xì)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(yīng)用。

　　中國在芯片這一領(lǐng)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(lǐng)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(xué)正與電子學(xué)引發(fā)一場科學(xué)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(lǐng)域取得突破

　　近期，我國科學(xué)家在國際頂級學(xué)術(shù)期刊《自然》發(fā)表了最新研究，南京大學(xué)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(shù)，把光雕刻鈮酸鋰三維結(jié)構(gòu)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(biāo)志著我國科學(xué)家在下一代光電芯片制造領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)重大突破。

　　這是我國首次得到納米級光雕刻三維結(jié)構(gòu)，新技術(shù)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(jì)八十年代，南京大學(xué)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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)。

　　自2000年起，南京大學(xué)祝世寧科研團隊就將光學(xué)超晶格研究從經(jīng)典光學(xué)拓展至量子光學(xué)，經(jīng)過多年開拓創(chuàng)新，已利用光學(xué)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(shù)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(jié)構(gòu)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(xué)濾波器、非易失鐵電存儲器等關(guān)鍵光電器件芯片制備，在5G/6G通訊、光計算、人工智能等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)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(xué)基金、固體微結(jié)構(gòu)物理國家重點實驗室和人工微結(jié)構(gòu)科學(xué)與技術(shù)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(yù)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(lǐng)域雙輪驅(qū)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(lǐng)域的自主技術(shù)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(lǐng)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(shù)與業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)型，以求覆蓋光通信芯片、光模塊領(lǐng)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(xì)分領(lǐng)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(dāng)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(shù)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(yù)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(dǎo)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(guān)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(cè)重點不同，但光子芯片的側(cè)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(jié)構(gòu)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(shè)備和工藝，也能夠?qū)崿F(xiàn)成熟的量產(chǎn)!”

　　根據(jù)專業(yè)機構(gòu)的預(yù)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(xué)家用激光實現(xiàn)了納米級三維電子晶體的制造，相當(dāng)于是掌握了全球最先進的光芯片制造技術(shù)。如果與華為的專利技術(shù)結(jié)合起來，可能徹底打破美國在半導(dǎo)體芯片領(lǐng)域?qū)ξ覀兊姆怄i。

　　未來的時代或?qū)⑹且粋€光子大規(guī)模替換電子的時代，光網(wǎng)絡(luò)傳輸有望成為人類信息文明最重要的基礎(chǔ)設(shè)施。而從技術(shù)競爭的角度來看，光芯片被認(rèn)為是與國外研究進展差距最小的芯片技術(shù)，被寄予了中國“換道超車”的希望。