光芯片是全球半導(dǎo)體行業(yè)的一個(gè)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(jī)人臉識(shí)別用VCSEL 等成熟應(yīng)用,。
中國(guó)在芯片這一領(lǐng)域整體上處于劣勢(shì)，但經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展,，我國(guó)在芯片中的部分領(lǐng)域,，如今也走到世界第一梯隊(duì)。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(chǎng)科學(xué)革命，芯片從電到光,，將是我國(guó)實(shí)現(xiàn)趕超的戰(zhàn)略機(jī)遇,。
光電芯片制造領(lǐng)域取得突破
近期，我國(guó)科學(xué)家在國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《自然》發(fā)表了最新研究,，南京大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)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(jí),，一下子推進(jìn)到30 納米級(jí)別,，大幅度提高了加工精度，也標(biāo)志著我國(guó)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(guó)首次得到納米級(jí)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(jìn)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(tuán)隊(duì)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(guò)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(guò)控制激光移動(dòng)的方向，在晶體內(nèi)部形成有效電場(chǎng),，實(shí)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(lái)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(chǔ)器等關(guān)鍵光電器件芯片制備,，在5G／6G通訊,、光計(jì)算、人工智能等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景,。該項(xiàng)研究工作已得到了科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃,、國(guó)家自然科學(xué)基金、固體微結(jié)構(gòu)物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(guó)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(lái)，光子產(chǎn)業(yè)鏈全球市場(chǎng)規(guī)模以每年7％的速度增長(zhǎng),。其中,，2019年的全球市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到6900億歐元，預(yù)計(jì)2025年將進(jìn)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(dòng)下,，光芯片擁有極大成長(zhǎng)空間。
眾所周知,，全球高端光芯片基本被國(guó)外廠商壟斷,。我國(guó)在高端芯片領(lǐng)域的自主技術(shù)研發(fā)和投入實(shí)力方面相對(duì)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(guó)外在光芯片領(lǐng)域早有布局，且不斷收購(gòu)兼并,。2018年,，Lumentum并購(gòu)Oclaro；2019年,，II－IV并購(gòu)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(gè)環(huán)節(jié),。
而在國(guó)內(nèi),，不少光芯片企業(yè)尚在爬坡階段，并購(gòu)還未呈現(xiàn)大規(guī)模態(tài)勢(shì),。不過(guò),，代表性企業(yè)，如華為和光迅科技等,，已有動(dòng)作,。其中，華為在2013年收購(gòu)了英國(guó)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(gòu)了丹麥IPX、法國(guó)Almae,，獲得了PECVD無(wú)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(shí)現(xiàn)規(guī)模出貨,。
目前我國(guó)光模塊,、光纖激光器,、激光雷達(dá)等下游細(xì)分領(lǐng)域已具備較強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力,。在光模塊方面，據(jù)Lightcounting 于2022 年5 月發(fā)布的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),，2021 年全球前十大光模塊廠商,，中國(guó)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(guó)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(lái)國(guó)產(chǎn)光模塊廠商競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力及市場(chǎng)地位的快速提升。
從國(guó)產(chǎn)化進(jìn)展來(lái)看,，當(dāng)前我國(guó)高功率激光芯片,、部分高速率激光芯片（10G、25G 等）等已處于國(guó)產(chǎn)化加速突破階段,；而光探測(cè)芯片,、25G 以上高速率激光芯片仍處于進(jìn)口替代早期階段，未來(lái)國(guó)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(guó)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?qǐng)?bào)》報(bào)道,，中科鑫通已經(jīng)開始籌備國(guó)內(nèi)首條“多材料、跨尺寸”的光子芯片生產(chǎn)線,，預(yù)計(jì)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(qiáng),。
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(diǎn)不同,，但光子芯片的側(cè)重點(diǎn)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(jī),。
光子芯片的結(jié)構(gòu)對(duì)工藝需求較低,，一般是百納米級(jí)別就夠了，國(guó)產(chǎn)的90nm光刻機(jī)足夠使用了,，中科鑫通也表示：“光子芯片就算采用國(guó)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(jī)構(gòu)的預(yù)測(cè),，未來(lái)五年光子芯片規(guī)模將突破千億美元,，這也將給我們帶來(lái)更多的機(jī)會(huì)，我國(guó)科學(xué)家用激光實(shí)現(xiàn)了納米級(jí)三維電子晶體的制造,，相當(dāng)于是掌握了全球最先進(jìn)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(lái)，可能徹底打破美國(guó)在半導(dǎo)體芯片領(lǐng)域?qū)ξ覀兊姆怄i,。
未來(lái)的時(shí)代或?qū)⑹且粋€(gè)光子大規(guī)模替換電子的時(shí)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(jìng)爭(zhēng)的角度來(lái)看,，光芯片被認(rèn)為是與國(guó)外研究進(jìn)展差距最小的芯片技術(shù),，被寄予了中國(guó)“換道超車”的希望。
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