光子集成電路的發(fā)展方向解讀

光子集成電路（PhotonicIntegratedCircuit，PIC）相對于傳統(tǒng)分立的光-電-光處理方式降低了復(fù)雜度，提高了可靠性，能夠以更低的成本構(gòu)建一個(gè)具有更多節(jié)點(diǎn)的全新的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，雖然目前仍處于初級發(fā)展階段，不過其成為光器件的主流發(fā)展趨勢已成必然。PIC單片集成方式增長迅速，硅基材料發(fā)展勢頭強(qiáng)勁。產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式多樣，產(chǎn)業(yè)鏈不斷構(gòu)建，新產(chǎn)品與應(yīng)用進(jìn)展也在不斷推進(jìn)。相關(guān)廠商眾多集中度低，我國的儲備相當(dāng)薄弱，因此非常有必要加快發(fā)展該通信底層核心技術(shù)，提高國際競爭力。

一、混合集成占據(jù)主導(dǎo)，單片集成上升明顯

按照集成的元器件是否采用同種材料，PIC可分為單片集成和混合集成。其中混合集成采用不同的材料實(shí)現(xiàn)不同器件，而后將這些不同的功能部件固定在一個(gè)統(tǒng)一的基片上?；旌霞傻暮锰幨敲糠N器件都由最合適的材料制成，性能較好，但元器件集成時(shí)需要精密的位置調(diào)整和固定，增加封裝的復(fù)雜性，限制集成規(guī)模。而單片集成則是在單一襯底上實(shí)現(xiàn)預(yù)期的各種功能，結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性強(qiáng)，不過目前實(shí)現(xiàn)起來仍有較大的技術(shù)難度。目前，混合集成是光子集成的主要集成技術(shù)，占PIC全球市場收入的主體，并且預(yù)計(jì)在未來幾年內(nèi)這一情況仍將持續(xù)。不過單片集成作為業(yè)界的長期目標(biāo)，正在以很快的速度增長，預(yù)計(jì)2015年至2022年期間復(fù)合年均增長率將達(dá)到26.5%。

二、制備材料豐富多樣，硅基發(fā)展勢頭強(qiáng)勁

光子集成的制備材料豐富多樣，主要包括以下幾類：鈮酸鋰、聚合物、光學(xué)玻璃、絕緣體上硅（SOI）、二氧化硅/硅、氮氧化硅/二氧化硅以及三五族化合物半導(dǎo)體。目前，磷化銦（InP）和SOI共同占據(jù)市場營收的主體。InP的主導(dǎo)地位主要?dú)w因于其將光電功能集成到光學(xué)系統(tǒng)芯片的能力。而硅基作為PIC制造平臺能夠基于全球歷時(shí)五十年、投入數(shù)千億美元打造的微電子芯片制造基礎(chǔ)設(shè)施，利用成熟、發(fā)達(dá)的半導(dǎo)體集成電路工藝提高集成光學(xué)工業(yè)化水平，進(jìn)行低成本規(guī)?；a(chǎn)。雖然目前硅光子還面臨很多技術(shù)瓶頸，但在整個(gè)產(chǎn)業(yè)界的向心力下，正在被一個(gè)一個(gè)地克服，產(chǎn)業(yè)界對硅光子大規(guī)模商用也抱有極大的信心。尤其是數(shù)據(jù)中心的短距離應(yīng)用，讓硅光子找到了用武之地。根據(jù)市場研究公司YoleDéveloppements報(bào)告，數(shù)據(jù)中心以及其他幾項(xiàng)新應(yīng)用將在2025年以前為硅光子技術(shù)帶來數(shù)十億美元的市場。

三、發(fā)展模式多樣化，產(chǎn)業(yè)鏈不斷構(gòu)建

2010年以來，光子集成技術(shù)進(jìn)入了高速發(fā)展時(shí)期。光子集成技術(shù)主要有以下幾種發(fā)展模式：一是國家項(xiàng)目資助，如美國國防部監(jiān)管的“美國制造集成光子研究所”（AIMPhotonics）、日本內(nèi)閣府資助的研究開發(fā)組織“光電子融合系統(tǒng)基礎(chǔ)技術(shù)開發(fā)”(PECST)等；二是像Intel、IBM等IT巨頭的巨額投入；三是小型創(chuàng)業(yè)公司前期靠風(fēng)險(xiǎn)資金進(jìn)入，后期被大企業(yè)并購再持續(xù)投入，該模式已成為一種重要發(fā)展模式；最后是一些新崛起的初創(chuàng)公司，如Acacia、SiFotonics等。

光子集成技術(shù)產(chǎn)業(yè)仍在發(fā)展，產(chǎn)業(yè)鏈不斷構(gòu)建，目前已初步覆蓋前沿技術(shù)研究機(jī)構(gòu)、設(shè)計(jì)工具提供商、器件芯片模塊商、Foundry、IT企業(yè)、系統(tǒng)設(shè)備商、用戶等各個(gè)環(huán)節(jié)。然而，光子集成供應(yīng)鏈相比于集成電路（IC）仍然落后，尤其在軟件和封裝環(huán)節(jié)較為薄弱。

四、廠商眾多集中度低，美國廠商規(guī)模占優(yōu)

全球PIC市場發(fā)展態(tài)勢良好，市場規(guī)模于2015年達(dá)到2.7億美元，預(yù)計(jì)2018-2024年間將以25.2%的復(fù)合年均增長率持續(xù)增長，到2021年突破10億美元。

全球PIC市場高度分散，其特點(diǎn)是存在大量參與者。PIC市場的領(lǐng)先企業(yè)包括Finisar（美國）、Lumentum（美國）、Infinera（美國）、Ciena（美國）、NeoPhotonics（美國）、Intel（美國）、Alcatel-Lucent（法國）、Avago（新加坡）以及華為（中國）等，其中美國廠商規(guī)模占優(yōu)?？傮w來講，我國光子集成技術(shù)還處于起步階段，制約我國光子集成技術(shù)發(fā)展的突出問題包括學(xué)科和研究碎片化，人才匱乏，缺乏系統(tǒng)架構(gòu)研究與設(shè)計(jì)，工藝設(shè)備的研發(fā)實(shí)力薄弱，缺乏標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化的光子集成技術(shù)工藝平臺，以及芯片封裝和測試分析技術(shù)落后等。幸運(yùn)的是，該領(lǐng)域仍處于資產(chǎn)不斷重組過程中，今年就發(fā)生了兩起重大并購案，3月Lumentum收購排名緊隨其后的Oclaro；11月II-VI收購Finisar。如果我們抓住機(jī)遇超前布局，精心組織和重點(diǎn)投入，將會為產(chǎn)業(yè)發(fā)展創(chuàng)造良好的契機(jī)。

五、新產(chǎn)品與應(yīng)用進(jìn)展不斷推進(jìn)

除傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域，光子集成芯片技術(shù)還有很多重要的新興分支，其中具有代表性的有集成微波光子芯片以及高性能光子計(jì)算芯片。

集成微波光子芯片主要在光學(xué)域上實(shí)現(xiàn)射頻信號的處理，其功能可以覆蓋無線系統(tǒng)的整個(gè)射頻信號鏈，具有更高的精度、更大的帶寬、更強(qiáng)的靈活性和抗干擾能力，被認(rèn)為是具有競爭力的下一代無線技術(shù)平臺。目前在俄羅斯大約有850家公司參與微波光子學(xué)的研究和開發(fā)，歐盟也正聯(lián)合開發(fā)新型全光子28GHz毫米波mMIMO收發(fā)信機(jī)芯片。

光子計(jì)算被認(rèn)為是突破摩爾定律的有效途徑之一，具有內(nèi)稟的高維度的并行計(jì)算特性。2016年MIT提出了使用光子代替電子作為計(jì)算芯片架構(gòu)的理論。2017年英國0ptalysys公司發(fā)布了第一代高性能桌面超級光子計(jì)算機(jī)。除了傳統(tǒng)的高性能計(jì)算外，光子芯片也將是未來AI計(jì)算的硬件架構(gòu)，并且是未來量子計(jì)算的候選方案之一。

綜上，PIC目前仍處于初級發(fā)展階段，不過其成為光器件的主流發(fā)展趨勢已成必然，近幾年的發(fā)展速度亦有目共睹。隨著基礎(chǔ)材料制備、器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、核心制作工藝等核心關(guān)鍵技術(shù)的突破，加之產(chǎn)業(yè)需求的急劇升溫，特別是光互聯(lián)、超100Gbit/s高速傳輸系統(tǒng)和FTTH接入終端對小尺寸、低功耗和低成本的強(qiáng)勁驅(qū)動，PIC在未來幾年將迎來更快的發(fā)展，集成度和大規(guī)模生產(chǎn)能力逐步提升，成本不斷下降，產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)一步完善，并引發(fā)光器件、系統(tǒng)設(shè)備，乃至網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用的重大變革。