光子集成技术与产业发展趋势

全球信息技术正处于创新活跃期，在新型业务及应用的驱动下，数据流量呈爆发式增长，对底层互连系统和器件在带宽、容量、成本及功耗方面均提出了严峻挑战，全波段、高速率、大容量和智能化的光网络运作也要求芯片功能的集成化。光子集成电路（Photonic Integrated Circuit，PIC）相对于传统分立的光-电-光处理方式降低了复杂度，提高了可靠性，能够以更低的成本构建一个具有更多节点的全新的网络结构，虽然目前仍处于初级发展阶段，不过其成为光器件的主流发展趋势已成必然。PIC单片集成方式增长迅速，硅基材料发展势头强劲。产业发展模式多样，产业链不断构建，新产品与应用进展也在不断推进。相关厂商众多集中度低，我国的储备相当薄弱，因此非常有必要加快发展该通信底层核心技术，提高国际竞争力。

一、混合集成占据主导，单片集成上升明显

按照集成的元器件是否采用同种材料，PIC可分为单片集成和混合集成。其中混合集成采用不同的材料实现不同器件，而后将这些不同的功能部件固定在一个统一的基片上。混合集成的好处是每种器件都由最合适的材料制成，性能较好，但元器件集成时需要精密的位置调整和固定，增加封装的复杂性，限制集成规模。而单片集成则是在单一衬底上实现预期的各种功能，结构紧凑、可靠性强，不过目前实现起来仍有较大的技术难度。目前，混合集成是光子集成的主要集成技术，占PIC全球市场收入的主体，并且预计在未来几年内这一情况仍将持续。不过单片集成作为业界的长期目标，正在以很快的速度增长，预计2015年至2022年期间复合年均增长率将达到26.5%。

二、制备材料丰富多样，硅基发展势头强劲

光子集成的制备材料丰富多样，主要包括以下几类：铌酸锂、聚合物、光学玻璃、绝缘体上硅（SOI）、二氧化硅/硅、氮氧化硅/二氧化硅以及三五族化合物半导体。目前，磷化铟（InP）和SOI共同占据市场营收的主体。InP的主导地位主要归因于其将光电功能集成到光学系统芯片的能力。而硅基作为PIC制造平台能够基于全球历时五十年、投入数千亿美元打造的微电子芯片制造基础设施，利用成熟、发达的半导体集成电路工艺提高集成光学工业化水平，进行低成本规模化生产。虽然目前硅光子还面临很多技术瓶颈，但在整个产业界的向心力下，正在被一个一个地克服，产业界对硅光子大规模商用也抱有极大的信心。尤其是数据中心的短距离应用，让硅光子找到了用武之地。根据市场研究公司Yole Développements报告，数据中心以及其他几项新应用将在2025年以前为硅光子技术带来数十亿美元的市场。

三、发展模式多样化，产业链不断构建

2010年以来，光子集成技术进入了高速发展时期。光子集成技术主要有以下几种发展模式：一是国家项目资助，如美国国防部监管的“美国制造集成光子研究所”（AIM Photonics）、日本内阁府资助的研究开发组织“光电子融合系统基础技术开发”(PECST)等；二是像Intel、IBM等IT巨头的巨额投入；三是小型创业公司前期靠风险资金进入，后期被大企业并购再持续投入，该模式已成为一种重要发展模式；最后是一些新崛起的初创公司，如Acacia、SiFotonics等。

光子集成技术产业仍在发展，产业链不断构建，目前已初步覆盖前沿技术研究机构、设计工具提供商、器件芯片模块商、Foundry、IT企业、系统设备商、用户等各个环节。然而，光子集成供应链相比于集成电路（IC）仍然落后，尤其在软件和封装环节较为薄弱。

四、厂商众多集中度低，美国厂商规模占优

全球PIC市场发展态势良好，市场规模于2015年达到2.7亿美元，预计2018-2024年间将以25.2%的复合年均增长率持续增长，到2021年突破10亿美元。

全球PIC市场高度分散，其特点是存在大量参与者。PIC市场的领先企业包括Finisar（美国）、Lumentum（美国）、Infinera（美国）、Ciena（美国）、NeoPhotonics（美国）、Intel（美国）、Alcatel-Lucent（法国）、Avago（新加坡）以及华为（中国）等，其中美国厂商规模占优。总体来讲，我国光子集成技术还处于起步阶段，制约我国光子集成技术发展的突出问题包括学科和研究碎片化，人才匮乏，缺乏系统架构研究与设计，工艺设备的研发实力薄弱，缺乏标准化和规范化的光子集成技术工艺平台，以及芯片封装和测试分析技术落后等。幸运的是，该领域仍处于资产不断重组过程中，今年就发生了两起重大并购案，3月Lumentum收购排名紧随其后的Oclaro；11月II-VI收购Finisar。如果我们抓住机遇超前布局，精心组织和重点投入，将会为产业发展创造良好的契机。

五、新产品与应用进展不断推进

除传统应用领域，光子集成芯片技术还有很多重要的新兴分支，其中具有代表性的有集成微波光子芯片以及高性能光子计算芯片。

集成微波光子芯片主要在光学域上实现射频信号的处理，其功能可以覆盖无线系统的整个射频信号链，具有更高的精度、更大的带宽、更强的灵活性和抗干扰能力，被认为是具有竞争力的下一代无线技术平台。目前在俄罗斯大约有850家公司参与微波光子学的研究和开发，欧盟也正联合开发新型全光子28GHz毫米波mMIMO收发信机芯片。

光子计算被认为是突破摩尔定律的有效途径之一，具有内禀的高维度的并行计算特性。2016年MIT提出了使用光子代替电子作为计算芯片架构的理论。2017年英国0ptalysys公司发布了第一代高性能桌面超级光子计算机。除了传统的高性能计算外，光子芯片也将是未来AI计算的硬件架构，并且是未来量子计算的候选方案之一。

综上，PIC目前仍处于初级发展阶段，不过其成为光器件的主流发展趋势已成必然，近几年的发展速度亦有目共睹。随着基础材料制备、器件结构设计、核心制作工艺等核心关键技术的突破，加之产业需求的急剧升温，特别是光互联、超100 Gbit/s高速传输系统和FTTH接入终端对小尺寸、低功耗和低成本的强劲驱动，PIC在未来几年将迎来更快的发展，集成度和大规模生产能力逐步提升，成本不断下降，产业链进一步完善，并引发光器件、系统设备，乃至网络和应用的重大变革。