光子集成電路(PIC)是一個比“硅光子”更廣泛且更準確的術(shù)語。如今，超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心運營商正在廣泛采用這種技術(shù)，以打破傳統(tǒng)技術(shù)在功耗和帶寬方面的瓶頸。這一轉(zhuǎn)型在技術(shù)和經(jīng)濟層面上，與幾十年前電信業(yè)從銅纜轉(zhuǎn)向光纖具有根本性的不同。
目前，主要有兩個因素正在加速集成光子技術(shù)的普及與商業(yè)化進程：技術(shù)性能的極限和市場壓力。
傳統(tǒng)的電子元器件基于電子光刻與封裝技術(shù)，其發(fā)展已接近物理極限，這限制了摩爾定律式的持續(xù)提升。不斷演進的光刻工藝雖能提高器件密度，但在更小體積內(nèi)強行傳輸更多電子會導致熱量急劇增加，電干擾也隨之增強。相比之下，使用光子替代電子來承載信息，可以顯著緩解這些問題。
隨著全球經(jīng)濟向由人工智能驅(qū)動的生產(chǎn)力轉(zhuǎn)型，以及跨境數(shù)據(jù)流動的爆發(fā)式增長，數(shù)據(jù)傳輸?shù)?zwnj;成本、能耗和可擴展性日益成為整個數(shù)字基礎設施發(fā)展中的結(jié)構(gòu)性瓶頸。這使得集成光子學與光互連成為下一代數(shù)字基礎設施的關(guān)鍵推動力。而數(shù)據(jù)中心正是這一轉(zhuǎn)型的核心，并引導著資本投資流向光學計算架構(gòu)。
集成光子技術(shù)在能效與吞吐量方面實現(xiàn)了突破性的提升，這使得數(shù)據(jù)中心在進行超大規(guī)模擴展時，其能耗增長能夠顯著低于業(yè)務規(guī)模的擴展速度，從而成功擺脫了傳統(tǒng)系統(tǒng)中能耗與規(guī)模成比例同步攀升的困境。
這一趨勢與全球能源成本的上漲、愈發(fā)嚴格的碳排放法規(guī)，以及各國爭奪數(shù)字供應鏈戰(zhàn)略主動權(quán)的格局高度契合。其投資意義非常明確：在即將到來的投資周期中，那些能夠?qū)⒐饣ミB、光子集成芯片及節(jié)能型數(shù)據(jù)中心基礎設施成功推向商業(yè)化應用的公司，將更有可能獲得資本市場的青睞。
隱藏的驅(qū)動力
雖然上述兩大因素是推動集成光子技術(shù)發(fā)展的核心，但常被忽視的第三個因素也正變得愈發(fā)重要：安全性。單純依賴軟件層的安全措施已經(jīng)越來越難以滿足需求。要獲得更高層級的信任，安全能力必須嵌入到通信基礎設施的底層硬件之中，而不是簡單地疊加在上面。
嵌入式光子通道通過消除能被竊聽的導電路徑，大幅減少了系統(tǒng)的攻擊面。此外，集成光子技術(shù)能夠在硬件層面將光信號傳輸與加密技術(shù)深度融合，例如實現(xiàn)真正的隨機數(shù)生成，從而提供更強大的底層安全防護。
電信業(yè)興衰與PIC爆發(fā)的本質(zhì)差異
在引入新技術(shù)時，人們通常會回顧過去行業(yè)中大規(guī)模的技術(shù)遷移，以預測市場在技術(shù)需求與商業(yè)價值上的變化。幾十年前，電信行業(yè)曾經(jīng)歷了從銅纜到光纖的根本性轉(zhuǎn)變。盡管集成電路(IC)的發(fā)展看似走上了類似的路徑，但二者之間仍存在顯著差異。
·不同的“殺手級”應用驅(qū)動
電信行業(yè)當年采用光纖，是為了支持跨越數(shù)千公里的長距離、高數(shù)據(jù)速率傳輸。但那次擴張更多是基于對市場需求的預期而非已驗證的剛性需求。因此，當互聯(lián)網(wǎng)泡沫破裂時，整個行業(yè)隨之崩盤。
相比之下，當前推動集成光子技術(shù)發(fā)展的，是人工智能和區(qū)塊鏈系統(tǒng)所帶來的真實且不斷激增的需求——這些服務已經(jīng)讓現(xiàn)有的基礎設施不堪重負。與充滿不確定性的電信時代不同，我們目前看不到這些需求有絲毫放緩的跡象，而滿足現(xiàn)有需求本身就是一項巨大挑戰(zhàn)。
·相同的構(gòu)建模塊，不同的尺度
電信設備和集成光子技術(shù)使用相同的基本構(gòu)件——波導、光源、調(diào)制器和光探測器。然而，當這些組件從微米尺度縮小到納米尺度時，其背后所涉及的物理原理、制造方法，以及集成挑戰(zhàn)都發(fā)生了根本性的改變。
- 波導：電信系統(tǒng)通過光纖來引導光信號；而PIC則通過光刻技術(shù)在芯片上制造圖形化的波導，或在某些情況下利用芯片上的自由空間光路來引導光信號。
- 光源：電信激光器通常是帶有溫控模塊的離散器件，并通過宏觀光學元件進行耦合；而PIC激光器(通常為InP材質(zhì))則直接集成在芯片上，這極大地減小了體積、降低了功耗，并簡化了系統(tǒng)復雜性。
- 調(diào)制器：電信調(diào)制器是離散的LiNbO?或InP器件，通常帶有厘米級的光纖尾纖和耦合器；而PIC調(diào)制器可直接在硅片上制造，這使得調(diào)制更緊湊、更節(jié)能，并能實現(xiàn)高密度復用。
- 光探測器：電信接收端使用離散的InGaAs探測器，并通過光纖連接到片外的跨阻放大器；而PIC光探測器(通常為鍺材料)則與放大器、波導和邏輯電路集成在一起，實現(xiàn)了高密度、低損耗的信號轉(zhuǎn)換。
由于PIC面臨的主要挑戰(zhàn)是開發(fā)出能夠大規(guī)模、高效率、且在可接受的良率和精確對準精度下制造這些組件的光刻與封裝工藝，因此整個制造業(yè)必須不斷進化其能力。幸運的是，現(xiàn)成的CMOS制造工具與工藝已經(jīng)為這一轉(zhuǎn)型奠定了堅實的基礎。
PIC市場的投資格局
PIC領(lǐng)域同時具備研發(fā)周期長和資本需求高兩大特點。但其增長的驅(qū)動力來自超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心運營商、金融機構(gòu)和去中心化網(wǎng)絡所帶來的結(jié)構(gòu)性、不可替代的剛性需求。對于那些擁有耐心資本、并深刻理解硬件規(guī)模化經(jīng)濟規(guī)律的投資者而言，隨著光互連和光子安全技術(shù)逐漸成為數(shù)字基礎設施的基石，這一領(lǐng)域?qū)⒄宫F(xiàn)出顯著的長期回報潛力。
分析當前資本投資的集中方向，焦點清晰地指向了封裝與互連技術(shù)的創(chuàng)新，以及基于光子的安全技術(shù)棧。這些領(lǐng)域恰恰對應著推動PIC采用的兩大核心痛點：高效能的數(shù)據(jù)互連，以及具備硬件級加密韌性的系統(tǒng)安全。
然而，投資者也必須對PIC投資的時間周期和資本強度保持清醒的現(xiàn)實預期。PIC初創(chuàng)企業(yè)的成長與發(fā)展周期遠比一般科技公司要長——通常需要8至14年才能實現(xiàn)規(guī)?；⑶以谶_到明顯的收入拐點前，通常需要4,000萬至1.5億美元的投入。光子技術(shù)初創(chuàng)公司的中位退出時間約為9年，10年期內(nèi)的失敗率估計在40%至60%之間(由于幸存者偏差和未公開的關(guān)停事件，實際觀察到的數(shù)字可能偏低)。
在2015至2025年間，美國在硅(Si)、氮化硅(SiN)、磷化銦(InP)和鈮酸鋰(LNOI)等不同平臺上，涌現(xiàn)了大約35至50家具備持續(xù)發(fā)展?jié)摿Φ募晒庾蛹夹g(shù)公司。
根據(jù)歷史基準和行業(yè)對比來看：大多數(shù)早期初創(chuàng)企業(yè)(專注于光子安全硬件、金融科技/交易所試點應用)，其融資前估值通常在1,000萬至2,000萬美元之間；而成長期的初創(chuàng)企業(yè)(致力于電信/金融部署、量子技術(shù)就緒的試點項目)，其融資前估值則在3,000萬至7,000萬美元之間?？傮w而言，這類公司在實現(xiàn)退出(通過并購或上市)前，平均需要籌集約1.89億美元，而極為成功的退出案例融資總額介于2,250萬至4.5億美元之間。最終成功退出的PIC公司，通常在退出前總計需要籌集1.75億至2億美元的資金。
高價值的退出結(jié)果始終與那些擁有龐大可服務市場和系統(tǒng)級平臺能力的公司緊密相連，例如開發(fā)相干光通信模塊和具備廣泛應用前景的先進傳感技術(shù)平臺的公司。而低價值(低于2億美元)的退出，則往往發(fā)生在采用利基型PIC架構(gòu)、僅提供單一組件產(chǎn)品策略的企業(yè)身上。
當前的退出市場環(huán)境已經(jīng)發(fā)生變化。曾經(jīng)為許多光學公司在2020-2021年間提供高估值退出路徑的SPAC(特殊目的收購公司)渠道已經(jīng)基本關(guān)閉。相反，分階段收購正變得越來越普遍。許多大公司現(xiàn)在更傾向于收購擁有核心技術(shù)的PIC團隊以獲得其集成能力，而非直接購買其完整的產(chǎn)品組合。
克服PIC障礙需要什么？
隨著PIC技術(shù)從可行性驗證邁向?qū)嶋H部署，仍然存在幾個關(guān)鍵的挑戰(zhàn)。其中有三項尤為突出，值得行業(yè)集中工程力量和資本進行攻關(guān)。
·異質(zhì)材料的集成
當前的制造技術(shù)可以生產(chǎn)出性能優(yōu)異的單個PIC組件，但這些組件往往依賴于多種不同材料，這些材料很難在同一塊晶圓上實現(xiàn)穩(wěn)定集成。例如，當磷化銦(InP)激光器與硅材料鍵合時，兩者的熱膨脹系數(shù)不匹配會導致光耦合失準，從而大大降低產(chǎn)品良率。
關(guān)鍵研究方向：設計具有可擴展性的鍵合與對準技術(shù)，能夠在硅基底上集成異質(zhì)材料，且滿足CMOS(互補金屬氧化物半導體)兼容的制造公差，同時不損害熱可靠性、光學效率或產(chǎn)品良率。在此領(lǐng)域的突破將直接降低功耗、削減成本，并推動硅光子技術(shù)實現(xiàn)全面的規(guī)?；a(chǎn)。
·針對高密度、高效率與高速度優(yōu)化的3D封裝方法
目前，針對PIC的封裝技術(shù)改進主要集中在擴大生產(chǎn)規(guī)模和降低成本上，并未充分解決光子學所特有的精度挑戰(zhàn)。例如，傳統(tǒng)的倒裝芯片(Flip-Chip)工藝根本無法滿足芯片間光耦合所需的嚴苛公差：垂直方向需要±1至2微米的精度，而水平方向則需要±200至300納米的精度。
關(guān)鍵研究方向：開發(fā)新型的耦合或鍵合技術(shù)，以實現(xiàn)光子“芯粒”(chiplet)的自動化晶圓級集成，同時維持亞微米級的對準精度，且無需昂貴的人工對準或封裝后調(diào)校。該領(lǐng)域的成功將大幅降低封裝成本、提高良率，并使真正的晶圓級集成具備商業(yè)可行性。
·面向量子計算的低溫至室溫光子接口
低溫量子計算面臨的一個關(guān)鍵基礎挑戰(zhàn)，就是如何將系統(tǒng)可靠地連接到外部。傳統(tǒng)的銅互連會傳導熱量、限制帶寬，并且無法承載量子態(tài)。光子互連可以有效應對這些限制，能夠在低溫環(huán)境與室溫環(huán)境之間傳輸信號，并在量子計算模塊之間分發(fā)量子糾纏態(tài)。
關(guān)鍵研究方向：開發(fā)能夠在低溫(約4K或-269.15℃)至室溫(約300K或26.85℃)的寬溫范圍內(nèi)穩(wěn)定運行的光子收發(fā)器，同時確保波導之間保持結(jié)構(gòu)和熱穩(wěn)定性，并實現(xiàn)亞微米級的光學對準精度。該領(lǐng)域的突破將是實現(xiàn)模塊化量子計算架構(gòu)的關(guān)鍵一步。
支持這一轉(zhuǎn)型
光子集成電路的商業(yè)化早已過了可行性討論的階段。未來的持續(xù)進步有賴于工程層面的實質(zhì)性突破，而這需要大量的研究和資金支持?，F(xiàn)在，電子工程師、制造科學家與投資者必須匯聚一堂，協(xié)同創(chuàng)新，并以能夠跟上社會對數(shù)字化服務指數(shù)級增長的需求之速度，實現(xiàn)技術(shù)規(guī)模化的突破。我們在此領(lǐng)域的成功，將最終定義下一個計算時代的版圖。
本文翻譯自國際電子商情姊妹平臺EE Times，原文標題：
