摘要：9月16日，美国科学家研发出一款光基芯片，可利用光与电协同工作，高效完成人工智能（AI）中功耗极高的图像识别等任务。新型芯片能效比执行同样任务的传统芯片提升10倍甚至百倍以上，有望显著缓解AI应用对电力的巨大需求，同时推动更高性能AI系统和模型的发展。 该研究

9月16日，美国科学家研发出一款光基芯片，可利用光与电协同工作，高效完成人工智能（AI）中功耗极高的图像识别等任务。新型芯片能效比执行同样任务的传统芯片提升10倍甚至百倍以上，有望显著缓解AI应用对电力的巨大需求，同时推动更高性能AI系统和模型的发展。 该研究团队将光学元件直接集成于硅芯片之上，构建出一个借助激光与显微透镜进行卷积运算的系统，大幅降低了执行AI任务时的能耗。该芯片采用标准半导体工艺，在芯片表面蚀刻了两组微型菲涅耳透镜。在执行卷积运算时，机器学习数据首先被转换为激光信号，穿过透镜完成数学变换，最终结果再转回数字信号，以完成AI任务。测试表明，该光基芯片对手写数字的分类准确率可达98%，媲美传统电子芯片。 今天我们来了解一下什么是光基芯片。

光基芯片的定义与核心功能

光基芯片，即光子集成电路（Photonic Integrated Circuit, PIC），是一种以光波为信息载体，通过集成光学原理实现信号传输、调制、处理与检测的新型芯片器件。与传统电子芯片依赖电子迁移不同，光基芯片利用光子的波粒二象性，在微米级光波导结构中完成信息的高速交互，其核心特征在于突破电子带隙效应带来的物理限制。从技术本质看，光基芯片通过将激光器、调制器、探测器等光学元件集成于单一衬底，构建完整的 “光信息处理回路”，实现从电信号到光信号的转换、传输及反向转换全过程。

光基芯片的核心功能体现在三个维度：首先是超高速信息传输，基于光波的高频特性（10¹⁴-10¹⁵Hz），其数据传输速率可达电子芯片的三个数量级以上，单通道速率突破 400Gbps 已成为行业常态；其次是低功耗长距离传输，光子在介质中传播的损耗仅为电子在导线中传输损耗的万分之一，且无需应对电磁干扰问题，在数据中心互联场景中可将能耗降低 70% 以上；最后是并行处理能力，利用波分复用（WDM）技术，单根光纤可同时传输数十路不同波长的光信号，如同多条 “光子高速公路” 并行运行，这为 AI 算力集群等大规模数据处理场景提供了关键支撑。

光基芯片的分类体系

按有源 / 无源特性分类，光基芯片可分为有源器件芯片和无源器件芯片两大类。有源芯片包含光源与探测组件，能实现电光 / 光电转换，主要包括 FP、DFB、EML 等边发射激光器芯片，以及 PIN、APD 等探测器芯片，在光模块成本中占比超过 90%。无源芯片则专注于光信号的路由与调控，如 PLC 分路器、AWG 波分复用器等，通过光波导结构的几何设计实现光信号的分合、滤波等功能，其核心优势在于低损耗和高稳定性。这种分类方式直接对应光通信系统的发射、传输、接收全链路需求，形成功能互补的技术体系。

数据来源：行行查 | 行业研究数据库 www.hanghangcha.com

按材料体系分类可划分为五大主流平台：硅基（Si/SiO₂）平台凭借与 CMOS 工艺的兼容性成为大规模集成的首选，但其间接带隙特性限制了光源集成；磷化铟（InP）平台作为直接带隙材料，可单片集成激光器、调制器和探测器，在长距离通信中占据主导地位；砷化镓（GaAs）平台适用于短距离传输的 VCSEL 面发射激光器，在数据中心内部互联中应用广泛；氮化硅（SiN）平台以超低传输损耗（

按应用场景分类呈现明显的技术分化：通信领域的光基芯片追求高带宽低误码率，如 5G 基站前传模块采用 25G DFB 激光器芯片，需满足 - 40℃至 85℃的宽温工作环境；计算领域的光基芯片侧重低延迟与高集成度，如 AI 集群采用的共封装光学（CPO）芯片，需将光引擎与计算芯片的距离缩短至毫米级；传感领域的光基芯片则强调高灵敏度，如激光雷达芯片通过固态光相控阵（OPA）实现微米级距离探测。这种场景化分类推动光基芯片向 “定制化设计” 方向发展，形成细分市场的技术壁垒。

光基芯片的核心工作原理

光基芯片的信号处理流程始于电光转换环节。在有源器件中，激光器芯片通过正向偏压下的电子 - 空穴复合释放光子，不同结构的激光器对应特定波长输出：DFB 激光器利用分布式布拉格光栅实现单模输出，适用于长距离传输；VCSEL 激光器通过垂直共振腔结构实现面发射，在短距离场景中具备成本优势。调制器则通过电光效应（如铌酸锂的泡克尔斯效应）或热光效应，改变光波导的折射率，进而实现对光信号强度、相位或频率的调控，目前最先进的薄膜铌酸锂调制器已实现 112Gbps 的高速调制。

光信号的传输与接收构成工作原理的另一核心环节。在光波导结构中，光信号通过全反射原理被约束在高折射率芯层（如硅芯层折射率 3.5，包层 SiO₂折射率 1.45），形成稳定的传输模式。无源器件通过设计波导分支、耦合器等结构实现光信号的路由，例如 AWG 波分复用器利用不同波长在光栅中的干涉特性，将多路信号合路至单根光纤。接收端的探测器芯片则通过光电效应完成信号转换：当光子入射到半导体材料（如 InGaAs）时，能量被电子吸收产生光生载流子，形成可检测的电信号，APD 探测器通过雪崩倍增效应可将灵敏度提升 100 倍以上。整个过程实现了 “电 - 光 - 电” 的完整信息链路，且全程保持光子的高速传输特性。

光基芯片的核心构造与材料组成

光基芯片的核心构造包括光波导、功能器件和封装结构三大层级：光波导作为光信号传输的 “血管”，分为脊形、条形等结构，其横截面尺寸仅为微米级（通常 2-5μm 宽，0.2-0.5μm 高），需通过精密光刻定义；功能器件层集成激光器、调制器、探测器等核心组件，如 InP 芯片的有源层采用 InGaAsP 量子阱结构增强发光效率，硅光芯片则通过异质集成 Ⅲ-Ⅴ 族材料解决光源问题；封装结构负责光学接口（如光纤阵列）与电学接口（如金凸点）的引出，同时提供热管理功能，高端光芯片封装成本可达芯片本身的 50%。材料选择上，衬底以 Si、InP、GaAs 为主，功能层采用 InGaAsP、AlGaInAs 等三元 / 四元化合物，而 SiO₂、SiN 则常用作包层材料，这种多元材料体系既满足光学性能需求，又兼顾制造可行性。

光基芯片的制造工艺特点

光基芯片制造工艺呈现 “多元集成” 与 “精密控制” 的双重特征。核心流程包括外延生长、光刻刻蚀、薄膜沉积和金属互联等步骤：外延生长通过 MOCVD 技术在衬底上形成精确组分的半导体层，如 InP 芯片需生长有源层、无源层和掺杂覆盖层，厚度控制精度达纳米级；光刻刻蚀采用深紫外（DUV）光刻技术定义光波导等精细结构，InP 芯片的深刻蚀工艺可将波导弯曲半径降至 10μm；薄膜沉积通过 PECVD 等技术制备 SiO₂、SiN 等绝缘层，表面粗糙度需控制在 0.5nm 以下以降低传输损耗。与传统电子芯片不同，光基芯片制造需特别解决异质集成难题，如硅基上集成 Ⅲ-Ⅴ 族激光器需通过键合技术克服晶格失配，目前主流的混合集成工艺可实现每平方厘米数万器件的集成密度，但良率控制仍面临挑战。

光基芯片的典型应用领域

光基芯片已形成 “通信为基、计算突破、传感拓展” 的应用格局。在通信领域，5G 基站前传模块采用 25G DFB 芯片实现信号回传，国内厂商已占据 50% 市场份额，而数据中心通过 400G/800G 硅光芯片构建高速互联网络，谷歌、亚马逊等巨头的数据中心光互联渗透率已超 60%；在计算领域，AI 算力集群采用 CPO 技术将光模块与 GPU 共封装，华工正源等企业推出的 3.2T CPO 产品可将互联带宽提升 10 倍；在传感领域，硅基片上激光雷达通过固态光相控阵实现无机械扫描，Mobileye 等企业计划 2025 年量产车规级产品；在量子计算领域，“博雅一号” 光量子芯片集成 2500 个光学元件，实现高维度量子纠缠态调控，为量子信息处理提供硬件基础。这些应用共同推动全球光子集成电路市场规模向 2035 年 540 亿美元的目标迈进。

光芯片产业链分为上中下游三个环节，协同支撑光通信与算力互联的发展。

1）上游为原材料供应，包括光芯片（光子集成电路，核心处理光信号）、电芯片（驱动与控制，实现电光转换）、PCB（电路承载基底）、结构件与套管（机械支撑、环境防护），是中游光器件性能的基础保障。
2）中游是光器件核心环节，涵盖有源组件（激光器、探测器等，负责光信号产生 / 探测）、无源组件（波分复用器等，调控光信号路由），以及光收发模块（集成收发功能）、光功能模块（放大 / 滤波等扩展功能），整合上游技术实现光信号的完整处理链路。
3）下游面向光通信系统设备（供应电信运营商，支撑 5G 基站、骨干网建设）与云计算数据中心厂商（满足 AI 算力集群的高速光互联需求），应用场景的规模扩张与技术升级（如 400G/800G 光模块），持续推动中游器件迭代与上游材料创新。

全球光芯片市场规模呈现出显著的增长趋势。从2023年到2027年，该市场的复合年增长率（CAGR）预计将达到14.68%，显示出强劲的发展势头。具体来看，市场规模在2023年基础上逐年扩大，至2027年将达到一个新的高峰。这一增长主要得益于技术进步、市场需求增加以及应用场景的不断拓展。

中国光芯片市场规模近年来持续增长，2020年市场规模约为90亿元，随后逐年上升，至2024年达到152亿元。预计到2025年，市场规模将进一步扩大至约160亿元。这一趋势反映出光芯片在通信、数据中心和人工智能等领域的应用需求不断攀升，推动产业快速发展。数据来源包括中商产业研究院与华源证券研究所，显示出该行业处于高速增长阶段，未来发展前景广阔。

光基芯片行业正沿着 “集成度提升、材料创新、场景适配” 三大主线演进。技术上，硅光集成向超大规模迈进，目前，800G硅光模块已成为主流，1.6T光模块即将商业化量产，而3.2T产品进入验证阶段，预计2025年硅光技术在光模块中的渗透率将突破50%；材料方面，薄膜铌酸锂、量子点激光器等新型材料平台快速崛起，有望解决硅基光源缺失的痛点；场景适配催生技术分化，LPO方案在推理侧以较低的功耗优势，获得认可，CPO方案则瞄准训练侧超高速需求，形成多元技术路线并存格局。同时，国产替代进程加速，25G光芯片实现量产突破，硅光芯片流片平台完成国产化布局，未来五年将成为全球光基芯片产业的重要增长极。这种技术创新与产业升级的协同，正在重塑信息产业的底层技术架构，为后摩尔时代提供核心驱动力。

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来源：行行查