光子集成電路（PIC）是比“硅光子學(xué)”更廣泛、更準確的術(shù)語，目前正被超大規(guī)模企業(yè)部署，以繞過功耗和帶寬上限，方式與從銅線向光纖的電信轉(zhuǎn)變在技術(shù)和經(jīng)濟上都截然不同。
加速向集成光子技術(shù)轉(zhuǎn)型并推動這些技術(shù)商業(yè)化激增的有兩個因素：技術(shù)性能限制和市場壓力。
基于電子的光刻和封裝的物理限制限制了摩爾定律的進展。演變的平刻工藝提高了特征密度。然而，強迫更多電子通過更小體積會增加熱量和電干擾。通過光子代替電子傳遞信息來減少這些影響。
隨著全球經(jīng)濟環(huán)境向人工智能驅(qū)動的生產(chǎn)力和跨境數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)變，數(shù)據(jù)流動——其成本、能源足跡和可擴展性——正成為結(jié)構(gòu)性瓶頸。這使集成光子學(xué)和光學(xué)互聯(lián)成為數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施下一階段的關(guān)鍵推動力。數(shù)據(jù)中心是這一轉(zhuǎn)型的經(jīng)濟中心，推動資本投資向光學(xué)架構(gòu)發(fā)展。集成光子技術(shù)在能效和吞吐量方面帶來了重大改變，實現(xiàn)了無需成比例能源增長的超大規(guī)模擴張——這與能源成本上升、排放審查以及地緣政治爭奪數(shù)字供應(yīng)鏈相契合。投資影響顯而易見：在未來周期中，資本很可能傾向于能夠商業(yè)化光互聯(lián)、集成光子芯片和節(jié)能數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施的公司。
秘密驅(qū)動力
雖然這兩個因素推動了發(fā)展勢頭，但一個常被忽視的第三個因素正逐漸顯現(xiàn)：安全性。顯然，僅靠軟件來處理安全措施正日益不足。為了增強信任，技術(shù)必須內(nèi)置于通信基礎(chǔ)設(shè)施中，而非疊加。嵌入式光子通道通過消除可被竊聽的導(dǎo)電路徑，減少攻擊面。集成光子技術(shù)可以在硬件層融合光學(xué)信號和加密，如真正的隨機數(shù)生成。
電信繁榮（與崩盤）與PIC爆炸的區(qū)別
在引入新技術(shù)時，通常會回顧過去廣泛的行業(yè)轉(zhuǎn)型，以預(yù)見市場在技術(shù)和財務(wù)方面的需求。電信技術(shù)幾十年前就從銅線轉(zhuǎn)向光纖。雖然ICs看起來走在相似的道路上，但差異卻很大。
不同的“殺手級應(yīng)用”
電信采用光纖支持數(shù)千公里長途、高數(shù)據(jù)速率傳輸，但這種擴展主要是預(yù)期而非驗證需求驅(qū)動，最終在互聯(lián)網(wǎng)泡沫破裂時崩潰。相比之下，集成光子學(xué)則是由AI和區(qū)塊鏈系統(tǒng)需求激增驅(qū)動的——這些服務(wù)我們本來就難以支持。與電信時代不同，我們本已難以滿足的服務(wù)需求沒有減緩。
相同的構(gòu)建單元，不同的尺度
電信和集成光子學(xué)使用相同的構(gòu)件——波導(dǎo)、光源、調(diào)制器和光電探測器——但將這些組件從微米級減小到納米級，會帶來根本不同的物理、制造方法和集成挑戰(zhàn)：
- 波導(dǎo)：電信系統(tǒng)引導(dǎo)光線通過光纖;PIC引導(dǎo)光線通過帶有光刻圖案的波導(dǎo)，或在某些情況下通過芯片上的自由空間路徑。
- 光源：電信激光器是通過散裝光學(xué)耦合的離散溫控模塊。PIC激光器（通常為InP）集成在片上，降低了體積、功耗和系統(tǒng)復(fù)雜度。
- 調(diào)制器：電信調(diào)制器是帶有厘米長光纖尾線和耦合器的離散LiNbO或InP器件。PIC調(diào)制器直接圖案化于硅上，實現(xiàn)緊湊、節(jié)能、密集復(fù)用的調(diào)制。
- 光電探測器：電信接收器使用離散的InGaAs探測器，配合片外的超阻抗放大器，通過光纖實現(xiàn)。PIC光電探測器（通常稱為Ge）與放大器、波導(dǎo)和邏輯電路共集成，實現(xiàn)高密度、低損耗信號轉(zhuǎn)換。
由于PIC面臨的主要挑戰(zhàn)是開發(fā)能夠高效大規(guī)模制造、具備合理良率和校準公差的光刻和封裝工藝，行業(yè)必須不斷提升制造能力。幸運的是，CMOS制造工具和工藝已經(jīng)為這一轉(zhuǎn)變奠定了堅實基礎(chǔ)。
PIC市場的投資格局
PIC行業(yè)結(jié)合了長開發(fā)周期和高資本需求，但其驅(qū)動力來自超大規(guī)模企業(yè)、金融機構(gòu)和去中心化網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)性、非可選需求。擁有耐心資本和對硬件擴展經(jīng)濟學(xué)理解的投資者，將有機會受益，因為光互連和光子安全成為數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施的基礎(chǔ)層。
在觀察資本投資集中的方向時，分析指向封裝和互聯(lián)創(chuàng)新，以及基于光子學(xué)的安全堆棧。這些細分直接對應(yīng)推動采用的主要痛點：節(jié)能互聯(lián)和硬件級加密韌性。
然而，投資者必須對投資期限和資本強度保持現(xiàn)實。PIC初創(chuàng)企業(yè)的開發(fā)周期明顯更長——通常為8到14年以實現(xiàn)規(guī)?；?mdash;—而且需要4000萬到1.5億美元才能實現(xiàn)實質(zhì)性的收入調(diào)整。光子初創(chuàng)企業(yè)的中位退出時間約為九年，預(yù)計十年內(nèi)失敗率在40%至60%之間，盡管由于幸存者偏差和未公開的關(guān)閉情況，觀察到的停產(chǎn)率似乎較低。
美國經(jīng)濟在2015年至2025年間成立了35至50家具備競爭力的集成光子學(xué)公司，涵蓋Si、SiN、InP和LNOI平臺。
根據(jù)歷史基準和行業(yè)比較，這些早期初創(chuàng)公司（安全光子硬件、金融科技/交易所試點）在未付入資金的估值在1000萬美元到2000萬美元之間，而成長階段初創(chuàng)企業(yè)（電信/金融部署、量子準備試點）則在3000萬到7000萬美元的預(yù)付費價之間。平均而言，這些初創(chuàng)公司在選擇退出前籌集約1.89億美元，成功的退出項目籌集資金介于2250萬至4.5億美元之間。最終成功的PIC公司通常在退出前籌集1.75億美元至2億美元。
高價值成果通常與擁有大型可覆蓋市場和系統(tǒng)級平臺（如相干光學(xué)和廣泛應(yīng)用的先進傳感）的公司保持一致。較低價值的退出（<2億美元）通常發(fā)生在細分的PIC架構(gòu)中，如僅組件產(chǎn)品策略。
出口動態(tài)現(xiàn)已發(fā)生變化，SPAC通道崩潰，消除了2020–2021年多家光學(xué)公司此前膨脹的通道。隨著企業(yè)收購PIC團隊以增強集成能力，而非完整產(chǎn)品組合，分階段收購越來越普遍。
解決PIC障礙所需的方法
隨著PIC技術(shù)從可行性走向部署，仍有若干關(guān)鍵障礙存在——其中三個特別值得集中的工程努力和投資。
材料的異質(zhì)集成
當前制造技術(shù)可以生產(chǎn)單個PIC元件，但這些元件依賴于多種難以在同一晶圓上集成的材料。例如，當InP激光器與硅結(jié)合時，熱不匹配會導(dǎo)致光學(xué)耦合錯位并降低良率。
可作的研究領(lǐng)域：設(shè)計可擴展的鍵合和比對技術(shù)，利用CMOS兼容的公差將異質(zhì)材料集成在硅上，同時不降低熱可靠性、光學(xué)效率或良率。該領(lǐng)域的成功將降低功耗、降低成本，并實現(xiàn)硅光子學(xué)的全面可擴展性。
三維封裝方法優(yōu)化了密度、效率和速度
目前PICS封裝改進主要集中在擴大生產(chǎn)規(guī)模和降低成本，但并未解決光子學(xué)特有的挑戰(zhàn)。例如，傳統(tǒng)的翻轉(zhuǎn)芯片工藝無法滿足芯片間光學(xué)耦合所需的垂直（±1–2微米）和橫向（±200–300納米）公差。
可作的研究領(lǐng)域：開發(fā)能夠?qū)崿F(xiàn)光子芯片自動晶圓級集成的耦合或鍵合技術(shù)，同時保持亞微米級的校準公差——無需人工比準或組裝后調(diào)優(yōu)。該領(lǐng)域的成功將降低成本，提高良率，使全晶圓級集成具有商業(yè)可行性。
低溫到室溫的量子計算光子接口
低溫量子計算的一個關(guān)鍵挑戰(zhàn)是簡單地連接到系統(tǒng)。銅互連會導(dǎo)熱、限制帶寬，且無法攜帶量子態(tài)。光子互連解決了這些限制，實現(xiàn)了低溫到室溫的信號傳遞和量子模塊間的糾纏分布。
可作的研究領(lǐng)域：開發(fā)能夠可靠運行于低溫（≈4 K）至室溫（≈300 K）的光子收發(fā)器，同時保持結(jié)構(gòu)和熱穩(wěn)定性，以及波導(dǎo)間亞微米的光學(xué)對齊。該領(lǐng)域的成功將使模塊化量子架構(gòu)成為可能。
支持過渡
PIC的商業(yè)化不再是可行性的問題。持續(xù)的進展依賴于工程進步，這需要大量研究和資金支持。這正是電氣工程師、制造科學(xué)家和投資者必須匯聚的地方，以更快的速度創(chuàng)新和擴展，以支持社會日益增長的服務(wù)需求。這里的成功將定義下一個計算時代。
