科技巨头纷纷入局，硅光芯片发展机遇凸显

硅光芯片（Silicon Photonic Chip）作为基于硅材料制造的新型集成芯片，巧妙地将传统电子器件与光学器件融为一体，实现了光信号的产生、传输、调制和探测等关键功能。这一创新技术的核心价值极为显著，它成功突破了传统电子芯片在带宽、功耗和延迟方面的物理极限，为下一代信息技术提供了全新的解决方案。

据 Yole 报告显示，2023 年，硅基 PIC（芯片）市场规模为 9500 万美元，而预计到 2029 年将增长至 8.63 亿美元以上，复合年增长率 (CAGR2023 - 2029) 高达 45%。如此强劲的增长态势，充分展现了硅光芯片市场的巨大潜力。

硅光芯片的发展历程可谓一波三折。它的起源可以追溯到 20 世纪 60 年代，当时美国贝尔实验室首次提出 “集成光学” 的概念。然而，在随后的几十年里，由于工艺技术的限制以及市场需求的不足，硅光芯片一直未能走出实验室阶段。直到进入 21 世纪，随着 CMOS 工艺的成熟以及数据中心需求的爆发式增长，硅光芯片才逐渐从理论研究迈向产业化探索。英特尔、IBM 等科技巨头的积极加入，更是极大地推动了这一技术的快速发展。

近年来，AI 大模型训练、高性能计算和 5G 通信等新兴场景对数据传输速率和能效比提出了更高的要求，这进一步加速了硅光芯片的技术迭代。业内人士分析指出，硅光子技术正逐步从高端市场向消费级市场渗透，有望成为继 CMOS 之后最具潜力的技术平台之一。

产业格局

硅光子产业格局呈现出多元化的特点，由众多参与者共同构成。其中包括积极参与硅光子行业的主要垂直整合参与者，如 Innolight、思科、Marvell、Broadcom、Coherent、Lumentum、Eoptolink 等；初创企业 / 设计公司，如 Xphor、DustPhotonics、NewPhotonics、OpenLight、POET Technologies、Centera、AyarLabs、Lightmatter、Lightelligence、Nubis Communications 等；研究机构，如 UCSB、哥伦比亚大学、斯坦福工程学院、麻省理工学院等；代工厂，如 Tower Semiconductor、GlobalFoundries、AMF (Advanced Micro Foundry)、imec、台积电、CompoundTek 等；以及设备供应商，如 Applied Materials、ASML、Aixtron、ficonTEC、Mycronic Vanguard Automation、Shincron 等。这些参与者共同推动了硅光子产业的显著增长和多样化发展。

英特尔是最早涉足硅光研究的巨头厂商之一，其对硅光子技术的研究已经超过 30 年。英特尔宣称，自 2016 年推出硅光子平台后，已出货超过 800 万个光子集成电路（PIC）和超过 320 万个集成片上激光器，这些产品被众多大型云服务提供商广泛采用。英特尔的硅光技术采用 CMOS 制造工艺，将激光器、调制器、探测器等光学器件与电路集成在同一块硅基片上，实现了电子与光学的完美结合。该技术支持波分复用（WDM）技术，能够让单条光纤同时传输多种波长的光信号，并且具备高效的光电转换技术，使得硅光模块在数据中心等场景中能够提供高性能的互连解决方案。此前推出的 100G 和 400G 硅光模块已经实现大规模商用，目前英特尔正在与云计算巨头、网络设备商紧密合作，积极推动硅光技术的标准化和普及。

在去年 3 月的 OFC（光纤通信大会）上，英特尔展示了 OCI（光计算互联）chiplet，它将一枚硅光芯片 die 和一片 CPU die 封装在一起，组成一个系统，并演示了两颗 CPU 通过光纤进行通信。在这个过程中，OCI chiplet 负责将 CPU 的电信号转换为光信号。英特尔在博客文章中提到，基于英特尔硅光子技术完全集成的 OCI chiplet，双向传输速率能够达到 4Tbps，在数十米距离内，单向支持 64 个 32Gbps 数据通道，上层协议与 PCIe Gen 5 兼容。尽管这一技术尚未进入量产阶段，但此次演示无疑展示了硅光集成技术未来发展的巨大可能性。而且，不仅仅是英特尔，近一年来开始探讨光通信技术的企业至少还包括英伟达、Synopsys 等上下游市场参与者。

在去年的 GTC 大会上，英伟达宣布，台积电和 Synopsys 将采用英伟达的计算光刻平台进行生产，以加速制造并突破下一代先进半导体芯片的物理极限。台积电和新思科技已决定在其软件、制造工艺和系统中集成英伟达的 cuLitho 计算光刻平台，加快芯片制造速度，并在未来支持最新一代英伟达 Blackwell 架构 GPU。英伟达 CEO 黄仁勋表示：“计算光刻技术是芯片制造的基石。我们与台积电和新思科技合作研发的 cuLitho 技术，旨在应用加速计算和生成式人工智能，为半导体微缩开辟新的前沿。” 此外，英伟达还推出了新的生成式 AI 算法，增强了 GPU 加速计算光刻库 cuLitho，与当前基于 CPU 的方法相比，显著改善了半导体制造工艺。

而在今年的 GTC 大会上，英伟达又推出了 Spectrum - X Photonics，推出一体式封装光学网络交换机，将 AI 工厂扩展至数百万 GPU。与传统方法相比，它们集成了光学创新技术，激光器数量减少了 4 倍，从而实现了 3.5 倍的能效提升、63 倍的信号完整性提升、10 倍的大规模网络弹性以及 1.3 倍的部署速度。黄仁勋表示：“AI 工厂是一种具有超大规模的新型数据中心，网络基础设施必须进行彻底改造才能跟上步伐。通过将硅光子技术直接集成到交换机中，英伟达正在打破超大规模和企业网络的旧有限制，并开启通往百万 GPU AI 工厂的大门。”

在数据通信市场，英特尔以 61% 的市场份额占据领先地位，思科、博通和其他小公司紧随其后。在电信领域，思科（Acacia）占据了近 50% 的市场份额，Lumentum（Neophotonics）和 Marvel（Inphi）紧随其后，相干可插拔 ZR/ZR + 模块推动了电信硅光市场的发展。在目前的市场竞争中，中国厂商的份额相对较少，但国内的中际旭创、新易盛、光迅科技、博创科技、铭普光磁、亨通光电等企业已经开始积极参与竞争，推出了 400G、800G 甚至 1.6T 的硅光模块，其中旭创 1.6T 硅光模块更是采用自研硅光芯片并已处于市场导入期。

去年 9 月，九峰山实验室成功点亮集成到硅基芯片内部的激光光源，实现了国内首次 “芯片出光” 技术突破。这一技术采用自研异质集成工艺，在 8 寸 SOI 晶圆内部完成了磷化铟激光器的工艺集成，利用光信号替代传统电信号进行高速传输。这一突破不仅标志着中国在硅光芯片领域的自主研发能力迈上新台阶，也为未来大规模商用奠定了坚实的基础。

背后驱动力

硅光芯片的产业化进程正在深刻重塑全球半导体产业链的权力结构。其之所以能够在短时间内实现从实验室到产业化的跨越，离不开背后的核心驱动力。

硅光芯片的最大优势在于其与现有 CMOS 工艺的高度兼容性。传统光通信器件往往需要复杂的分立组装工艺，而硅光芯片通过与 CMOS 工艺结合，能够直接利用现有的晶圆生产线进行大规模制造。这种兼容性不仅大幅降低了生产成本，还使得硅光芯片可以无缝融入现有的半导体供应链。此外，新材料体系的应用也为硅光芯片的功能拓展提供了更多可能性。磷化铟（InP）、铌酸锂（LiNbO3）等材料的引入，弥补了硅本身作为发光材料的不足，进一步提升了芯片的性能。

随着人工智能、大数据和高性能计算需求的快速增长，传统电子芯片在带宽、功耗和延迟方面的瓶颈逐渐显现。尤其是在 AI 大模型训练和推理场景中，海量数据的处理需求对芯片的算力和能效提出了前所未有的挑战。硅光芯片凭借其高带宽、低延迟和高能效比特性，成为解决这一难题的关键工具。

数据中心是硅光芯片最重要的应用场景之一。据统计，全球数据中心每年产生的数据流量已达到泽字节（Zettabyte）级别，传统的铜缆连接方式在长距离传输中面临严重的信号衰减问题，而光纤通信虽然具备高带宽优势，但其高昂的成本限制了大规模普及。硅光芯片通过将光电转换功能集成到单一芯片上，既保留了光纤通信的高带宽特性，又大幅降低了系统复杂性和部署成本。以 800G 光模块为例，采用硅光技术的产品相比传统方案可节省约 30% 的功耗，同时体积缩小 40% 以上。这些优势使其成为云计算厂商和电信运营商的首选方案。

全面开花

尽管硅光芯片最初主要应用于数据中心和长距离通信等高端市场，但随着技术的成熟和成本的下降，其应用场景正在迅速扩展至多个新兴领域。硅光子技术正逐步成为智能驾驶、光计算及消费电子领域突破性创新的核心驱动力。

在智能驾驶领域，硅光固态激光雷达技术路线被视为实现大规模商用的关键路径。当前激光雷达多依赖分立器件集成，面临成本高、体积大、功耗及可靠性不足等瓶颈，而硅光芯片化方案通过 CMOS 工艺兼容的高密度集成，显著降低了系统复杂度与制造成本。具体而言，硅基相控阵与光开关阵列两种固态激光雷达方案，凭借其小型化、抗振动特性，正推动激光雷达从机械式向全固态演进。Mobileye 推出的硅光子激光雷达 SoC（系统级芯片）采用调频连续波（FMCW）技术，计划于今年落地。该方案将多路激光发射、接收与信号处理单元集成于单一硅基芯片，体积缩小至传统机械式雷达的 1/10，同时成本降低至数百美元级别，满足车规级可靠性要求。

不仅如此，硅光子技术在光计算领域的潜力同样备受关注。随着算力需求的激增以及传统电子计算的能效瓶颈日益凸显，光计算凭借其并行处理、低功耗及抗干扰优势，成为突破冯・诺依曼架构限制的前沿方向。硅光平台依托成熟的半导体工艺，能够实现光波导、调制器等核心元件的纳米级集成，为光量子计算芯片提供高密度、可编程的硬件基础。硅基波导可稳定生成与操控光子纠缠态，而可编程光开关阵列支持量子态的高效路由。文献显示，硅光芯片已实现 128 模态的高斯玻色采样，集成度较分立器件方案提升 50 倍，验证了其在量子比特扩展中的可行性。这一进展被视作光量子计算走向实用化的重要里程碑。

在消费电子领域，硅光子技术的高集成特性完美契合了设备小型化趋势。可穿戴设备、生物医疗传感器等场景对空间利用率要求严苛，而硅光芯片可在微米尺度内整合光源、探测器与信号处理单元，显著提升功能密度。其在微型化光谱分析、健康监测等场景的应用正逐步从实验室走向商业化。Meta 与硅光芯片厂商合作开发的光学模组，通过集成硅光调制器和波导，将图像传输功耗降低 40%，同时支持 8K 分辨率输出。这种跨领域的技术渗透，标志着硅光子从单一芯片制造向系统级解决方案的跨越式发展。

结语

这场以光子替代电子的技术革命，不仅是对传统半导体产业的一次颠覆性创新，更开启了通向 “光电融合时代” 的大门。面向未来，硅光芯片的产业化进程仍面临多重挑战。例如，如何在提升集成度的同时有效控制热效应；怎样实现 III - V 族材料与硅基工艺的更优异质集成；能否突破光量子计算的可扩展性瓶颈等。这些问题的答案将决定硅光芯片技术演进的深度与广度。