AI洪流下的新引擎：光子集成电路正迎来爆发前夜
光子集成电路(PIC)是一个比“硅光子”更广泛且更准确的术语。如今，超大规模数据中心运营商正在广泛采用这种技术，以打破传统技术在功耗和带宽方面的瓶颈。这一转型在技术和经济层面上，与几十年前电信业从铜缆转向光纤具有根本性的不同。
目前，主要有两个因素正在加速集成光子技术的普及与商业化进程：技术性能的极限和市场压力。
传统的电子元器件基于电子光刻与封装技术，其发展已接近物理极限，这限制了摩尔定律式的持续提升。不断演进的光刻工艺虽能提高器件密度，但在更小体积内强行传输更多电子会导致热量急剧增加，电干扰也随之增强。相比之下，使用光子替代电子来承载信息，可以显著缓解这些问题。
随着全球经济向由人工智能驱动的生产力转型，以及跨境数据流动的爆发式增长，数据传输的成本、能耗和可扩展性日益成为整个数字基础设施发展中的结构性瓶颈。这使得集成光子学与光互连成为下一代数字基础设施的关键推动力。而数据中心正是这一转型的核心，并引导着资本投资流向光学计算架构。
集成光子技术在能效与吞吐量方面实现了突破性的提升，这使得数据中心在进行超大规模扩展时，其能耗增长能够显著低于业务规模的扩展速度，从而成功摆脱了传统系统中能耗与规模成比例同步攀升的困境。
这一趋势与全球能源成本的上涨、愈发严格的碳排放法规，以及各国争夺数字供应链战略主动权的格局高度契合。其投资意义非常明确：在即将到来的投资周期中，那些能够将光互连、光子集成芯片及节能型数据中心基础设施成功推向商业化应用的公司，将更有可能获得资本市场的青睐。
隐藏的驱动力
虽然上述两大因素是推动集成光子技术发展的核心，但常被忽视的第三个因素也正变得愈发重要：安全性。单纯依赖软件层的安全措施已经越来越难以满足需求。要获得更高层级的信任，安全能力必须嵌入到通信基础设施的底层硬件之中，而不是简单地叠加在上面。
嵌入式光子通道通过消除能被窃听的导电路径，大幅减少了系统的攻击面。此外，集成光子技术能够在硬件层面将光信号传输与加密技术深度融合，例如实现真正的随机数生成，从而提供更强大的底层安全防护。
电信业兴衰与PIC爆发的本质差异
在引入新技术时，人们通常会回顾过去行业中大规模的技术迁移，以预测市场在技术需求与商业价值上的变化。几十年前，电信行业曾经历了从铜缆到光纤的根本性转变。尽管集成电路(IC)的发展看似走上了类似的路径，但二者之间仍存在显著差异。
·不同的“杀手级”应用驱动
电信行业当年采用光纤，是为了支持跨越数千公里的长距离、高数据速率传输。但那次扩张更多是基于对市场需求的预期而非已验证的刚性需求。因此，当互联网泡沫破裂时，整个行业随之崩盘。
相比之下，当前推动集成光子技术发展的，是人工智能和区块链系统所带来的真实且不断激增的需求——这些服务已经让现有的基础设施不堪重负。与充满不确定性的电信时代不同，我们目前看不到这些需求有丝毫放缓的迹象，而满足现有需求本身就是一项巨大挑战。
·相同的构建模块，不同的尺度
电信设备和集成光子技术使用相同的基本构件——波导、光源、调制器和光探测器。然而，当这些组件从微米尺度缩小到纳米尺度时，其背后所涉及的物理原理、制造方法，以及集成挑战都发生了根本性的改变。
- 波导：电信系统通过光纤来引导光信号；而PIC则通过光刻技术在芯片上制造图形化的波导，或在某些情况下利用芯片上的自由空间光路来引导光信号。
- 光源：电信激光器通常是带有温控模块的离散器件，并通过宏观光学元件进行耦合；而PIC激光器(通常为InP材质)则直接集成在芯片上，这极大地减小了体积、降低了功耗，并简化了系统复杂性。
- 调制器：电信调制器是离散的LiNbO₃或InP器件，通常带有厘米级的光纤尾纤和耦合器；而PIC调制器可直接在硅片上制造，这使得调制更紧凑、更节能，并能实现高密度复用。
- 光探测器：电信接收端使用离散的InGaAs探测器，并通过光纤连接到片外的跨阻放大器；而PIC光探测器(通常为锗材料)则与放大器、波导和逻辑电路集成在一起，实现了高密度、低损耗的信号转换。
由于PIC面临的主要挑战是开发出能够大规模、高效率、且在可接受的良率和精确对准精度下制造这些组件的光刻与封装工艺，因此整个制造业必须不断进化其能力。幸运的是，现成的CMOS制造工具与工艺已经为这一转型奠定了坚实的基础。
PIC市场的投资格局
PIC领域同时具备研发周期长和资本需求高两大特点。但其增长的驱动力来自超大规模数据中心运营商、金融机构和去中心化网络所带来的结构性、不可替代的刚性需求。对于那些拥有耐心资本、并深刻理解硬件规模化经济规律的投资者而言，随着光互连和光子安全技术逐渐成为数字基础设施的基石，这一领域将展现出显著的长期回报潜力。
分析当前资本投资的集中方向，焦点清晰地指向了封装与互连技术的创新，以及基于光子的安全技术栈。这些领域恰恰对应着推动PIC采用的两大核心痛点：高效能的数据互连，以及具备硬件级加密韧性的系统安全。
然而，投资者也必须对PIC投资的时间周期和资本强度保持清醒的现实预期。PIC初创企业的成长与发展周期远比一般科技公司要长——通常需要8至14年才能实现规模化，并且在达到明显的收入拐点前，通常需要4,000万至1.5亿美元的投入。光子技术初创公司的中位退出时间约为9年，10年期内的失败率估计在40%至60%之间(由于幸存者偏差和未公开的关停事件，实际观察到的数字可能偏低)。
在2015至2025年间，美国在硅(Si)、氮化硅(SiN)、磷化铟(InP)和铌酸锂(LNOI)等不同平台上，涌现了大约35至50家具备持续发展潜力的集成光子技术公司。
根据历史基准和行业对比来看：大多数早期初创企业(专注于光子安全硬件、金融科技/交易所试点应用)，其融资前估值通常在1,000万至2,000万美元之间；而成长期的初创企业(致力于电信/金融部署、量子技术就绪的试点项目)，其融资前估值则在3,000万至7,000万美元之间。总体而言，这类公司在实现退出(通过并购或上市)前，平均需要筹集约1.89亿美元，而极为成功的退出案例融资总额介于2,250万至4.5亿美元之间。最终成功退出的PIC公司，通常在退出前总计需要筹集1.75亿至2亿美元的资金。
高价值的退出结果始终与那些拥有庞大可服务市场和系统级平台能力的公司紧密相连，例如开发相干光通信模块和具备广泛应用前景的先进传感技术平台的公司。而低价值(低于2亿美元)的退出，则往往发生在采用利基型PIC架构、仅提供单一组件产品策略的企业身上。
当前的退出市场环境已经发生变化。曾经为许多光学公司在2020-2021年间提供高估值退出路径的SPAC(特殊目的收购公司)渠道已经基本关闭。相反，分阶段收购正变得越来越普遍。许多大公司现在更倾向于收购拥有核心技术的PIC团队以获得其集成能力，而非直接购买其完整的产品组合。
克服PIC障碍需要什么？
随着PIC技术从可行性验证迈向实际部署，仍然存在几个关键的挑战。其中有三项尤为突出，值得行业集中工程力量和资本进行攻关。
·异质材料的集成
当前的制造技术可以生产出性能优异的单个PIC组件，但这些组件往往依赖于多种不同材料，这些材料很难在同一块晶圆上实现稳定集成。例如，当磷化铟(InP)激光器与硅材料键合时，两者的热膨胀系数不匹配会导致光耦合失准，从而大大降低产品良率。
关键研究方向：设计具有可扩展性的键合与对准技术，能够在硅基底上集成异质材料，且满足CMOS(互补金属氧化物半导体)兼容的制造公差，同时不损害热可靠性、光学效率或产品良率。在此领域的突破将直接降低功耗、削减成本，并推动硅光子技术实现全面的规模化生产。
·针对高密度、高效率与高速度优化的3D封装方法
目前，针对PIC的封装技术改进主要集中在扩大生产规模和降低成本上，并未充分解决光子学所特有的精度挑战。例如，传统的倒装芯片(Flip-Chip)工艺根本无法满足芯片间光耦合所需的严苛公差：垂直方向需要±1至2微米的精度，而水平方向则需要±200至300纳米的精度。
关键研究方向：开发新型的耦合或键合技术，以实现光子“芯粒”(chiplet)的自动化晶圆级集成，同时维持亚微米级的对准精度，且无需昂贵的人工对准或封装后调校。该领域的成功将大幅降低封装成本、提高良率，并使真正的晶圆级集成具备商业可行性。
·面向量子计算的低温至室温光子接口
低温量子计算面临的一个关键基础挑战，就是如何将系统可靠地连接到外部。传统的铜互连会传导热量、限制带宽，并且无法承载量子态。光子互连可以有效应对这些限制，能够在低温环境与室温环境之间传输信号，并在量子计算模块之间分发量子纠缠态。
关键研究方向：开发能够在低温(约4K或-269.15℃)至室温(约300K或26.85℃)的宽温范围内稳定运行的光子收发器，同时确保波导之间保持结构和热稳定性，并实现亚微米级的光学对准精度。该领域的突破将是实现模块化量子计算架构的关键一步。
支持这一转型
光子集成电路的商业化早已过了可行性讨论的阶段。未来的持续进步有赖于工程层面的实质性突破，而这需要大量的研究和资金支持。现在，电子工程师、制造科学家与投资者必须汇聚一堂，协同创新，并以能够跟上社会对数字化服务指数级增长的需求之速度，实现技术规模化的突破。我们在此领域的成功，将最终定义下一个计算时代的版图。
本文翻译自国际电子商情姊妹平台EE Times，原文标题：
