光芯片是以光波为信息载体，采用集成光路技术实现信息处理与传输功能的芯片，其本质是光电融合芯片，通过集成光子器件或光子功能单元，结合电子芯片技术实现高效、低损耗的信息处理。 以下从技术原理、发展历程、技术优势、应用挑战、发展趋势、应用场景、产业格局七个方面展开介绍：

微电子芯片以电流信号为信息载体，而光芯片采用频率更高的光波作为载体。例如，研究人员将磷化铟的发光属性和硅的光路由能力整合到单一混合芯片中，当给磷化铟施加电压时，光进入硅片的波导，产生持续的激光束，驱动其他硅光子器件。这种基于硅片的激光技术推动了光子学在计算机中的更广泛应用。

光互联通过多种复用方式（如波分复用WDM、模分互用MDM等）提高传输媒质内的通信容量，片上光互联技术基于集成光路，被视为突破传统集成电路物理极限瓶颈的潜力技术。

发展历程：

1969年，美国贝尔实验室提出集成光学概念，但受技术和商业化限制，直到21世纪初，以Intel和IBM为首的企业与学术机构才开始重点发展硅芯片光学信号传输技术，期望用光通路取代芯片间的数据电路。

近年来，硅、氮化硅、磷化铟、III-V族化合物、铌酸锂、聚合物等多种材料体系被用于研发单片集成或混合集成的光子芯片，光子集成技术取得诸多进展和突破。

技术优势：

相比电子集成电路或电互联技术，光芯片具有更低的传输损耗、更宽的传输带宽、更小的时间延迟以及更强的抗电磁干扰能力。

在高速数据处理和传输场景中，光芯片能大幅降低信息连接的成本、复杂性和功率损耗。例如，随着技术迭代，云计算厂商和企业客户需求从100G过渡到400G，400GbE数据通信模块出货量在2021年翻倍，800G及更高速率产品也逐渐投入使用。

应用挑战：

纯光子器件虽可作为独立功能模块，但因光子难以灵活控制光路开关，也无法作为存储单元，难以实现完整信息处理功能，仍需借助电子器件。因此，严格意义上的纯“光子芯片”仍处于概念阶段，当前“光子芯片”多为光电融合芯片。

光电融合芯片存在无法高密度集成光源、集成低损耗高速光电调制器等问题，限制了其性能进一步提升。

发展趋势：

光子集成电路虽处于初级发展阶段，但成为光器件主流趋势已成必然。未来，光子芯片将与成熟的电子芯片技术深度融合，运用电子芯片先进的制造工艺及模块化技术，硅光技术（结合光子和电子优势）将成为主流形态。

应用场景：

光芯片为高速数据处理和传输提供关键连接平台，广泛应用于云计算、数据中心、通信网络等领域。随着技术升级，其应用场景将进一步拓展至人工智能、自动驾驶等对数据传输速度和效率要求极高的领域。

产业格局：

全球光芯片产业竞争激烈，本土厂商包括芯思杰、瑞识科技、新亮智能、度亘激光、长瑞光电、立芯光电、源杰半导体、锐晶激光、索尔思光电、长光华芯、华工科技、光迅科技、新易盛、云岭光电、敏芯半导体、博创科技、中际旭创、纵慧芯光、曦智科技、剑桥科技、凌越光电、盛为芯等企业，在技术研发和市场份额争夺中扮演重要角色。

华为的光器件芯片部分是自产，部分是外购。具体情况如下：

自产部分：华为在某些光器件芯片上拥有自主研发和设计的能力。例如，华为可能会基于某些芯片架构进行再设计，并集成自己的技术，如wifi、3G、4G等芯片功能。这些设计完成后，会交给代工厂进行生产。虽然生产过程是由代工厂完成的，但设计和核心技术的掌握仍属于华为，因此这些芯片可以被认为是华为自产的。

外购部分：除了自产的光器件芯片外，华为也可能会从其他供应商处购买部分光器件芯片。这些外购的芯片可能来自于全球各地的芯片制造商，具体供应商和采购情况可能会根据市场供应、成本效益和技术需求等因素而有所变化。

综上所述，华为的光器件芯片来源是多元化的，既包括自产部分，也包括外购部分。华为会根据自身的技术实力、市场需求和供应链策略来灵活调整自产和外购的比例。

作者 | 张双虎

IBM研发出2纳米制程芯片的消息尚未传开，台积电和合作伙伴就宣布取得了1纳米以下制程芯片技术突破。业内普遍认为，芯片技术日新月异的同时，也一步步逼近其物理理论的极限。

近日，瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）教授Tobias Kippenberg团队开发出一种采用氮化硅衬底制造集成光子电路（光子芯片）的技术，得到了创纪录的低光学损耗，且芯片尺寸小。相关研究发表在《自然—通讯》上。

光子芯片奋起直追，也许能帮助人们突破摩尔定律的“天花板”，开辟新的“赛道”。

“硅家族”与大马士革工艺

光子芯片通常由硅制成，硅在地壳中含量丰富且具有良好的光学特性，但难以满足集成光子芯片所需的一切条件，因此出现了诸多新材料加以替代，如氮化硅、二氧化硅、氮化铝、铌酸锂、碳化硅等。

Tobias Kippenberg团队采用一种氮化硅光子大马士革工艺（光子镶嵌工艺）技术。大马士革工艺是一种非常古老的工艺，最早可以追溯到阿拉伯人在他们的武器和装饰上面做颜色的镶嵌和绘图。这个工艺要先做出图形轮廓，然后把颜色材料镶嵌到轮廓中再进行抛光，这样就得到一个色彩艳丽的图案。

“大马士革工艺思路曾被用在早期以铜为材料的电子电路制造上。研究当中，我们把氮化硅大马士革工艺用到集成光路制造上，得到了极低的光损耗。”论文第一作者、EPFL微纳技术中心博士刘骏秋告诉《中国科学报》，“利用这一技术，我们制造了光损耗仅为1dB/m的集成光路，创下了所有非线性光子集成材料的纪录。”

使用这项新技术，研究人员在5平方毫米的芯片上制备了高品质因数的微谐振器和超过一米长的波导。他们还报告了九成的制造良品率，这对于将来扩大工业生产规模至关重要。

“超低损耗的氮化硅集成光子芯片对未来通信、计算和6G技术都至关重要。这种类型的光子芯片可以将信息编码进光，再通过光纤传输，并成为光通信的一个核心组成部分。”刘骏秋说。

光子集成后发先至

“电子芯片工作时，可以理解为电信号输入芯片进行处理，比如存储、读取、进行运算等，之后再输出。与之类似，光子芯片是将光信号输入芯片，进行数据传输、存储、计算和输出的芯片。”刘骏秋表示，“相对于电子芯片，光子芯片虽然起步较晚，但有自己独特的优势。”

科学家认为，光具有天然的并行处理能力及成熟的波分复用技术，从而使光子芯片的数据处理能力、容量及带宽均大幅度提升。光波的波长、频率、偏振态和相位等信息可以代表不同的数据，用来作为非常高效的通信种子源。

“光子芯片具有高运算速度、低功耗、低时延等特点，且不易受到温度、电磁场和噪声变化的影响。”中科创星董事总经理张思申说，“光子芯片不必追求工艺尺寸的极限缩小，就能有更多的性能用以提升空间。”

“与电芯片相比，光芯片在诸多领域，比如通信、激光雷达、传感、图像分析方面有独一无二的优势。”刘骏秋解释说，光芯片速率可以达到100G，比电芯片快很多，这样可以在光的通道上面做更多信息的编码，承载更多的信息，同时功耗比电芯片更小。因为光在传播中不会产生任何热效应，这和电子不一样，还有光和光之间不会有相互作用，不会受到背景电磁场干扰。

刘骏秋所在团队曾利用氮化硅光芯片架构光神经网络，使用一个卷积神经网络去求解矩阵，然后应用在浮雕过滤器上。相关成果发表在今年1月的《自然》上。

“我们把一个图像信号输入系统中，经过浮雕过滤器，它会强化高频信号、弱化低频信号，即实现强化图像边缘的目的。比如一辆小 汽车 的图片，它原来的车灯内部结构你可能看不到。经过浮雕过滤器处理的新图像中，车灯内部结构被强化了。”刘骏秋说，“这证明了氮化硅光子芯片在光神经网络、深度学习方面有很好的应用。”

除人工智能外，光子芯片广泛用于激光雷达、微波滤波器、毫米波生成、天体光谱仪校准、低噪声微波生成，也可以用作中红外双梳光谱，测量气体当中的成分。若应用到光学相关断层扫描，则可以看生物组织的结构。它还能用作数据中心开关，进行数据调控。

两条赛道的竞争与合作

刘骏秋说，通俗地理解，信息在手机或者电脑里进行处理主要使用电子芯片，但信息的传递是需要光纤的。所以，到这一步就需要进行电光转换。“目前，光和电是在两个‘赛道’上，各有自己的应用场景。”

“现在英特尔数据中心用的集成半导体激光器，就是将电信号转换成光信号，然后进行数据处理、编码和传输。英特尔每年向全世界输送数千万个这样的集成半导体激光器芯片。”刘骏秋说，“光子集成电路相对于传统分立的‘光—电—光’处理方式降低了复杂度，提高了可靠性，能够以更低的成本构建一个具有更多节点的全新网络结构。虽然目前仍处于初级发展阶段，不过其成为光器件的主流发展趋势已成必然。”

“在逻辑运算领域，未来的趋势是光电集成的结合，还需要很长一段时间，才能实现全光计算。”张思申说，“总体来说，目前只在个别计算和传输领域，光子芯片可以替代电子芯片。”

刘骏秋认为，从架构上可以看出，光子芯片系统整体非常复杂。光子芯片系统里有光源、处理器、探测器，也需要各种材料之间集成的协同，很少有单个研究单位能够对整个系统进行架构和制备。在制造工艺上，两者虽然流程和复杂程度相似，但光子芯片对结构的要求不像电芯片那样严苛，一般是百纳米级。因此，光子芯片不会像电子芯片那样必须使用极紫外光刻机（EUV）。

“光的波长在百纳米到一微米量级，因此限制了光子器件的集成密度。但这同时也意味着，光芯片达到最理想的工作条件并不依赖最先进的半导体工艺制程，比如极紫外光刻机。”刘骏秋说，“这大大降低了对先进工艺的依赖，一定程度上缓解了当前芯片发展的瓶颈问题。”

此外，光子芯片提供了全新的芯片设计架构思路，彻底颠覆原有的设计理念，有更多的设计创意空间。

“光有光的优势，电有电的优势。光的优势是稳定，不容易受外界影响。同时这也是光的劣势，意味着人们想操控光，改变它的状态，手段非常有限。”刘骏秋说，“在某些应用场景中，两者也有竞争，比如神经网络。但更多的时候，二者是合作关系。光芯片技术目前还没有电芯片成熟，所以未知的因素很多，两者未来应该很好地衔接起来。”

对此，中国科学院微电子研究所研究员、集成电路先导工艺研发中心副主任罗军持同样观点。

“电子集成电路和光子集成电路之间是互补的关系。”罗军对《中国科学报》说，“未来可以充分利用光子集成电路高速率传输和电子集成电路多功能、智能化的优点，在新的‘赛道’上跑出更好成绩。”

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-021-21973-z

https://doi.org/10.1038/s41586-020-03070-1