硅光子学和集成光子电路有哪些优势和挑战？
集成光子电路（PIC）是由二氧化硅（玻璃）、硅或磷化铟等材料制成的微型光学系统。PIC的应用范围非常广泛，从能够在巧克力棒大小的封装内发送和接收数十亿比特信息的复杂光学设计，到能够检测周围空气中各种化合物和分子的“人工鼻子”，无所不能。.
借助对CMOS芯片数十亿美元的投资，光子集成电路（PIC）有望突破摩尔定律的限制，释放出新的处理能力扩展潜力。然而，PIC市场仍面临诸多挑战，包括材料限制、集成复杂性和成本控制。PIC需要巨大的市场需求才能抵消其前期设计和制造成本，而生产周期可能长达数月。IDTechEx最新发布的报告《硅光子学和光子集成电路2024-2034：市场、技术和预测》深入分析了PIC市场，并指出用于人工智能的光子收发器是一个新兴领域，并将很快成为PIC需求的最大来源。.
未来的PIC材料是什么？
未来光子集成电路（PIC）的材料种类繁多。目前市场上大多数PIC采用硅基和硅基材料进行光传输；然而，作为一种间接带隙半导体，硅既不是高效的光源，也不是高效的光电探测器。因此，硅通常与III-V族材料结合使用，以实现光源和光电探测。然而，薄膜铌酸锂（TFLN）凭借其适中的泡克尔斯效应和低材料损耗，正逐渐成为需要高性能调制的应用（例如量子系统或未来潜在的高性能收发器）的有力竞争者。单片磷化铟（InP）由于其兼具光探测和发光能力，仍然是主要材料之一。此外，钛酸钡（BTO）和稀土金属等创新材料也因其在量子计算和其他前沿应用领域的潜力而备受关注。.
人工智能如何改变对硅光子学和光子集成电路的需求
人工智能 (AI) 的兴起，催生了对高性能收发器的空前需求，这些收发器需要能够支持 AI 加速器和数据中心所需的海量数据传输速度。硅光子学和光子集成电路 (PIC) 正处于这场变革的前沿，这得益于它们能够以 1.6 Tbps 及以上的速度传输数据。正如英伟达最新的 Blackwell CPU 所展示的那样（根据 IDTechEx 的研究，每个 GPU 大约需要两个 800G 收发器），高效、高带宽的通信对于 AI 而言变得日益重要，这使得硅光子学和 PIC 成为 AI 驱动的未来中不可或缺的组件。推动 PIC 收发器发展的最大动力是 AI，因为更高性能的 AI 加速器将需要更高性能的收发器，预计到 2026 年，收发器的速度将达到 3.2 Tbps。.
未来的应用前景如何？
硅光子学和光子集成电路还有其他应用：从高带宽芯片间互连到先进封装和光学器件共封装。这些技术正在为下一代计算铺平道路。.
光子电机和加速器：通过使用某些光子元件（例如马赫-曾德尔干涉仪）并通过电光互连控制这些元件，可以设计和制造高性能处理器和可编程光子集成电路 (PIC) 器件，从而释放出仅靠电子加速器无法实现的性能。.
基于光子集成电路（PIC）的传感器：某些PIC材料，例如氮化硅，可用于制造各种传感器，从气体传感器到人工鼻。医疗保健传感器领域可受益于PIC器件中光学元件的小型化，这些小型化器件可应用于即时诊断或可穿戴设备。.
基于PIC的FMCW激光雷达有潜力改变汽车和农业行业，并可应用于无人机和自动驾驶汽车。.
量子系统：投资于囚禁离子和光子量子计算的公司正在寻求利用光子集成电路（PIC）来构建更稳定、可扩展的量子系统。光子集成电路用于光子量子系统中，以实现量子计算所需的精确光子控制。.
PIC市场8%的复合年增长率将主要受量子计算、5G、激光雷达、传感器（例如生物传感器和气体传感器）以及人工智能数据通信等领域的应用驱动。来源：IDTechEx
受人工智能兴起和数据通信收发器需求增长的推动，硅光子学和光子集成电路（PIC）市场正经历强劲增长。英特尔/捷普、相干公司和英菲内拉等行业巨头都在积极地在其收发器中使用PIC。总部位于中国的收发器公司群创光电（Innolight）在其最新收发器中实现了1.6 Tbps的传输速率，该产品将于2023年底上市，用于数据中心应用，预计于2024年开始出货。相干公司拥有自己的磷化铟（InP）晶圆制造工厂，也在开发用于速率超过1.6 Tbps的高性能收发器。据IDTechEx分析，英特尔硅光子学（Intel Silicon Photonics，可能被制造公司捷普收购）在2023年售出了约170万颗PIC，并持续开发用于电信和数据通信的收发器。IDTechEx预测，PIC技术将继续主导高性能收发器市场，进一步巩固其作为现代技术格局中关键组件的地位。.
作者：
作者：James Falkiner，IDTechEx技术分析师
