光子芯片獲得新突破，光模塊市場加碼，光芯片國產(chǎn)替代在即

美國研究人員利用相變材料（PCM）開發(fā)了具有快速原型設(shè)計和重新編程功能的光子集成電路（PIC）。

西雅圖華盛頓大學(xué)開發(fā)的直寫和可重寫光子芯片技術(shù)采用低損耗相變材料（PCM）薄膜，可以一步直接激光寫入完整的端到端PIC無需額外的制造工藝，電路的任何部分都可以擦除和重寫，從而實現(xiàn)快速設(shè)計修改。

該團(tuán)隊已將該技術(shù)用于可重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的光學(xué)互連結(jié)構(gòu)、用于光學(xué)計算的光子交叉陣列以及用于光學(xué)信號處理的可調(diào)諧光學(xué)濾波器。

將直接激光寫入技術(shù)的可編程性與 PCM 相結(jié)合，為可編程光子網(wǎng)絡(luò)、計算和信號處理帶來了機(jī)遇。它還以方便且經(jīng)濟(jì)高效的方式提供快速原型設(shè)計和測試，并且無需納米制造設(shè)施。

光子芯片是通過使用 PCM 兩種非易失性相（非晶態(tài)和晶態(tài)）之間顯著的折射率對比來創(chuàng)建的，這兩種非易失性相可以使用來自商用海德堡 DWL 66+ 激光寫入系統(tǒng)（工作頻率為405nm和27.5mW）的光脈沖進(jìn)行可逆切換。

光子電路寫在標(biāo)準(zhǔn)氧化硅基板上，該基板上涂有 200 nm 厚的 SiO2 層，覆蓋 330 nm Si3N4 薄膜上的 30 nm Sb2Se3 層。SiO2 覆蓋層可保護(hù)并防止 Sb2Se3 層氧化。

通過使用結(jié)晶相 (cSb2Se3) 作為高折射率芯和非晶相 (aSb2Se3) 作為包層，在Sb2Se3薄膜中創(chuàng)建波導(dǎo)。這種二元相配置能夠在Si3N4底層的輔助下將基本橫向電 (TE0) 光學(xué)模式限制在 cSb2Se3 波導(dǎo)內(nèi)。

由激光創(chuàng)建的一系列矩形aSb2Se3結(jié)構(gòu)的寬度范圍從1μm到200nm，可實現(xiàn)的最小特征尺寸為300 nm，明顯小于其他系統(tǒng)。

該團(tuán)隊使用該技術(shù)構(gòu)建波導(dǎo)、光柵、環(huán)形諧振器、耦合器、交叉點和干涉儀來構(gòu)建光子芯片。


什么是光子芯片？

光子芯片或光子集成電路（Photonic Integrated Circuit, PIC），是一種特殊的芯片。

不同于傳統(tǒng)的以電子為主導(dǎo)的芯片，光子芯片是利用光子（光的粒子）進(jìn)行信息處理和傳輸?shù)脑O(shè)備。在此類設(shè)備中，數(shù)據(jù)被編碼到光子上，然后通過光纖傳輸，從而實現(xiàn)了超高速度的數(shù)據(jù)傳輸。

光子芯片有許多顯著優(yōu)點。首先，由于光速快且光的頻率遠(yuǎn)高于電子，因此光子芯片的數(shù)據(jù)傳輸速度和處理能力遠(yuǎn)超過電子芯片。

其次，光子芯片的信號傳輸損失小，因此可以實現(xiàn)遠(yuǎn)距離、高容量的數(shù)據(jù)傳輸。再者，光子芯片的能耗低，因為光信號的傳輸并不會產(chǎn)生熱量。

最后，光子芯片抗電磁干擾性能好，對環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。

光子芯片的實現(xiàn)并非遙不可及。實際上，現(xiàn)在已經(jīng)有許多科研機(jī)構(gòu)和公司在研發(fā)這種新型芯片，有些產(chǎn)品已經(jīng)用于光纖通信、生物醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域。

但光子芯片也面臨一些技術(shù)挑戰(zhàn)，比如制造精度、光與電的轉(zhuǎn)換效率、光信號的調(diào)制和檢測等。這些問題需要科研人員進(jìn)一步攻克，但總體來看，光子芯片的前景是樂觀的。

除了光子芯片，科研人員還在探索許多其他新型芯片，如量子芯片、納米芯片、生物芯片等。


光模塊核心部件

光模塊廠商里，全球有一半在我國，不過光模塊的核心是光芯片，占光模塊大部分的成本，國內(nèi)光芯片企業(yè)主要集中于2.5G系列產(chǎn)品的生產(chǎn)和制造,10G和25G中高速率光芯片逐漸實現(xiàn)量產(chǎn)，而50G及以上高端光芯片生產(chǎn)仍主要集中在美日企業(yè)里，國內(nèi)高端光芯片需求極度依賴進(jìn)口。像中國做光模塊的，但大多數(shù)高端光芯片依靠進(jìn)口，只是在部分光模塊產(chǎn)品和應(yīng)用領(lǐng)域采用了自研的硅光芯片。

光模塊產(chǎn)業(yè)鏈也很長，涵蓋芯片（電/光）、器件（無源/有源）、模塊成品，其中芯片技術(shù)壁壘高，能夠占到大部分比重，而且，高端產(chǎn)品由國外壟斷，比如根據(jù)ICC的數(shù)據(jù)，2021年2.5G及以下速率光芯片國產(chǎn)化率超過90%；10G光芯片國產(chǎn)化率約60%，部分性能要求較高、難度較大10G光芯片仍需進(jìn)口；2021年25G光芯片國產(chǎn)化率約20%，但25G以上光芯片的國產(chǎn)化率僅5%，多是海外光芯片廠商為主。


光模塊兩大增長因素

從資本市場的角度看，近幾年光模塊行業(yè)有兩個高潮：

第一個是，國內(nèi) 5G 網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)高峰。

約在 2019-2020 年，隨著國內(nèi) 5G 牌照發(fā)放，三大運營商大力籌建 5G 網(wǎng)絡(luò)。由于其開支主要聚焦于無線網(wǎng)和承載網(wǎng)，所以對前傳、中回傳光模塊的需求量非常高。由于當(dāng)時對 5G 網(wǎng)絡(luò)大范圍渲染，資本市場也很看好 5G 發(fā)展，刺激一波年度級別的光模塊概念行情。

但在 2020 年下半年開始，5G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)減速、商業(yè)推廣受阻等綜合影響，光模塊概念也隨之下行，出現(xiàn)近 2 年半的低迷。不過，光模塊在電信通信的應(yīng)用只占一部分，更大的應(yīng)用是在數(shù)據(jù)通訊領(lǐng)域。

第二個是，ChatGPT 引爆的 AI 新時代。

去年底，OpenAI 公布了一個全新對話式 AI 模型 ChatGPT。由于其很高的創(chuàng)造性，很快就出圈，并且愈演愈烈。

年初時，各種消息逐漸傳入國內(nèi)。特別在微軟推出新版 Bing 搜索引擎、百度宣布將推出“文心一言”等消息后，相關(guān)話題在各大流量平臺爆發(fā)。

全球的大廠都正在進(jìn)行 AI 大模型的“軍備競賽”。但大模型競賽背后，其實就是算力的比拼。

以 OpenAI 團(tuán)隊舉例，他們訓(xùn)練 GPT3 模型用了一萬張英偉達(dá) A100 顯卡。訓(xùn)練 GPT4 乃至更高級的模型則需要更多算力，據(jù)說 OpenAI 已經(jīng)配備了 3 萬張以上的 A100 顯卡。業(yè)內(nèi)認(rèn)為，一萬張顯卡幾乎就是一個大模型的門檻，國內(nèi)大廠幾乎都部署了兩三萬張顯卡。

比如，一個 SuperPOD 架構(gòu)（英偉達(dá)AI基礎(chǔ)架構(gòu)解決方案）需要 140 臺 AI 服務(wù)器；1120 張 A100GPU；186 臺交換機(jī)與 5760-8000 個光模塊。

所以，一句話總結(jié)，算力需求正在指數(shù)級爆發(fā)，給光模塊帶來龐大的新增量。