由于光速大约是电速的三倍，光子集成电路（PIC）的数据传输性能显著更高。此外，其传播损耗通常也远低于电子集成电路中的电阻损耗。这些特性使得光子波导的数据传输效率比电子电路高出十倍，带宽高出百倍，延迟也大大降低（仅为电子电路的0.3倍），同时通常还能节省能源。此外，光子集成电路可以集成到现代CMOS工艺中，并且相对容易与现有电子系统集成。这增强了其在推进数据通信技术发展方面的通用性和有效性。.

PIC收发器正迅速成为人工智能革命的关键工具，这一点不足为奇。它们能够加速数据中心节点间的连接，同时降低功耗，从而支持更大规模人工智能模型的训练和运行。IDTechEx近期发布的题为《硅光子学和光子集成电路2025-2035：技术、市场、预测》的报告预测，到2035年，这一应用将成为预计规模达540亿美元的PIC市场的最大贡献者。然而，PIC的影响还将波及许多其他应用领域，例如连接5G基站、激光雷达，甚至光子量子计算。.

硅光子学：为什么替代平台很重要？

预计未来十年，光子集成电路平台的发展机遇将持续增长。来源：IDTechEx

利用现有半导体工艺的硅光子学是目前最常见的光子集成电路（PIC）材料。它通常采用硅和二氧化硅构成的绝缘体上硅（SOI）平台。由于与成熟工艺节点兼容，众多代工厂纷纷投资PIC制造，台积电更是通过推出2024年推出的65nm硅光子制造工艺，凸显了该技术的重要性。然而，随着未来十年市场的扩张，预计其他不具备硅光子学某些缺陷的替代材料也将迎来发展机遇。.

在SOI系统中用氮化硅（SiN）替代硅，提供了一种新的硅光子学平台。氮化硅具有更低的损耗和更高的能量效率，以及更宽的透明窗口。然而，其制造生态系统较为有限，且SiN与二氧化硅的介电常数对比度较低，导致面积利用率降低。因此，它主要用于对透明范围要求更高的非通信应用领域，例如气体检测和生物检测。.

硅具有间接带隙，因此发光效率较低。这就需要将硅与 III-V 族材料结合，才能集成激光器和光电探测器，从而增加了平台的复杂性。在单片磷化铟 (InP) 平台上构建光子集成电路 (PIC) 可以解决这个问题。InP 具有直接带隙，适用于光源和光电探测器，并且已应用于电信领域。然而，InP PIC 通常成本更高，吸收损耗更大，且需要尺寸更小、成本更高的晶圆。.

这些因素限制了单片InP的应用，该材料更常集成到硅光子平台中。然而，IDTechEx在其题为“2025-2035年硅光子学和光子集成电路：技术、市场、预测”的材料平台基准测试中指出，InP在光子集成电路材料中性能最为全面，预计未来十年可节省成本，这将提升其在全球市场的重要性。.

薄膜铌酸锂（TFLN）光子集成电路（PIC）的技术成熟度尚处于较低阶段。TFLN的化学稳​​定性限制了其与标准CMOS工艺的兼容性，并且与硅类似，必须集成其他材料，例如光源和探测器。然而，TFLN损耗低、电光性能优异（这得益于其适中的泡克尔斯效应），使其成为高性能调制应用的理想选择，包括量子系统和超高性能收发器。.

钛酸钡 (BTO) 具有目前已知最强的泡克尔斯效应之一，其电光系数比 TFLN 高 100 倍，使其成为调制性能的黄金标准。然而，与 TFLN 相比，BTO 的损耗较高，限制了其在收发器应用中的使用，这意味着调制效率至关重要的量子光子系统才是其最佳市场定位。虽然从长远来看意义重大，但这预计会带来扩展性方面的挑战。与 TFLN 不同，BTO 缺乏开放的工艺设计套件 (PDK)，这进一步阻碍了其应用。.

光子集成电路的未来

IDTechEx的分析预计，SOI仍将在PIC市场占据主导地位。然而，由于通信以外应用领域的增长以及计算领域对更高调制速度的需求，单片InP和TFLN预计将获得更大的市场份额。.

尽管硅光子学市场在整体市场份额不断萎缩，但根据 IDTechEx 的报告《硅光子学和光子集成电路 2025-2035：技术、市场、预测》，预计硅光子学市场在未来 10 年的预测期内将继续以 20% 的复合年增长率增长，这代表着巨大的机遇。.

作者：Sam Dale，IDTechEx 高级技术分析师