姓名：劉昊楠? 學號：22009100217
學院：海棠三號書院
隨著集成電路的不斷發展，傳統的電子集成電路在帶寬與能耗等方面逐漸接近極限。隨著電子電路集成度的不斷提高，金屬導線變得越來越細，導線之間的間距不斷縮小，一方面使得導線的電阻和其歐姆損耗不斷增大，使得系統能耗不斷增加；另一方面會造成金屬導線間的電容增大，引起導線之間的串擾加大，進而影響芯片的高頻性能。而光芯片以光為信息載體，通過對光的處理和測量實現幾十Tb/s的信息傳送速率，實現低交換延遲和高傳輸帶寬，實現多路同時通信，同時具有超低能耗表現。因其具有速度快、穩定性高、工藝精度要求低和可多維度復用等優勢，有望打破電芯片的發展禁錮，為芯片發展帶來新的契機。
按照功能劃分，光芯片可分為激光器和探測器兩大類。激光器內的光芯片在發射端進行電光轉換，將電信號轉換為光信號，按出光結構進一步分為面發射芯片和邊發射芯片，主要包括VCSEL（垂直腔面反射激光器）、FP（法布里-珀羅激光器）、DFB（分布反饋式激光器）、EML（電吸收調制激光器）；探測器內的光芯片在接收端進行光電轉換，將光信號轉換為電信號，主要包括非放大的PIN（二級管探測器）和包含放大的APD（雪崩二級管探測器）。
從芯片生產制造角度來看，光芯片制備的工藝流程與集成電路芯片有一定相似性但側重點不同，光芯片的生產工序依序為 MOCVD外延生長、光柵工藝、光波導制作、金屬化工藝、端面鍍膜、自動化芯片測試、芯片高頻測試、可靠性測試驗證等，其制備流程同樣包含了外延、光刻、刻蝕、芯片封測等環節。但就側重點而言，光刻是集成電路芯片最重要的工藝環節，直接決定了芯片的制程以及性能水平。與集成電路芯片不同，光芯片對制程要求相對不高，外延設計及制造才是核心，工藝水平直接決定了成本的性能指標和可靠性。以激光器芯片為例，外延工藝決定了輸出光特性以及光電轉化效率。目前使用的激光器芯片多采用多量子阱結構，多量子阱結構實際上是由厚度在納米尺度的不同薄層材料構成的重復單元，通過對多量子阱精細結構的調節可以使激光器工作在不同的波長之下，進而滿足不同的應用需求。
由于光芯片處在產業鏈上游，會牽扯出復雜的原材料問題。區別于電芯片相對單一的材料體系，光芯片可通過硅系、玻璃、聚合物、二維材料、Ⅲ-Ⅴ族半導體等多種材料平臺實現。主要以砷化鎵（GaAs）和磷化銦（InP）為代表的Ⅲ-Ⅴ族材料為襯底，通過內部能級躍遷過程伴隨的光子的產生和吸收，進而實現光電信號的相互轉換。除此之外，制造過程中還會用到電子特氣、光刻膠、濕電子化學品等原材料。因此，光芯片需依據擬適配的器件類型、功能方向和應用場景來選擇材料體系。從市場規模和產業落地情況看，Ⅲ-Ⅴ族光子集成體系、硅基光子集成體系和平面光波導（PLC）光子集成體系將在未來的光芯片產業中具有較高的經濟價值。
Ⅲ-Ⅴ族光子集成體系起步較早、潛力較大，但進一步發展仍有問題待研究解決。Ⅲ-Ⅴ族光子集成體系是以磷、銦、砷、鎵等Ⅲ-Ⅴ主族元素材料為主體的集成技術體系。依托原子直接帶隙的物理優勢，Ⅲ-Ⅴ族元素材料可兼容無源和有源光器件，成為理想的光學集成體系。該體系研究起步較早，成熟度相對較高，在傳輸、感知、顯示等應用領域已占據市場主導地位。當前，Ⅲ-Ⅴ族光芯片正向小型化、兼容化、多功能化的方向發展。但是，受晶圓尺寸和加工制備等因素限制，系統進一步提高集成度在技術研究和加工工藝方面仍有問題待研究解決。
硅基光子集成體系發展勢頭迅猛，向大規模集成和光電融合方向發展。未來三年，硅光芯片將是光通信的一大趨勢。但硅基發光一直是巨大難題，因此一般都是以硅材料為基底，引入多種材料實現發光，分為SOI、SiN、Ⅲ-Ⅴ族、硅襯底上鈮酸鋰薄膜四種制造平臺。復雜的材料學問題引發更多技術難題，諸如硅光耦合工藝，晶圓自動測試及切割等設計挑戰。另外，受制于產業鏈、工業水平限制，硅光芯片還沒有在產能、成本、良率上凸顯優勢。不過硅光芯片的顛覆性引發了研究熱潮，技術日趨成熟，即將進入規模化商用階段。
PLC光子集成體系發展相對成熟，已成為無源光器件及系統的主流技術。PLC光子集成體系是在玻璃、二氧化硅等基板平面上形成光波導，并利用不同光波導結構的組合和排列，實現復用、分光、耦合等功能的無源光學集成系統。當前，PLC光子集成體系因其芯片結構簡單、工藝穩定等特點，發展較為成熟，已廣泛應用在光通信網絡的關鍵無源器件中。
多維度融合發展成為光芯片提高集成度和系統性能的必然趨勢。在器件層面，光芯片的進一步發展應實現有源器件和無源器件的理想匹配；在載體層面，光芯片的進一步發展需要實現光學結構和電學結構的有機結合；在材料層面，光芯片的進一步發展需要實現硅系、Ⅲ-Ⅴ族等多體系的高效兼容。值得注意的是，光芯片的多維融合發展在當前仍面臨設計、工藝、封裝、測試等方面的多重挑戰，亟須相關科研院所及產業鏈企業的協同創新突破。
