光子集成電路（PIC）是如何發(fā)展的？

  集成電路（IC），也被稱(chēng)為芯片或微芯片，最早開(kāi)發(fā)于20世紀50年代末，是今天使用的幾乎所有電子設備中的關(guān)鍵器件。大多數現代集成電路芯片由半導體晶圓制成并由電驅動(dòng)，都以平方毫米為單位衡量其面積，可以由數千或數百萬(wàn)個(gè)微小的電阻器、電容器、二極管和晶體管組成。

  然而，隨著(zhù)芯片的日益微型化，我們正在迅速接近這樣一個(gè)地步：在晶圓上再裝更多的元件在物理上是不可能的。這個(gè)被稱(chēng)為 "后摩爾定律 "的世界最早可能在2036年出現，并可能對半導體制程的進(jìn)一步發(fā)展構成嚴重挑戰。

  更糟糕的是，目前的集成電路芯片已經(jīng)受到大數據、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設備和人工智能（AI）帶來(lái)的指數級增長(cháng)的數據使用量的壓力。簡(jiǎn)單地說(shuō)，目前的IC架構無(wú)法應對日益增長(cháng)的數據需求的挑戰，這導致了帶寬瓶頸和數據傳輸速度下降。

  幸運的是，近年來(lái)，集成光子學(xué)領(lǐng)域的進(jìn)展迅速擴大，并可能形成一種新型的集成電路架構的基礎，這種架構使用光而不是電來(lái)傳送信號和驅動(dòng)組件。

  什么是集成光子學(xué)？

  光子集成電路（PIC），也被稱(chēng)為光子芯片，是一種使用兩個(gè)或更多的光子元件來(lái)形成一個(gè)功能電路的微芯片。光子芯片與電子芯片的不同之處在于，它使用光粒子（光子）而不是電（電子）來(lái)感知和傳輸信息。

  與電子芯片相比，光子可以提供更大的帶寬。此外，光子不會(huì )像電子那樣遇到任何相互間的阻力，這就轉化為更快的數據傳輸速度和更低的熱效應。

  使光子芯片有別于電子芯片的另一點(diǎn)是其結構中使用的基底材料。在大多數電子芯片中，硅是首選，因為它具有高導電性、低成本和成熟的加工技術(shù)。

  然而，對于光子學(xué)來(lái)說(shuō)，硅不是一種可行的材料，因為它的光發(fā)射性能很差。相反，在光子發(fā)展中出現了三種不同的基材，即磷化銦（InP）、氮化硅（SiN）和硅/硅基光電子（SiP）。無(wú)論芯片制造商選擇使用何種材料，都將取決于芯片的預期應用，因為每種基材都有自己的優(yōu)勢和劣勢。從理論上講，也許有一天可以將這三種材料結合起來(lái)，創(chuàng )造出最終的PIC，但鑒于目前PIC市場(chǎng)的規模有限，對于制造商來(lái)說(shuō)，現在追求這種努力還沒(méi)有經(jīng)濟意義。

  數據和電信領(lǐng)域的光子技術(shù)

  光子芯片的主要好處之一是改善數據通信，這導致了PIC在不同行業(yè)領(lǐng)域的許多應用，包括自動(dòng)駕駛、生物醫學(xué)、天文學(xué)、國防和航空航天。但是，從光子學(xué)的進(jìn)步中獲益最多的兩個(gè)部門(mén)也許是數據管理和電信部門(mén)。這就是光子芯片可能在未來(lái)幾十年對數據通信產(chǎn)生最大影響的地方。

  數據中心的集成光子學(xué)

  從2010年到2018年，全球互聯(lián)網(wǎng)流量增長(cháng)了10倍以上，而全球數據中心的存儲容量增加了25倍。隨著(zhù)人工智能、大數據和物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展帶來(lái)的新的可能性，這種每天產(chǎn)生和消耗的數據量的巨大增長(cháng)只會(huì )繼續下去。由于這些不斷增長(cháng)的數據需求，用于連接服務(wù)器的傳統銅纜正在遭受帶寬瓶頸，影響到整個(gè)系統的運行。

  銅纜往往在幾個(gè)Gbps的范圍內就達到了帶寬的極限，而光纖的極限幾乎是無(wú)限的，可以以超低的延遲達到數百Gbps或Tbps的傳輸速度。此外，數據中心還可以將光子芯片與高帶寬發(fā)射器和接收器等板載部件集成在一起，使系統性能和可靠性得到顯著(zhù)提高。

  節省能源使用成本

  電子在通過(guò)銅線(xiàn)時(shí)遇到的阻力的后果之一是產(chǎn)生大量的熱量。這對電子芯片中使用的硅來(lái)說(shuō)是一個(gè)很大的問(wèn)題，因為硅在熱應力下往往會(huì )迅速破壞。出于這個(gè)原因，需要大量的冷卻來(lái)保持數據中心的運行，這反過(guò)來(lái)又導致了大量的能源消耗和高碳排放。據估計，僅冷卻就占了數據中心所消耗能源的33%。

  相比之下，PICs產(chǎn)生的熱量要少得多。事實(shí)上，它們產(chǎn)生的熱量如此之少，以至于它們不需要任何專(zhuān)門(mén)的冷卻系統。這種極端的能源效率在未來(lái)幾年可能會(huì )變得更加重要，因為作為減少碳排放努力的一部分，數據中心面臨著(zhù)削減能源消耗的壓力。

  下一代6G網(wǎng)絡(luò )

  即使在5G繼續在世界各地推出的時(shí)候，電信公司已經(jīng)在討論6G的潛在設計，它有望比5G快幾個(gè)數量級。預計在本世紀末推出的6G可以提供高達1 Tbps的速度，為3D全息視頻、8K流媒體以及改進(jìn)的人工現實(shí)（AR）和虛擬現實(shí)（VR）設備的新進(jìn)展打開(kāi)大門(mén)。光子學(xué)肯定會(huì )成為6G的決定性技術(shù)，因為它可以在帶寬和傳輸速度方面比電子學(xué)有明顯的改進(jìn)。

  最后的思考

  在未來(lái)的十年里，很明顯，光子芯片將成為數據和電信領(lǐng)域的首選。它們能夠在寬廣的帶寬上提供閃電般的速度，并具有低熱效應，這使它們成為處理快速數字化社會(huì )中日益增長(cháng)的數據需求的最佳解決方案。盡管如此，必須牢記，這只是光子學(xué)的開(kāi)始。不斷增長(cháng)的數據需求肯定會(huì )進(jìn)一步推動(dòng)它們的發(fā)展，導致新的用例和擴大的市場(chǎng)，在未來(lái)五年內可能達到新的高度。