光子集成電路（photonic integrated circuit，pic）相對于傳統分立的光-電-光處理方式降低了復雜度，提高了可靠性，能夠以更低的成本構建一個具有更多節點的全新的網絡結構，雖然目前仍處于初級發展階段，不過其成為光器件的主流發展趨勢已成必然。pic單片集成方式增長迅速，硅基材料發展勢頭強勁。產業發展模式多樣，產業鏈不斷構建，新產品與應用進展也在不斷推進。相關廠商眾多集中度低，我國的儲備相當薄弱，因此非常有必要加快發展該通信底層核心技術，提高國際競爭力。

一、混合集成占據主導，單片集成上升明顯

按照集成的元器件是否采用同種材料，pic可分為單片集成和混合集成。其中混合集成采用不同的材料實現不同器件，而后將這些不同的功能部件固定在一個統一的基片上。混合集成的好處是每種器件都由最合適的材料制成，性能較好，但元器件集成時需要精密的位置調整和固定，增加封裝的復雜性，限制集成規模。而單片集成則是在單一襯底上實現預期的各種功能，結構緊湊、可靠性強，不過目前實現起來仍有較大的技術難度。目前，混合集成是光子集成的主要集成技術，占pic全球市場收入的主體，并且預計在未來幾年內這一情況仍將持續。不過單片集成作為業界的長期目標，正在以很快的速度增長，預計2015年至2022年期間復合年均增長率將達到26.5%。

二、制備材料豐富多樣，硅基發展勢頭強勁

光子集成的制備材料豐富多樣，主要包括以下幾類：鈮酸鋰、聚合物、光學玻璃、絕緣體上硅（soi）、二氧化硅/硅、氮氧化硅/二氧化硅以及三五族化合物半導體。目前，磷化銦（inp）和soi共同占據市場營收的主體。inp的主導地位主要歸因于其將光電功能集成到光學系統芯片的能力。而硅基作為pic制造平臺能夠基于全球歷時五十年、投入數千億美元打造的微電子芯片制造基礎設施，利用成熟、發達的半導體集成電路工藝提高集成光學工業化水平，進行低成本規模化生產。雖然目前硅光子還面臨很多技術瓶頸，但在整個產業界的向心力下，正在被一個一個地克服，產業界對硅光子大規模商用也抱有極大的信心。尤其是數據中心的短距離應用，讓硅光子找到了用武之地。根據市場研究公司yole développements報告，數據中心以及其他幾項新應用將在2025年以前為硅光子技術帶來數十億美元的市場。

三、發展模式多樣化，產業鏈不斷構建

2010年以來，光子集成技術進入了高速發展時期。光子集成技術主要有以下幾種發展模式：一是國家項目資助，如美國國防部監管的“美國制造集成光子研究所”（aim photonics）、日本內閣府資助的研究開發組織“光電子融合系統基礎技術開發”（pecst）等；二是像intel、ibm等it巨頭的巨額投入；三是小型創業公司前期靠風險資金進入，后期被大企業并購再持續投入，該模式已成為一種重要發展模式；最后是一些新崛起的初創公司，如acacia、sifotonics等。

光子集成技術產業仍在發展，產業鏈不斷構建，目前已初步覆蓋前沿技術研究機構、設計工具提供商、器件芯片模塊商、foundry、it企業、系統設備商、用戶等各個環節。然而，光子集成供應鏈相比于集成電路（ic）仍然落后，尤其在軟件和封裝環節較為薄弱。

四、廠商眾多集中度低，美國廠商規模占優

全球pic市場發展態勢良好，市場規模于2015年達到2.7億美元，預計2018-2024年間將以25.2%的復合年均增長率持續增長，到2021年突破10億美元。

全球pic市場高度分散，其特點是存在大量參與者。pic市場的領先企業包括finisar（美國）、lumentum（美國）、infinera（美國）、ciena（美國）、neophotonics（美國）、intel（美國）、alcatel-lucent（法國）、avago（新加坡）以及華為（中國）等，其中美國廠商規模占優。總體來講，我國光子集成技術還處于起步階段，制約我國光子集成技術發展的突出問題包括學科和研究碎片化，人才匱乏，缺乏系統架構研究與設計，工藝設備的研發實力薄弱，缺乏標準化和規范化的光子集成技術工藝平臺，以及芯片封裝和測試分析技術落后等。幸運的是，該領域仍處于資產不斷重組過程中，今年就發生了兩起重大并購案，3月lumentum收購排名緊隨其后的oclaro；11月ii-vi收購finisar。如果我們抓住機遇超前布局，精心組織和重點投入，將會為產業發展創造良好的契機。

五、新產品與應用進展不斷推進

除傳統應用領域，光子集成芯片技術還有很多重要的新興分支，其中具有代表性的有集成微波光子芯片以及高性能光子計算芯片。

集成微波光子芯片主要在光學域上實現射頻信號的處理，其功能可以覆蓋無線系統的整個射頻信號鏈，具有更高的精度、更大的帶寬、更強的靈活性和抗干擾能力，被認為是具有競爭力的下一代無線技術平臺。目前在俄羅斯大約有850家公司參與微波光子學的研究和開發，歐盟也正聯合開發新型全光子28ghz毫米波mmimo收發信機芯片。

光子計算被認為是突破摩爾定律的有效途徑之一，具有內稟的高維度的并行計算特性。2016年mit提出了使用光子代替電子作為計算芯片架構的理論。2017年英國0ptalysys公司發布了第一代高性能桌面超級光子計算機。除了傳統的高性能計算外，光子芯片也將是未來ai計算的硬件架構，并且是未來量子計算的候選方案之一。

綜上，pic目前仍處于初級發展階段，不過其成為光器件的主流發展趨勢已成必然，近幾年的發展速度亦有目共睹。隨著基礎材料制備、器件結構設計、核心制作工藝等核心關鍵技術的突破，加之產業需求的急劇升溫，特別是光互聯、超100 gbit/s高速傳輸系統和ftth接入終端對小尺寸、低功耗和低成本的強勁驅動，pic在未來幾年將迎來更快的發展，集成度和大規模生產能力逐步提升，成本不斷下降，產業鏈進一步完善，并引發光器件、系統設備，乃至網絡和應用的重大變革。

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