光芯片，暗流湧動

本文來自格隆匯專欄：半導體行業觀察，作者：夏雪

在AI大模型持續擴容、數據中心帶寬需求指數級暴漲的背景下，行業對光子芯片形成高速傳輸、低功耗、靈活調度三大硬性需求。賽道競爭邏輯已經發生轉變，行業比拼不再只關注芯片上層架構設計，底層光學材料的物理性能已然成為決定下一代光通信升級、光子計算算力突破的核心關鍵。當下主流光子材料各有取捨，尚且沒有一個材料能通吃所有場景的全能方案。

在眾多材料當中，硅光（SiPh）芯片是當前商業化最成熟且已經實現量產的光子材料，依靠熱光效應完成信號調節，調製響應速度偏慢，運行靜態功耗居高不下。磷化銦（InP）作為傳統有源光子芯片的核心材料，調製速率表現突出，但材料外延製備工藝複雜，適配晶圓尺寸偏小，規模化量產的成本很難壓低。薄膜鈮酸鋰（TFLN）擁有高速、低光損耗的調製優勢，可一旦應用於光子存算場景，短板會十分突出，器件必須持續通電才能維持正常工作，斷電之后內部存儲的運算權重會直接丟失。鋯鈦酸鉛（PZT）和鈦酸鋇（BTO）作為新型鐵電電光材料正在快速發展，這兩種材料具備高速電光調製與非易失存儲雙重特性，如今已是全球光子計算領域重點探索的前沿方向。

想要理清這場圍繞材料展開的行業競爭，首先要區分光子芯片兩大核心應用領域，二者對材料的核心指標要求完全不同。一條是以數據中心互連、相干光通信為主的光傳輸賽道，選材核心聚焦高速調製、低功耗與批量生產能力。另一條面向AI存算一體、通用光子計算，這條賽道對材料額外增加了硬性要求，需要依靠非易失特性長期保存運算權重。同一種材料在兩條賽道中能夠發揮的價值完全不同，這也是分析材料路線時，需要區分應用場景看待的根本原因。

光子芯片材料梯隊版圖

結合技術成熟程度、產業化落地進度與不同場景適配能力，當前市面上的光子芯片材料可以劃分出清晰的三大梯隊。

第一梯隊包含硅光與InP兩類商用成熟的傳統材料。硅光可以複用成熟CMOS製造工藝，芯片集成度高、生產成本可控，長期佔據中低速至高速光互連市場。InP有源發光與高速調製性能業內領先，始終佔據長距離傳輸、高端相干光通信核心市場。切換到光計算場景，硅光依託完整成熟的上下游產業生態，是目前光子計算商業化落地的核心基礎。InP受限於複雜工藝與高昂製造成本，無法單獨作為算力承載載體，僅少量製作外掛激光光源搭配其他材料集成，始終沒有形成規模化算力產品。

第二梯隊是面向高端高性能場景的TFLN。在光傳輸領域，TFLN是當前1.6T、3.2T超高速光模塊、高端共封裝光學系統（CPO）的最優性能方案，調製速度快、驅動電壓低、光損耗小，是高端光通信迭代升級的核心材料。在光計算領域，哈佛大學Marko Lončar團隊研發出全球首片異質集成光源/探測器的TFLN相干光子計算芯片，並採用HyperLight流片產線完成晶圓級製備，達到中試樣機階段，驗證TFLN高速並行計算能力。

第三梯隊是面向下一代算力的前沿鐵電材料，主要是PZT與BTO。二者研發重心集中在光子存算一體場景，同時保有優異的電光調製能力。依託材料原生鐵電非易失屬性，斷電后依舊可以留存運算權重，從材料層面補齊硅光、InP、TFLN三類材料在算力功耗層面的短板。

光子計算場景下的優劣博弈

單純依託產業化階段開展梯隊定性歸類，不足以説明各種材料之間在性能上的差距。下面我們以光子存算一體應用場景出發，圍繞這條賽道的核心需求，可以從非易失存儲特性、電光調製效率、運行功耗、調製響應速度、硅基工藝兼容度、量產工藝難度六個維度，橫向對比五條材料各自的優勢與技術取捨。

非易失存儲能力是區分各材料應用領域的核心分水嶺。硅光、InP、TFLN都不具備自主留存運算權重的能力，運行過程中要麼搭配外置存儲芯片，要麼持續通電刷新運算狀態，才能穩定維持計算流程。PZT與BTO依靠鐵電極化特性，能夠長期保存運算權重，天然適配存算一體架構，也是鐵電材料區別於其余材料路線最核心的競爭力。

電光調製效率層面，硅光依靠熱光或者載流子完成調製，整體調製效率表現平平。InP採用電吸收調製方式，高速性能突出，但會產生難以化解的散熱壓力。TFLN依託普克爾電光效應，調製帶寬能夠突破110GHz，工作驅動電壓低於2V，可直接對接成熟CMOS驅動電路。PZT同樣基於普克爾效應工作，電光係數約100pm/V，達到TFLN的三倍以上，同等光路長度下可以實現更強的調製效果。BTO理論層面電光性能上限更高，但相關工程化驗證工作還未落地。

運行功耗維度，硅光熱光調製方案空載功耗維持在毫瓦區間，隨着芯片集成規模持續擴大，光路之間的熱串擾問題會不斷加劇，InP電吸收調製運行過程中也會持續產生熱損耗。TFLN器件需要長期通電才能穩定工作，靜態功耗無法清零。PZT依託鐵電非易失特性，芯片靜態功耗無限趨近於零，上海交大相關團隊實測數據顯示，材料單次信號調諧能耗僅0.05納瓦，相比硅光熱光方案低八個數量級。BTO理論功耗水平極低，暫時缺少晶圓級實測數據作為支撐。

調製響應速度方面，硅光調製器帶寬約60-70GHz，已經逼近硅基材料物理性能天花板。InP 電吸收調製器EML本徵電子遷移率高，理論帶寬可達100-110GHz，硬件速度上限高於硅光，但散熱問題會限制實際性能發揮。TFLN無載流子色散、熱損耗極低，當前商用的調製器3dB帶寬穩定超過110GHz，在1.6T、3.2T乃至下一代6.4T超高速數據中心光模塊、CPO中具備不可替代的帶寬優勢。而鐵電材料的表現同樣出色，上海交大2026年7月發佈成果，四款PZT電光調製器全部實現大於100GHz電光帶寬，也是目前公開報道中PZT器件的最高性能指標。BTO體相電光係數253pm/V，遠高於TFLN、PZT，理論可支撐超高速調製，不過相關性能驗證工作仍在推進。

從硅基工藝集成兼容性維度考慮，硅光與CMOS製造工藝天然適配，集成難度最低。而InP則需要多層外延堆疊，大多采用異質混合集成方案。TFLN的生產就更為複雜，需要離子切割、高精度晶圓鍵合等特殊工序，並且材料本身無法發光，必須搭配InP外置激光光源配套使用。PZT相對簡單，僅通過液相沉積、磁控濺射即可完成薄膜製備，能夠兼容現有CMOS量產產線。最困難的是BTO，其超薄薄膜很難實現大面積均勻生長，整片晶圓內部性能一致性難以把控，是產業化進程的突出難題。

量產工藝成熟度方面，硅光整套工藝體系完善，全球格羅方德、臺積電、聯電、Tower半導體以及國內多家企業均開放標準化硅光PDK與MPW流片，8英寸12英寸量產線成熟。全球主流量產的InP襯底以4英寸為主，6英寸良率低、擴產周期在3-5年。同時需要用到的MOCVD 外延設備單價超千萬，單片晶圓製造成本是硅十幾倍。TFLN已經吸引多家代工廠佈局，但專屬工藝流程特殊，全球整體產能仍處於爬坡階段。PZT已經完成4英寸低成本晶圓批量製備，配套推出全球首套光子集成專用工藝開發套件。BTO薄膜大面積組分均勻性、氧空位缺陷難以管控，整片晶圓性能波動極大，至今沒有成熟的4英寸及以上晶圓量產方案，僅在清華實驗室實現4英寸BTO外延樣品。

綜合各維度表現能夠看出，不同材料路線做出的取捨，本質是高速傳輸性能與算力能效、產業落地成熟度與前沿技術先進性之間的雙向權衡。

光子芯片材料全球產業佈局

從產業落地視角來看，各類光子材料在性能指標、製造難度、量產成本上的顯著分化，直接決定了全球不同區域企業的技術選擇與商業化推進節奏。而各家企業在材料路線上的選擇各有不同，海外廠商依託成熟半導體代工生態優先佈局硅光與TFLN標準化平臺，國內產業鏈則同步推進多條路線並行突破，在硅光商用交付、TFLN全鏈條自主配套、PZT前沿光子計算領域形成差異化競爭優勢。

硅光路線：商業化基本盤穩固

硅光是目前產業化最完善、市場份額最高的光子材料方案，也是 AI 算力互連與CPO技術落地的核心載體。據集邦諮詢TrendForce預測，CPO在AI數據中心光通信模塊中的滲透率將穩步攀升，至2030年前后有望達到約35%。

海外市場中，英特爾、思科、Ayar Labs、Lightmatter 一眾頭部企業持續深耕硅光技術平臺，Lightmatter 主攻硅光光子計算加速芯片，Ayar Labs 聚焦數據中心光互連方案，二者均是賽道全球標杆廠商。硅光的產業鏈成熟也導致晶圓代工環節競爭尤為激烈，格羅方德在2022年推出行業首款整合300毫米光子工藝與射頻CMOS一體化的GF Fotonix平臺，2025年完成新加坡硅光子代工廠AMF收購，按照營收規模計算一躍成為全球規模最大的純硅光子代工廠，直接擠壓Tower、聯電的生存空間。

同樣，國內硅光產業鏈也已經形成完整閉環。

TFLN路線：正在加速光傳輸產業化

面向1.6T、3.2T超高速光互連與高端相干通信場景，TFLN憑藉超高帶寬、低驅動電壓的獨特性能，成為高端光模塊迭代的核心材料，賽道商業化進程正持續提速。雖然當前TFLN整體市場規模基數較小，2025年全球薄膜鈮酸鋰調製器市場規模約僅為0.35億美元，市場份額不足5%；但QYResearch預測，未來隨着高速光模塊批量上量，2032年市場規模將達到7.4億美元，2026-2032年CAGR高達55.4%。

在國際上，HyperLight是由哈佛實驗室孵化的TFLN賽道標杆初創企業。2026年3月和聯電及其旗下聯穎光電達成三方深度合作，落地6英寸、8英寸晶圓級TFLN芯粒量產平臺，產品覆蓋數據中心可插拔光模塊、長距相干通信、共封裝光學多個場景，這次合作也被行業視作TFLN正式邁入晶圓代工規模化量產的標誌性事件。在光子計算方向，海外多所高校基於TFLN搭建光子計算原型樣機，但沒有企業規劃商用算力芯片落地。

視線回到國內，本土企業已經搭建起完整自主的TFLN產業鏈，覆蓋上游薄膜晶圓、中游高速調製器芯片、下游器件封裝全環節，核心市場瞄準高速相干光模塊與高端CPO。

鐵電材料路線：性能優越但商業化還早

在PZT、BTO材料領域，國內外市場都尚未大規模商用，全球光子計算芯片市場份額不足 1%。海外研究佈局以高校實驗室基礎探索為主，歐美多所院校開展PZT、BTO薄膜光子器件研究，工作重心集中在薄膜生長工藝與電光基礎性能測試，整體停留在學術研究階段，距離產業化落地還有很長周期。

但在國內，PZT路線已經形成全球領先優勢。2024年11月，中科院半導體所李明團隊聯合國科大杭州高等研究院邱楓團隊，2024年11月採用液相沉積＋磁控濺射覆合工藝，實現4英寸PZT薄膜晶圓低成本批量製備，研發出全球首套對外公開的PZT光子集成工藝開發套件庫。2026年7月，上海交大集成電路學院張永、蘇翼凱團隊聯合蘭州大學田永輝團隊、國科大杭高院邱楓團隊，研發出帶寬突破100GHz的薄膜PZT電光調製器，依託材料鐵電非易失特性，在4英寸PZT氮化硅複合晶圓上單片集成16通道並行光路架構，搭載20組拓撲調製單元，打造出可重構光子計算芯片，算力密度達到266TOPS/mm²，單次信號調諧能耗僅0.05納瓦。兩項里程碑成果證明，PZT技術已經從單一調製器件研發，升級為完整可運行的光子計算陣列，國內團隊打通薄膜製備到芯片設計全鏈條自主技術。

同爲鐵電材料的BTO路線在全球整體研發進度相對滯后，海內外研究機構僅能完成實驗室小型器件試製，不存在成熟晶圓級批量製備方案，短期之內很難實現產業落地。

結論

縱觀這場光子芯片底層材料競爭，各類技術路線並非相互取代的零和博弈，異質混合集成將成為行業長期演進的主流方向。從行業發展可以看出，算力與通信融合的需求持續迭代，單一材料體系難以兼顧超高帶寬傳輸與低功耗存算雙重訴求，多材料協同架構能夠充分釋放不同光學介質的差異化優勢。未來產業發展的核心邏輯，將圍繞場景定製化集成展開，依託多元材料的性能互補，持續打開 AI 算力網絡與下一代光通信的性能邊界。