光子集成電路（PIC）是如何發展的？

  集成電路（IC），也被稱為芯片或微芯片，最早開發于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，都以平方毫米為單位衡量其面積，可以由數千或數百萬個微小的電阻器、電容器、二極管和晶體管組成。

  然而，隨著芯片的日益微型化，我們正在迅速接近這樣一個地步：在晶圓上再裝更多的元件在物理上是不可能的。這個被稱為 "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一步發展構成嚴重挑戰。

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

  幸運的是，近年來，集成光子學領域的進展迅速擴大，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傳送信號和驅動組件。

  什么是集成光子學？

  光子集成電路（PIC），也被稱為光子芯片，是一種使用兩個或更多的光子元件來形成一個功能電路的微芯片。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。

  然而，對于光子學來說，硅不是一種可行的材料，因為它的光發射性能很差。相反，在光子發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，創造出最終的PIC，但鑒于目前PIC市場的規模有限，對于制造商來說，現在追求這種努力還沒有經濟意義。

  數據和電信領域的光子技術

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

  數據中心的集成光子學

  從2010年到2018年，全球互聯網流量增長了10倍以上，而全球數據中心的存儲容量增加了25倍。隨著人工智能、大數據和物聯網的發展帶來的新的可能性，這種每天產生和消耗的數據量的巨大增長只會繼續下去。由于這些不斷增長的數據需求，用于連接服務器的傳統銅纜正在遭受帶寬瓶頸，影響到整個系統的運行。

  銅纜往往在幾個Gbps的范圍內就達到了帶寬的極限，而光纖的極限幾乎是無限的，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提高。

  節省能源使用成本

  電子在通過銅線時遇到的阻力的后果之一是產生大量的熱量。這對電子芯片中使用的硅來說是一個很大的問題，因為硅在熱應力下往往會迅速破壞。出于這個原因，需要大量的冷卻來保持數據中心的運行，這反過來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產生的熱量要少得多。事實上，它們產生的熱量如此之少，以至于它們不需要任何專門的冷卻系統。這種極端的能源效率在未來幾年可能會變得更加重要，因為作為減少碳排放努力的一部分，數據中心面臨著削減能源消耗的壓力。

  下一代6G網絡

  即使在5G繼續在世界各地推出的時候，電信公司已經在討論6G的潛在設計，它有望比5G快幾個數量級。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流媒體以及改進的人工現實（AR）和虛擬現實（VR）設備的新進展打開大門。光子學肯定會成為6G的決定性技術，因為它可以在帶寬和傳輸速度方面比電子學有明顯的改進。

  最后的思考

  在未來的十年里，很明顯，光子芯片將成為數據和電信領域的首選。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中日益增長的數據需求的最佳解決方案。盡管如此，必須牢記，這只是光子學的開始。不斷增長的數據需求肯定會進一步推動它們的發展，導致新的用例和擴大的市場，在未來五年內可能達到新的高度。