光子芯片也被称为光子集成电路(Photonic Integrated Circuit，PIC)，是基于硅基光子集成技术实现矩阵式并行计算的新型光学器件。光子芯片与传统电子计算基础器件相比具有低功耗和超高速的优势，更适合用于实现人工智能算法中的线性运算。

20 世纪 80 年代，光子学通过其在光纤通信中的作用获得了关注。21世纪初，Meint Smit 开始在集成光子学领域开拓先河。1979年，钱学森教授在《中国激光》上著文，首次提出“光子学、光子技术和光子工业”的构想。2024年5月，中国科学院上海微系统与信息技术研究所研究员欧欣领衔的团队在光子芯片领域取得突破性进展，他们开发出酸锂异质集成晶圆，并成功用其制作出高性能光子芯片，相关研究成果5月8日在线发表于《自然》杂志。

与电子集成电路相比，光子芯片采用更高频率的光波来传输信息，而不是电流信号。光子集成电路有更低的传输损耗、更宽的传输带宽、更小的时间延迟以及更强的抗电磁干扰能力。市场上有越来越多的传感器技术创新应用，比如光子芯片在光纤通信领域的应用和医疗领域、汽车工程、食品农业的传感器上的应用。

光子芯片是一种集成光学器件，用于处理和传输光信号的芯片。它利用光信号进行数据的获取、传输、计算、存储和显示。

光子芯片通常由多个光学元件组成，如激光器、光波导、光调制器、光探测器和光纤耦合器等。这些元件被集成在一块半导体芯片上，通过微纳加工技术实现高度集成和紧凑的结构。

光子芯片是光版本的电芯片，是将光子在芯片上进行处理，和电子芯片是一种对应关系。光信号以30万公里每秒的速度在指甲盖大小的线路中奔跑。利用光的干涉效应和其他属性可以操控和处理信息。其利用半导体发光，结合光的速度和带宽，具备了抗干扰性和快速传播的特性。

光芯片按功能可以分为激光器芯片和探测器芯片，其中激光器芯片按出光结构可进一步分为面发射芯片和边发射芯片，面发射芯片包括 VCSEL 芯片，边发射芯片包括 FP、DFB 和 EML 芯片，激光芯片主要用于发射信号，将电信号转化为光信号，而探测器芯片主要有 PIN 和 APD 两类，主要用于接收信号，将光信号转化为电信号。

从原材料来分，光子芯片通常使用三五族化合物磷化铟（InP）和砷化镓（GaAs）作为芯片的衬底材料，磷化（InP）衬底用于制作 FP、DFB、EML 边发射激光器芯片和 PIN、APD探测器芯片，主要应用于电信、数据中心等中长距离传输；化镓（GaAs）衬底用于制作 VCSEL 面发射激光器芯片，主要应用于数据中心短距离传输、3D感测等领域。

光子芯片的制造流程主要包括芯片设计、光刻、蒸镀、离子注入、焊接等 。这其中，芯片设计是整个流程的关键环节，需要根据具体的应用需求设计如波导、光调制器、光探测器等不同的光学器件。光刻是核心技术之一，它通过光照、显影等步骤将芯片的图案转移到光子芯片上。蒸镀是将金属等材料蒸发在芯片表面，形成金属电极等结构。离子注入是在芯片表面注入离子，改变芯片材料的光学性质，从而实现光子芯片的电控制。焊接是将不同的光学器件组合在一起，形成完整的光子芯片。

光子学是光子检测、产生和操纵背后的科学。根据量子力学和阿尔伯特·爱因斯坦于1905年首次提出的波粒二象性概念，光既是电磁波又是粒子。

在20世纪50年代美国仙童公司联合创始人罗伯特-诺伊斯在内的许多工程师想到了集成电路的概念，在杰克·基尔比研究出了第一个能使用的集成电路之后，诺伊斯提出了一种“半导体设备与铅结构”模型。1960年，仙童公司制造出第一块可以实际使用的单片集成电路。基尔比和诺伊斯被公认为是集成电路的共同发明者，都被授予“国家科学奖章”。

到 20 世纪 80 年代，光子学通过其在光纤通信中的作用获得了关注。21世纪初，代尔夫特理工大学一个新研究小组的助理Meint Smit 开始在集成光子学领域开拓先河。他因发明阵列波导光栅 (AWG) 而受到赞誉：这是现代互联网和电话数字连接的核心组件。Smit 获得了多个奖项，包括 ERC 高级资助、光电排名奖和 LEOS 技术成就奖。

1979年，钱学森教授在《中国激光》上著文，首次提出“光子学、光子技术和光子工业”的构想。

2022 年 10 月，在哥本哈根丹麦技术大学进行的一项实验中，光子芯片通过7.9 多公里长的光缆以每秒1.84 PB的速度传输数据。首先，数据流被分成 37 个部分，每个部分都沿着光纤电缆的一个单独的核心发送。接下来，这些通道中的每一个都被分成 223 个部分，对应于光谱中等距的光尖峰。2024年5月，中国科学院上海微系统与信息技术研究所研究员欧欣领衔的团队在光子芯片领域取得突破性进展，他们开发出钽酸锂异质集成晶圆，并成功用其制作出高性能光子芯片，相关研究成果5月8日在线发表于《自然》杂志。此次科研团队采用的基于“万能离子刀”的异质集成技术，通过离子注入结合晶圆键合的方法，制备了高质量硅基钽酸锂单晶薄膜异质晶圆；同时，与合作团队联合开发了超低损耗钽酸锂光子器件微纳加工方法，成功制备出钽酸锂光子芯片

与电子芯片相比，光子芯片采用更高频率的光波来传输信息，而不是电流信号。光子集成电路和光互连技术展示出了一些显著优势，包括更低的传输损耗、更宽的传输带宽、更小的时间延迟以及更强的抗电磁干扰能力。此外，光互连还可以通过采用多种复用方式（如波分复用WDM和模分复用MDM）来提高传输介质内的通信容量。因此，基于集成光路的片上光互连被认为是一项具有巨大潜力的技术，能够克服电子传输所面临的瓶颈问题。

业内专家指出，光子芯片在存储上，短期内是无法代替电子芯片的。不过从长期看，光子技术不断迭代而且发展远快于传统数字芯片，未来大面积替代电子芯片的可能性很高。

在通信领域，光子芯片主要应用于光纤通信领域。在波分复用(WDM)光纤通信系统中光子芯片通常用作光学（解）复用器的阵列波导光栅(AWG) 。另外，光纤通信系统中的外部调制激光器 (EML)，结合了分布式反馈激光二极管和电吸收调制器。如，EFFECT Photonics 开发价格适中的高性能光通信解决方案中SPF+ 光收发器，有助于满足带宽和更快数据传输的需求。

光子芯片还可以通过部署少模光学平面波导来提高带宽和数据传输速度。特别是，如果模式可以很容易地从传统的单模平面波导转换为少模波导，并有选择地激发所需的模式。例如，双向空间模式切片器和组合器可用于实现所需的高阶或低阶模式。其工作原理取决于 V 形或 M 形渐变折射率平面波导的级联级。

光子芯片不仅可以提高带宽和数据传输速度，还可以降低数据中心的能源消耗，数据中心将大部分能源用于冷却服务器。与纯电子解决方案相比，PIC 产生的热量要少得多，并且可以减轻对冷却的需求，从而降低能耗。例如，QuiX Quantum 开发的量子光子处理器使量子光子计算机能够在室温下运行，从而减小尺寸和成本。

在医疗领域的使用使得生物传感器更先进，并且创造了更实惠的诊断生物医学仪器，集成光子学将诊断从实验室带到医生和患者手中，缩短了等待的时间。例如，SurfiX Diagnostics 的诊断平台基于超灵敏的光子生物传感器，可提供多种即时检测，Amazec Photonics 开发了一种带有光子芯片的光纤传感技术，无需将温度传感器注入体内即可实现高分辨率温度传感（0.1 毫开尔文的分数）。

在汽车工程方面，光子芯片可以应用于传感器系统，如激光雷达（代表光检测和测距）可以监测车辆周围的环境。它还可以通过Li-Fi部署车内连接。该技术促进了车辆与公用事业之间的通信，以提高驾驶员的安全性。例如，一些现代车辆会拾取交通标志并提醒驾驶员限速。应用在工程方面，光纤传感器可用于检测不同的量，例如压力、温度、振动、加速度和机械应变。

光学传感器应用在农业和食品工业中，可以减少浪费和检测疾病。由光子芯片提供支持的光传感技术可以测量超出人眼范围的变量，从而使食品供应链能够检测水果和植物的疾病、成熟度和营养成分。它还可以帮助食品生产商确定土壤质量和植物生长情况，以及测量 CO 2排放量。MantiSpectra 开发的新型微型近红外传感器小到可以装入智能手机，可用于分析牛奶和塑料等产品的化学成分。

光子芯片被认为是“后摩尔时代”信息领域发展的核心技术之一。光子芯片对于突破电子芯片“卡脖子”的现实问题具有重要战略意义，纳光电子学的发展为实现更高性能和更高集成度的光子芯片技术奠定了基础。

近十年来，欧美发达国家在光子产业领域进行了系统的部署和行动。1991年，美国政府将光子学列为国家发展的重点领域，认识到光子学对国家安全和经济竞争的重要意义和潜力。为此，美国成立了"美国光电子产业振兴会”“国家光子计划"产业联盟以及国家光子集成制造创新研究所等机构。为了保持在全球光基础技术创新方面的领先地位，2021年，美国国会牵头成立了国家光学与光子学核心小组，并投入巨资支持光子技术的发展。此外，IBM、英特尔、思科等科技巨头也在光子芯片领域进行了广泛的布局。

我国在多个区域已将光子产业确定为最具战略性、基础性和先导性的新兴产业，并进行了相应的部署。北京加快了光电子新型研发机构的建设，并发起成立了光子硬科技投资基金。陕西省率先发布了"追光计划"，致力于打造国内首个集"新型研发机构+共性技术平台+基金+产业集群"于一体的融合光子产业创新生态。光子技术产业革命即将到来，类似于从晶体管进入集成电路时代的技术革命，集成光路将成为半导体领域60年一遇的"换道超车"的重要机遇。光子芯片有望成为第四次科技革命中5G、物联网、人工智能等技术和产业的基础设施，推动人类社会迈向"光子时代"。