光子芯片是什么？它與普通芯片區別在哪？有哪些優勢和技術難點？在哪些領域會得到怎樣的應用？本文將針對上述問題一一進行解答。
光子芯片應運而生
1959年，美國著名半導體廠商仙童公司（Fairchild Semiconductor）首先推出了平面型晶體管，緊接著于1961年又推出了平面型集成電路。這種平面型制造工藝是在研磨得很平的硅片上，采用 “光刻”技術來形成半導體電路的元器件，如二極管、三極管、電阻和電容等。只要“光刻”的精度不斷提高，元器件的密度也會相應提高，從而具有極大的發展潛力。因此平面工藝被認為是“整個半導體的工業鍵”，也是摩爾定律問世的技術基礎。
1965年，英特爾(Intel)創始人之一戈登·摩爾(Gordon Moore)提出摩爾定律。其內容為：當價格不變時，集成電路上可容納的元器件的數目，約每隔18-24個月便會增加一倍，性能也將提升一倍。換言之，每一美元所能買到的電腦性能，將每隔18-24個月翻一倍以上。這一定律揭示了信息技術進步的速度。
過去的半個多世紀，半導體行業一直遵循著摩爾定律（Moore's law）的軌跡高速的發展，如今半導體制程節點已經來到了3nm，借助于EUV光刻等先進技術，正在向2nm甚至更小的節點演進，每進步1nm都需要付出巨大的努力，單純靠提升工藝來提升芯片性能的方法已經無法充分滿足時代的需求，主要體現在：
一、以電子為載體的技術發展已趨近物理極限。當下集成電路是以硅為基礎材料的，硅原子的直徑約為0.22納米，當制程降至7納米以下時，極易出現電涌和電子擊穿問題，也就是已經很難完美地對電子進行控制。雖然代表全球最頂尖水平的臺積電仍然在不斷地進行3納米及2納米的技術研發及產能投資，但業內人士普遍認為集成電路的尺寸微縮最多到2030年就會達到物理極限，亟需尋找創新發展的出路；
二、電子芯片尺寸降到極致時會出現“功耗墻”難題。比如，巨大的耗能壓力就是計算機發展的最大技術障礙之一。雖然國內外學術界和工業界進行了大量努力，但由于CMOS（互補金屬氧化物半導體）半導體功耗密度已接近極限，所以必須尋找新途徑、新結構、新材料；
三、過去幾十年中處理器的性能以每年約55%的速度提升，而內存性能的提升速度約為每年10%，長期累積下來，不平衡的發展速度造成了當前內存的存取速度嚴重滯后于處理器的計算速度，訪存瓶頸導致高性能處理器難以發揮出應有的功效；
四、電子芯片性能提升的同時，性價比在降低。業界普遍認為，28納米是芯片性價比最高的尺寸。根據SEMI國際半導體產業協會的芯片主流設計成本模型圖，采用FinFET（FinFET全稱Fin Field-Effect Transistor，中文名叫鰭式場效應晶體管）工藝，的5納米芯片設計成本已是28納米工藝設計成本的近8倍，更復雜的GAA（Gate-all-around，環繞柵極）結構的設計成本只會更高，這僅是芯片設計、制造、封裝、測試中的設計環節。制造環節的晶圓代工廠的研發、建廠、購買生產設備耗費的資金會更多，比如三星在美國得克薩斯州計劃新建的5納米晶圓廠預計投資高達170億美元。
半導體行業逐步進入了后摩爾時代，高算力和低功耗的光子芯片應運而生。
光子芯片和電子芯片
電子芯片通常指的是傳統芯片，即內含集成電路的硅片，體積很小，常常是計算機或其他設備的一部分。它是電子設備中最重要的部分，承擔著完成運算，處理任務和控制存儲的功能。電腦、手機、電視和各種智能電子產品都都離不開芯片。
光子芯片采用的是光波來作為信息傳輸或數據運算的載體，指的是依托于集成光學或硅基光電子學中介質光波導（引導光波在其中傳播的介質裝置）來傳輸導模（導模是指光波限制在圓筒內（光纖）向前傳播）光信號，將光信號和電信號的調制、傳輸、解調等集成在同一塊襯底或芯片上的技術。
電子芯片采用電流信號來作為信息的載體，而光子芯片則采用頻率更高的光波來作為信息載體。相比于電子集成電路或電互聯技術，光子集成電路與光互連展現出了更低的傳輸損耗、更寬的傳輸帶寬、更小的時間延遲、以及更強的抗電磁干擾能力。此外，光互聯還可以通過使用更多方式來提高傳輸媒質內的通信容量。
從國家戰略安全和戰略需求的角度，光子芯片可以解決很多在數據處理時間長、無法實時處理、功耗高等應用領域的關鍵問題。例如，在遠距離、高速運動目標的測距、測速和高分辨成像激光雷達中，在生物醫藥、納米器件等的內部結構實現高分辨無損檢測的新型計算顯微關聯成像裝備中，光子芯片均可以發揮其高速并行、低功耗、微型化的優勢。
此外，AI光子芯片是一種光計算架構與人工智能算法高度匹配的芯片設計，有潛力廣泛應用于自動駕駛、安防監控、語音識別、圖像識別、醫療診斷、游戲、虛擬現實、工業物聯網、企業級服務器和數據中心等關鍵人工智能領域。
類腦光子芯片可以模擬人腦的計算，通過光子攜帶信息在模擬大腦的神經網絡構架下處理數據，使芯片達到像人腦一樣高速并行且低功耗的計算。以微納光子集成為基礎的光子芯片結合基于光學計算的神經網絡數據處理系統是應對未來低功耗、高速度、寬帶寬、大數據量信息處理能力的關鍵。
挑戰
光子芯片是基于硅片的激光技術，它將磷化銦的發光屬性和硅的光路由能力整合到單一混合芯片中，當給磷化銦施加電壓的時候，光進入硅片的波導，產生持續的激光束，這種激光束可驅動其他的硅光子器件。盡管硅光子學有很大的前景，但是該技術也面臨很多挑戰：
1、由于硅具有非直接帶隙，因此發光效率很低?；诠璧募す馄骰蚍糯笃鞑荒芘c其它基于GaAs（砷化鎵）或者InP（磷化銦）的激光器或放大器相媲美；
2、硅的帶隙也較大，無法探測波長接近1300nm、1500nm波長的光；
3、硅具有二階非線性（二階非線性光學效應是非線性光學晶體材料的關鍵性能），因此無法制作電光調制器；
4、芯片上的激光光源很難進行散熱；
5、光學連接器精度要求較高，難以在量產中實現。
最新研究進展
文章開頭提到的自校準光子芯片，通過快速可靠重編程技術加快了搜索速度，而搜索速度是醫療診斷、自動駕駛車輛、互聯網安全等許多應用的重要屬性。
這項研究的一個關鍵挑戰是將所有光學功能集成到一個可“插入”現有基礎設施的設備上。研究團隊提出的解決方案是：在芯片制造后對其進行校準，也就是使用集成參考路徑而非外部設備對芯片進行校準，這提供了“撥號”所需的所有設置和開關功能。
莫納什大學阿瑟·洛厄里教授表示，該自校準可編程的光子濾波器芯片，使可調諧光子集成電路廣泛應用于多個領域，如根據顏色調換信號的光通信系統、運行速度極快的相關器（相關接收器，即利用信號的相關特性將有用信號從干擾和噪聲中提取出來的工具）、用于化學或生物分析甚至天文學領域的科學儀器等。
圖片來源于網絡
資料來源：
https://www.sohu.com/a/555010089_121124364
https://www.cn-healthcare.com/articlewm/20201229/content-1176066.html
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