光子集成电路（PIC）是如何发展的？

  集成电路（IC），也被称为芯片或微芯片，最早开发于20世纪50年代末，是今天使用的几乎所有电子设备中的关键器件。大多数现代集成电路芯片由半导体晶圆制成并由电驱动，都以平方毫米为单位衡量其面积，可以由数千或数百万个微小的电阻器、电容器、二极管和晶体管组成。

  然而，随着芯片的日益微型化，我们正在迅速接近这样一个地步：在晶圆上再装更多的元件在物理上是不可能的。这个被称为 "后摩尔定律 "的世界最早可能在2036年出现，并可能对半导体制程的进一步发展构成严重挑战。

  更糟糕的是，目前的集成电路芯片已经受到大数据、物联网（IoT）设备和人工智能（AI）带来的指数级增长的数据使用量的压力。简单地说，目前的IC架构无法应对日益增长的数据需求的挑战，这导致了带宽瓶颈和数据传输速度下降。

  幸运的是，近年来，集成光子学领域的进展迅速扩大，并可能形成一种新型的集成电路架构的基础，这种架构使用光而不是电来传送信号和驱动组件。

  什么是集成光子学？

  光子集成电路（PIC），也被称为光子芯片，是一种使用两个或更多的光子元件来形成一个功能电路的微芯片。光子芯片与电子芯片的不同之处在于，它使用光粒子（光子）而不是电（电子）来感知和传输信息。

  与电子芯片相比，光子可以提供更大的带宽。此外，光子不会像电子那样遇到任何相互间的阻力，这就转化为更快的数据传输速度和更低的热效应。

  使光子芯片有别于电子芯片的另一点是其结构中使用的基底材料。在大多数电子芯片中，硅是首选，因为它具有高导电性、低成本和成熟的加工技术。

  然而，对于光子学来说，硅不是一种可行的材料，因为它的光发射性能很差。相反，在光子发展中出现了三种不同的基材，即磷化铟（InP）、氮化硅（SiN）和硅/硅基光电子（SiP）。无论芯片制造商选择使用何种材料，都将取决于芯片的预期应用，因为每种基材都有自己的优势和劣势。从理论上讲，也许有一天可以将这三种材料结合起来，创造出最终的PIC，但鉴于目前PIC市场的规模有限，对于制造商来说，现在追求这种努力还没有经济意义。

  数据和电信领域的光子技术

  光子芯片的主要好处之一是改善数据通信，这导致了PIC在不同行业领域的许多应用，包括自动驾驶、生物医学、天文学、国防和航空航天。但是，从光子学的进步中获益最多的两个部门也许是数据管理和电信部门。这就是光子芯片可能在未来几十年对数据通信产生最大影响的地方。

  数据中心的集成光子学

  从2010年到2018年，全球互联网流量增长了10倍以上，而全球数据中心的存储容量增加了25倍。随着人工智能、大数据和物联网的发展带来的新的可能性，这种每天产生和消耗的数据量的巨大增长只会继续下去。由于这些不断增长的数据需求，用于连接服务器的传统铜缆正在遭受带宽瓶颈，影响到整个系统的运行。

  铜缆往往在几个Gbps的范围内就达到了带宽的极限，而光纤的极限几乎是无限的，可以以超低的延迟达到数百Gbps或Tbps的传输速度。此外，数据中心还可以将光子芯片与高带宽发射器和接收器等板载部件集成在一起，使系统性能和可靠性得到显著提高。

  节省能源使用成本

  电子在通过铜线时遇到的阻力的后果之一是产生大量的热量。这对电子芯片中使用的硅来说是一个很大的问题，因为硅在热应力下往往会迅速破坏。出于这个原因，需要大量的冷却来保持数据中心的运行，这反过来又导致了大量的能源消耗和高碳排放。据估计，仅冷却就占了数据中心所消耗能源的33%。

  相比之下，PICs产生的热量要少得多。事实上，它们产生的热量如此之少，以至于它们不需要任何专门的冷却系统。这种极端的能源效率在未来几年可能会变得更加重要，因为作为减少碳排放努力的一部分，数据中心面临着削减能源消耗的压力。

  下一代6G网络

  即使在5G继续在世界各地推出的时候，电信公司已经在讨论6G的潜在设计，它有望比5G快几个数量级。预计在本世纪末推出的6G可以提供高达1 Tbps的速度，为3D全息视频、8K流媒体以及改进的人工现实（AR）和虚拟现实（VR）设备的新进展打开大门。光子学肯定会成为6G的决定性技术，因为它可以在带宽和传输速度方面比电子学有明显的改进。

  最后的思考

  在未来的十年里，很明显，光子芯片将成为数据和电信领域的首选。它们能够在宽广的带宽上提供闪电般的速度，并具有低热效应，这使它们成为处理快速数字化社会中日益增长的数据需求的最佳解决方案。尽管如此，必须牢记，这只是光子学的开始。不断增长的数据需求肯定会进一步推动它们的发展，导致新的用例和扩大的市场，在未来五年内可能达到新的高度。