光子集成电路（PIC），正在通过提供比传统电子电路更高的数据传输速度和更低的能耗，彻底改变光通信和计算。

随着人工智能（AI）数据中心、电信、量子计算和传感应用的需求不断增长，国外市场调研机构IDTechEx最新报告《硅光子学与光子集成电路2025-2035：技术、市场与预测》（ Silicon Photonics and Photonic Integrated Circuits 2025-2035: Technologies, Market, Forecasts）预测，光子集成电路市场到2035年将超过540亿美元（折合人民币约为3919.40亿元）。

人工智能的快速发展以及需要大量参数的基础模型的扩展，导致数据中心内数据处理需求呈指数级增长。

这一激增的需求要求高带宽、低延迟的通信通道，以高效处理AI加速器与存储系统之间的大量数据流。

光子集成电路作为解决这些需求的关键技术，因其在数据传输速率和能效方面优于传统电子互联技术，已成为重要的技术解决方案。

训练和执行大型现代AI模型需要在数据中心内进行大量的数据迁移，因为进行矩阵运算时经常需要在多个图形处理单元（GPU）节点之间分割。

这些传统的电子互联面临着无法满足所需带宽和延迟规格的挑战，常常导致瓶颈，影响整体系统性能。

光子集成电路通过使用光进行数据传输，解决了这些问题，能够实现更高的带宽和更低的延迟。与电阻性损耗相比，光吸收引起的能量损耗通常较低，这提高了能效并增加了传输距离。

最近的进展，凸显了光子集成电路在AI数据中心中的关键作用。例如，意法半导体（STMicroelectronics）与亚马逊网络服务（AWS）合作，推出了一种新的硅锗光子集成电路生产工艺。

预计该工艺将于今年下半年开始生产，制造的可插拔光收发器将集成到AWS的基础设施中，标志着行业在满足AI数据传输需求方面向光子解决方案的转变。

为了进一步提升性能和能效，光子学与电子组件的直接集成正在获得关注。联合封装光学（CPO）工艺将光子集成电路和电子集成电路紧密耦合，从而减少传统互联所带来的信号损失和能耗。

这种方法在AI数据中心中尤其有益，通过最小化电气路径的长度，不仅可以减少延迟并提高吞吐量，还能通过减少电阻损耗来降低功耗。

硅光子学是光子集成电路市场的主导技术，因为它与成熟的半导体制造工艺兼容。硅光子学通常基于硅基氧化硅（SOI）平台，尽管在某些情况下，硅氮化物被用作这些晶圆上的替代材料。

台积电（TSMC）宣布将在2024年中期进入硅光子学市场，首先聚焦于可插拔光收发器，随后将重点发展联合封装光学技术，这标志着硅光子学技术在市场中的信心不断提升。

硅光子学的主要优势包括：

• 与互补金属氧化物半导体（CMOS）制造的集成性。硅光子学利用现有的代工厂基础设施，降低了生产成本，并使大规模部署成为可能。

• 可扩展性。硅光子学可以在标准半导体工艺下操作，因此可以与传统电子电路一起扩展。

• 能效。与电子互联相比，硅光子学能够实现更低的功耗，以支持高速数据传输。

尽管硅光子学具有上述优点，但它也存在一些显著的局限性，这些问题可以通过替代材料平台加以解决。

例如，由于硅是间接带隙半导体，因此在激光集成方面存在困难，相比某些替代材料，硅光子学在光波导的调制性能和损耗方面也较为逊色。

虽然硅在光子集成电路市场中占主导地位，但新兴材料正在解决其局限性（见图2）：

• 磷化铟（InP）。作为直接带隙半导体，磷化铟能够高效地生成和检测光，广泛应用于电信领域，并预计随着高速光互联需求的增长，其市场份额将增加。

• 薄膜铌酸锂（TFLN）。具有较强的光电特性和低损耗，TFLN正成为高性能调制应用（包括量子计算和超高速光通信）的候选材料，但由于与标准CMOS工艺的集成挑战，其技术成熟度仍较低。

随着对高性能光收发器需求的增加，具有极高调制性能的材料有望获得更多市场机会。随着数据中心光收发器需求的演变，硅光子学的应用领域不断扩大，这将在未来十年内为替代材料平台带来更多机会。

我们的报告还对更多新兴光子集成电路材料的机会进行了分类，包括钡锡氧化物（BTO）和聚合物绝缘体（POI）。

尽管数据通信仍然是光子集成电路的最大市场，但其他应用正逐步兴起：

• LiDAR。通过光子集成电路实现的频率调制连续波（FMCW）LiDAR，提升了自动驾驶汽车和工业自动化的性能。

• 生物传感器和气体传感器。使用硅氮化物制造的光子集成电路正在推动紧凑、高灵敏度的传感设备的发展，用于医疗健康和环境监测。

• 量子计算。光子量子计算是一个快速发展的领域，光子集成电路在量子架构的扩展中发挥着至关重要的作用。开发受限离子和基于光子的量子处理器的公司正在投资集成光子学解决方案，以提高稳定性和可扩展性。

预计仅硅光子学市场在未来十年将保持20%的年复合增长率（CAGR）。虽然这一增长主要受到人工智能热潮的推动，但光子集成电路在LiDAR、生物传感和量子计算等新兴应用中的使用案例预计将在该期间后期出现显著市场。

我们的报告提供了对关键参与者、技术趋势和市场预测的深入分析，包括：

• 联合封装光学及其对行业的潜在影响。

• 光子材料的基准测试，包括TFLN和BTO等新兴选项。

• AI、数据中心、5G和量子应用中的光子集成电路光收发器市场预测。

• 制造技术和供应链动态。

随着对高速、节能光学解决方案的需求增加，光子集成电路有望在塑造未来计算、通信和传感技术的过程中发挥基础性作用。