光子集成电路（PIC）是比“硅光子学”更广泛、更准确的术语，目前正被超大规模企业部署，以绕过功耗和带宽上限，方式与从铜线向光纤的电信转变在技术和经济上都截然不同。

加速向集成光子技术转型并推动这些技术商业化激增的有两个因素：技术性能限制和市场压力。

基于电子的光刻和封装的物理限制限制了摩尔定律的进展。演变的平刻工艺提高了特征密度。然而，强迫更多电子通过更小体积会增加热量和电干扰。通过光子代替电子传递信息来减少这些影响。

随着全球经济环境向人工智能驱动的生产力和跨境数据流转变，数据流动——其成本、能源足迹和可扩展性——正成为结构性瓶颈。这使集成光子学和光学互联成为数字基础设施下一阶段的关键推动力。数据中心是这一转型的经济中心，推动资本投资向光学架构发展。集成光子技术在能效和吞吐量方面带来了重大改变，实现了无需成比例能源增长的超大规模扩张——这与能源成本上升、排放审查以及地缘政治争夺数字供应链相契合。投资影响显而易见：在未来周期中，资本很可能倾向于能够商业化光互联、集成光子芯片和节能数据中心基础设施的公司。

秘密驱动力

虽然这两个因素推动了发展势头，但一个常被忽视的第三个因素正逐渐显现：安全性。显然，仅靠软件来处理安全措施正日益不足。为了增强信任，技术必须内置于通信基础设施中，而非叠加。嵌入式光子通道通过消除可被窃听的导电路径，减少攻击面。集成光子技术可以在硬件层融合光学信号和加密，如真正的随机数生成。

电信繁荣（与崩盘）与PIC爆炸的区别

在引入新技术时，通常会回顾过去广泛的行业转型，以预见市场在技术和财务方面的需求。电信技术几十年前就从铜线转向光纤。虽然ICs看起来走在相似的道路上，但差异却很大。

不同的“杀手级应用”

电信采用光纤支持数千公里长途、高数据速率传输，但这种扩展主要是预期而非验证需求驱动，最终在互联网泡沫破裂时崩溃。相比之下，集成光子学则是由AI和区块链系统需求激增驱动的——这些服务我们本来就难以支持。与电信时代不同，我们本已难以满足的服务需求没有减缓。

相同的构建单元，不同的尺度

电信和集成光子学使用相同的构件——波导、光源、调制器和光电探测器——但将这些组件从微米级减小到纳米级，会带来根本不同的物理、制造方法和集成挑战：

  • 波导：电信系统引导光线通过光纤;PIC引导光线通过带有光刻图案的波导，或在某些情况下通过芯片上的自由空间路径。
  • 光源：电信激光器是通过散装光学耦合的离散温控模块。PIC激光器（通常为InP）集成在片上，降低了体积、功耗和系统复杂度。
  • 调制器：电信调制器是带有厘米长光纤尾线和耦合器的离散LiNbO或InP器件。PIC调制器直接图案化于硅上，实现紧凑、节能、密集复用的调制。
  • 光电探测器：电信接收器使用离散的InGaAs探测器，配合片外的超阻抗放大器，通过光纤实现。PIC光电探测器（通常称为Ge）与放大器、波导和逻辑电路共集成，实现高密度、低损耗信号转换。

由于PIC面临的主要挑战是开发能够高效大规模制造、具备合理良率和校准公差的光刻和封装工艺，行业必须不断提升制造能力。幸运的是，CMOS制造工具和工艺已经为这一转变奠定了坚实基础。

PIC市场的投资格局

PIC行业结合了长开发周期和高资本需求，但其驱动力来自超大规模企业、金融机构和去中心化网络的结构性、非可选需求。拥有耐心资本和对硬件扩展经济学理解的投资者，将有机会受益，因为光互连和光子安全成为数字基础设施的基础层。

在观察资本投资集中的方向时，分析指向封装和互联创新，以及基于光子学的安全堆栈。这些细分直接对应推动采用的主要痛点：节能互联和硬件级加密韧性。

然而，投资者必须对投资期限和资本强度保持现实。PIC初创企业的开发周期明显更长——通常为8到14年以实现规模化——而且需要4000万到1.5亿美元才能实现实质性的收入调整。光子初创企业的中位退出时间约为九年，预计十年内失败率在40%至60%之间，尽管由于幸存者偏差和未公开的关闭情况，观察到的停产率似乎较低。

美国经济在2015年至2025年间成立了35至50家具备竞争力的集成光子学公司，涵盖Si、SiN、InP和LNOI平台。

根据历史基准和行业比较，这些早期初创公司（安全光子硬件、金融科技/交易所试点）在未付入资金的估值在1000万美元到2000万美元之间，而成长阶段初创企业（电信/金融部署、量子准备试点）则在3000万到7000万美元的预付费价之间。平均而言，这些初创公司在选择退出前筹集约1.89亿美元，成功的退出项目筹集资金介于2250万至4.5亿美元之间。最终成功的PIC公司通常在退出前筹集1.75亿美元至2亿美元。

高价值成果通常与拥有大型可覆盖市场和系统级平台（如相干光学和广泛应用的先进传感）的公司保持一致。较低价值的退出（<2亿美元）通常发生在细分的PIC架构中，如仅组件产品策略。

出口动态现已发生变化，SPAC通道崩溃，消除了2020–2021年多家光学公司此前膨胀的通道。随着企业收购PIC团队以增强集成能力，而非完整产品组合，分阶段收购越来越普遍。

解决PIC障碍所需的方法

随着PIC技术从可行性走向部署，仍有若干关键障碍存在——其中三个特别值得集中的工程努力和投资。

材料的异质集成

当前制造技术可以生产单个PIC元件，但这些元件依赖于多种难以在同一晶圆上集成的材料。例如，当InP激光器与硅结合时，热不匹配会导致光学耦合错位并降低良率。

可作的研究领域：设计可扩展的键合和比对技术，利用CMOS兼容的公差将异质材料集成在硅上，同时不降低热可靠性、光学效率或良率。该领域的成功将降低功耗、降低成本，并实现硅光子学的全面可扩展性。

三维封装方法优化了密度、效率和速度

目前PICS封装改进主要集中在扩大生产规模和降低成本，但并未解决光子学特有的挑战。例如，传统的翻转芯片工艺无法满足芯片间光学耦合所需的垂直（±1–2微米）和横向（±200–300纳米）公差。

可作的研究领域：开发能够实现光子芯片自动晶圆级集成的耦合或键合技术，同时保持亚微米级的校准公差——无需人工比准或组装后调优。该领域的成功将降低成本，提高良率，使全晶圆级集成具有商业可行性。

低温到室温的量子计算光子接口

低温量子计算的一个关键挑战是简单地连接到系统。铜互连会导热、限制带宽，且无法携带量子态。光子互连解决了这些限制，实现了低温到室温的信号传递和量子模块间的纠缠分布。

可作的研究领域：开发能够可靠运行于低温（≈4 K）至室温（≈300 K）的光子收发器，同时保持结构和热稳定性，以及波导间亚微米的光学对齐。该领域的成功将使模块化量子架构成为可能。

支持过渡

PIC的商业化不再是可行性的问题。持续的进展依赖于工程进步，这需要大量研究和资金支持。这正是电气工程师、制造科学家和投资者必须汇聚的地方，以更快的速度创新和扩展，以支持社会日益增长的服务需求。这里的成功将定义下一个计算时代。