非常榮幸，非常感謝基石資本的邀請，使得我有機會回到了我的出生地南昌。我在離這里不遠的原江西大學的校園里出生，一直在江西成長到15歲才離開，所以我對江西這片土地充滿了感情，今天對我來說也是一個很特殊的日子。

以前我在英國的布里斯托爾大學當光子信息系統(tǒng)教授。受到中山大學許寧生院士的鼓勵，回國加入光電材料與技術國家重點實驗室。回國以來，我的任務就是帶領團隊把光電子信息技術作為我們國重室的一個重要戰(zhàn)略方向發(fā)展起來。光電子集成芯片是光電子信息技術的基礎，也是我們國重室主要研究方向之一。

簡單介紹一下我們實驗室。光電材料與技術國家重點實驗室前身超快激光光譜學國家重點實驗室成立于1984年，是全國第一批10所國家重點實驗室之一。發(fā)展過程中非常關鍵的一個人物是許寧生院士。在他的領導下，實驗室2001年改組為光電材料與技術國家重點實驗室，確立了更為符合國家重大需求的研究定位，實現(xiàn)了高質量發(fā)展，為國家做出了重要的貢獻。我們實驗室是一個跨學科的實驗室，雖然我們屬于材料領域，但我們是一個綜合性的實驗室。

在光電子信息技術方向，我們實驗室形成了一個完整的研究鏈條，即光電信息材料、光電信息器件與集成芯片、以及光電信息系統(tǒng)。在這個鏈條上我們實驗室在若干方向上形成了自己的優(yōu)勢特色，在其中一些點位上，我們應該是處于世界領先水平。

言歸正傳。我們的主題是光電子芯片。微電子芯片或者集成電路大家都已經(jīng)耳熟能詳了，光電子芯片可能還不那么廣為人所知，但是從功能而言，它其實與微電子芯片是互補互利的。

我們現(xiàn)在絕大部分信息，它的起點是光，它的終點也是光。大家把手機拿出來看一下就知道，你拍一張照片、拍一個視頻是把光變成電，最后你和你的朋友在屏幕看它的時候，又是把電變成光，所以兩端是光。中間其實也有很多的環(huán)節(jié)是由電到光—光到電—再電到光—再光到電……這樣不斷地轉換。因此，光電子芯片跟微電子芯片一樣，在我們的信息系統(tǒng)里面起到了非常重要的核心的作用，二者缺一不可。

光電子芯片的應用領域包括光電感知成像、光纖通信、數(shù)據(jù)互連、激光雷達、新型顯示以及一些新興信息技術——光計算、量子通信與量子計算等等，因此，光電子芯片面向與支撐的市場規(guī)模其實是非常巨大的。

那么為何光電子芯片以前沒有像集成電路那樣引人注目？去年習近平總書記到武漢考察的時候講過一句話：“光電子信息產(chǎn)業(yè)是應用廣泛的戰(zhàn)略高技術產(chǎn)業(yè)，也是我國有條件率先實現(xiàn)突破的高技術產(chǎn)業(yè)?！边@說明，我們光電子器件和芯片跟國外的差距不是那么大。另外，光電子芯片是摩爾定律以外的芯片，它不是特別受到先進制程等“卡脖子”因素的影響，因此它具備基于我們現(xiàn)有的技術基礎實現(xiàn)突破的可行性，相對來說受到非技術因素的干擾可能小一點。不過這并不意味著其技術難度就低一些。

那么，什么是光電子芯片？相對于微電子芯片，它有何的特殊之處？

我們知道，微電子芯片里面的功能元器件就只有一個——晶體管，功能材料只有一種，就是硅。它是靠大量的晶體管組合成不同電路來實現(xiàn)不同功能，即功能來自架構。光電子芯片則不然，光電子芯片上面每一個不同的功能，都需要一個不同的器件來實現(xiàn)，而每一個不同的功能器件，可能都需要一種不同的材料去支撐它才能實現(xiàn)性能優(yōu)化，即功能來自材料。因此跟微電子芯片相比，光電子芯片最大的難點或者說特點，不是要做到多少納米的工藝節(jié)點和多么復雜的架構，而是怎么把一堆毫不相關甚至互相矛盾的一些材料，集成到同一個晶片上面去。

從材料層面上說，微電子就是硅，硅就是微電子，但光電子恰恰是非常不一樣的。光電子集成技術的發(fā)展根本上是由材料驅動的，光電子功能無法用同一種材料、器件實現(xiàn)，功能強大的光電子芯片必然是多種光電子材料的異質異構混合集成。

“異質異構混合集成”這個詞，其實目前在微電子領域也變得越來越重要，因為摩爾定律再往下走很難，如何進一步升級微電子芯片技術，更多的時候也需要依靠異質異構混合集成。

在光電子領域，什么叫異質異構混合集成？有兩大類材料，一類叫無源的集成平臺材料，負責構建光子線路，連接各有源功能器件；一類叫有源的功能材料，用以實現(xiàn)光發(fā)射、探測、調制等有源功能器件。要把這兩類材料集成到一個芯片里面，特別是還要涉及到多種不同的功能材料，其實它的難度是非常大的，只是它跟不斷推進摩爾定律是不同類的難度。

光電子集成技術其實已經(jīng)悄悄發(fā)展了大概有三、四十年的時間，事實上我認為我們現(xiàn)在正處于一個轉折點，在這個點之前的技術，我把它叫做“光子集成1.0”，芯片是基于單一平臺材料體系，有點類似于微電子芯片，想用一個材料就把一個事情做成了。實踐證明，它取得一定成功，不過功能是有限的?，F(xiàn)在我們要走向“光子集成2.0”，即一個平臺加多種功能豐富的材料，從而使得光電子芯片擁有更加豐富的功能以及更加強大的性能。

對于光電子芯片，選擇什么平臺材料，即在什么樣的平臺上面去搭建芯片，具有根本的重要性。

理想的光子集成平臺材料需要滿足很多要求。它的材料性質首先要滿足構建無源光路基本要求，最好還能夠兼顧一些功能，就是說我們希望這個材料既能用作一個無源平臺材料，又能實現(xiàn)一些光電子的有源功能，同時還在在成本等方面具有優(yōu)勢；還有就是利于集成其他材料。

在過去二三十年，平臺材料已經(jīng)經(jīng)歷了2到3代。第一代就是二氧化硅平面光路（PLC），它是玻璃的，玻璃是透明的，因此可以用來構建導光、分光、合光等無源光路。這個技術已經(jīng)非常成熟，這樣的光子芯片也很便宜，已經(jīng)賺不到錢了。同時也沒有任何有源光電子功能。

針對對有源光電子功能芯片的需求，一些化合物半導體材料，如磷化銦等有源材料也與之并行發(fā)展。所謂有源材料，就是能夠高效發(fā)射、探測光，或者在電信號控制下對光進行高效調制的材料，也就是能實現(xiàn)電—光、光—電或者光—光的轉換的材料?；诹谆煵牧系墓怆娮蛹梢步?jīng)過了20多年以上的發(fā)展，但它的晶圓尺寸比較小，價格也很貴，作為無源光路平臺材料的基本光學性質也不是很好，所以難以實現(xiàn)大規(guī)模、低成本地制造多功能、高性能光電子集成芯片。但是這類化合物半導體材料有一個最大的不可或缺性，就是它能夠發(fā)光，這是其他材料無法替代的。因此它是一種優(yōu)秀的光電-電光轉換的功能材料，但不是一種優(yōu)秀的平臺材料。

過去十幾年間，硅基光子集成（硅光）平臺發(fā)展得非?？臁９枋俏㈦娮拥闹饕牟牧?，由于它對于紅外這一波段的光是透明的，所以它也可以用來做集成光子的平臺材料。它最大的優(yōu)點是集成密度高，且能夠借助集成電路的產(chǎn)線來實現(xiàn)大規(guī)模、大批量、低成本的加工。但是好的事情一定有不好的一面，很可惜，硅是一個不可以高效發(fā)光的材料。對于光電子芯片來說，光從哪里來，是一個根本的問題。因此，硅光平臺一定要跟能夠發(fā)光的材料結合在一起，這些材料就是我們剛才說的化合物半導體。

大家都知道摩爾定律。其實光子集成從某種程度來說也有自己的摩爾定律。下面這張圖表示的是不同材料的平臺能夠集成的器件的數(shù)量，藍線是磷化銦光子集成，紅線是硅基光子集成，可以看到，硅基光子集成發(fā)展的斜率要大得多。但是同時我們也要看到它的縱坐標，它表示硅光芯片上面現(xiàn)在可以集成10-100萬量級的器件，相當于微電子70年代水平，所以光電子集成跟微電子集成是非常不一樣的，光電子器件尺寸遠遠大于晶體管，其根本原因是光子的“尺寸”遠遠大于電子，所以光電子器件不能像微電子器件那樣一直去縮小尺寸到納米量級。

“光子集成摩爾定律”

來源：N Margalit et al (UCSB), APL DOI: 10.1063/5.0050117

硅光芯片市場發(fā)展很快。如果僅看它的絕對價值，微電子領域的人可能會覺得比較小，但是市場規(guī)模不那么大，并不等于它不重要，因為所有的關鍵技術都是缺一不可的。而且硅光芯片的市場規(guī)模目前雖然不大，但是成長率非常高，它的模式一旦走通，就有望實現(xiàn)像微電子那樣的一個爆發(fā)式的發(fā)展。

產(chǎn)業(yè)模式方面，以前的光電子產(chǎn)業(yè)都是IDM的模式，就是一家公司設計、加工、測試、銷售從頭做到尾。硅光技術試圖顛覆這一模式，轉向微電子芯片的設計-代工模式，通過設計與制造工藝解耦降低門檻、降低成本、擴大市場。這個模式已經(jīng)走通了，但是又沒有完全走通，為什么？因為現(xiàn)在的產(chǎn)品公司仍然無法與制造完全解耦，產(chǎn)品公司和代工廠依然深度綁定。這個也是由光電子集成的特性決定的，產(chǎn)品的差異化技術主要在材料、結構、工藝層產(chǎn)生，一旦標準化，可能就等于同質化，產(chǎn)品公司可能失去技術特點與優(yōu)勢，所以大家也不一定非常愿意走這條路，把自己研發(fā)出來的獨特技術完全給大家分享。

這里有一張圖，不完全統(tǒng)計了硅光領域的制造和應用技術鏈條。截至目前，中國大陸還沒有一個真正成熟的硅光代工平臺。有很多家在做，但是還沒有一家能夠真正成熟地做到商業(yè)化流片。

硅光制造、應用技術鏈條

來源：Yole

在高速發(fā)展的同時，硅光技術也開始面臨一些技術瓶頸。硅雖然對紅外光是透明的，但是硅基波導光路對光信號仍然是有一定損耗的，如何進一步降低波導損耗、如何進一步提高電光調制器性能、還有我剛才說的如何集成發(fā)光與探測等關鍵功能，是硅光的三大問題。單純基于硅材料，這些問題其實都不太好解決，因此大家很想從材料的層面上探索，有沒有其他的材料能夠具有更好的特性。

比如氮化硅基光子集成的發(fā)展也很迅速，也有專門的氮化硅光子集成代工平臺。氮化硅的透明度比硅要高很多，也就是說它的損耗要低很多，但是它的集成密度不如硅，集成光發(fā)射、探測、調制等關鍵功能難度也較高。因此，氮化硅有其獨特優(yōu)勢，但自己可能難以成為獨立的一個平臺。不過它跟硅是兼容的，可以且已經(jīng)成為硅的一種補充。我們實驗室在這方面也做了很多工作，我們自主研發(fā)了與半導體工藝完全兼容的低溫制備氮化硅光子集成平臺，其損耗已經(jīng)達到了國際上用高溫工藝實現(xiàn)的同等水平，我們也是中國唯一一家擁有這方面自主自主知識產(chǎn)權的實驗室，目前也在努力地推動自身技術的轉化。

另外一個材料看上去似乎是最近兩年突然冒出來的，就是薄膜鈮酸鋰（TFLN）。哈佛大學有一個教授叫做Loncar，去年我主編的一個Advanced Photonic的?？ゲ稍L他，他比較膽大，他就說：“我對于薄膜鈮酸鋰未來10年發(fā)展非常樂觀。事實上，我愿意冒天下之大不韙——你可以直接引述我——預言10年內薄膜鈮酸鋰將在所有高性能光電子應用中取代硅光，特別是在數(shù)據(jù)通信中?！边@個預言會不會實現(xiàn)我們不知道，但是一定是一個努力的方向。

薄膜鈮酸鋰雖然看起來是突然冒出來的，其實事實上大概是2006年左右甚至更早的時候，歐洲的一些大學就開始研究這個東西。這里我還要強調一個人，胡卉，晶正科技的創(chuàng)始人。胡卉非常有眼光，他在2010年那么早的時候就回到中國來創(chuàng)業(yè)，做薄膜鈮酸鋰晶圓產(chǎn)品，當時應用市場可能也不是那么明確，他認為這個東西很有前途就做了。

如何在薄膜鈮酸鋰材料上面加工高性能光子線路和先進功能器件？在國內率先把這件事情做出來是我的學生蔡鑫倫。他從英國回中山大學當教授，非常有勇氣和眼光地放棄原來的研究方向，轉而研發(fā)薄膜鈮酸鋰光電子芯片技術，做出了一系列性能國際領先的原型芯片。現(xiàn)在有一家企業(yè)，叫做鈮奧光電子有限公司。這家公司就是基于他自主開發(fā)的薄膜鈮酸鋰產(chǎn)品和光電子集成平臺技術創(chuàng)立的。目前全世界技術上能夠相提并論的公司有兩家，一家是中國的鈮奧光電，另一家是一個美國的公司，叫做HyperLight，是基于哈佛大學Loncar組的技術。這兩家公司的創(chuàng)始人都是中國人，但是一個在中國，一個在美國。這里值得一提的是，基石資本在鈮奧的A輪融資中起到了關鍵性的作用。

鈮奧是中國光電子芯片產(chǎn)業(yè)中，第一個基于國內獨立自主創(chuàng)新的源頭技術培育出來的、從材料、到加工技術、到器件的設計優(yōu)化、一直到產(chǎn)品化，全鏈條全部都在國內的一家公司。所以如果最后它能夠取得商業(yè)成功，那在中國光電子芯片發(fā)展史上可能具有一定的劃時代的意義，代表了中國的光電子芯片技術從跟跑到并跑再到領跑的轉折點，代表了中國有開辟和跑贏新賽道的能力。

我們可以看到，在這個技術創(chuàng)新中，一個新的平臺材料，也就是薄膜鈮酸鋰，起到關鍵性的作用。因為薄膜鈮酸鋰材料的光學性能實在是太好了，它不僅損耗比硅低很多，而且還具備優(yōu)秀的電光調制功能。因此，采用這個新材料可以突破硅光集成的諸多瓶頸，包括剛才說的調制器的瓶頸，把調制器綜合性能提高了非常多，帶來的好處包括更大的帶寬、更高的速率、更低的能耗等等。

因此，現(xiàn)在盡管硅光本身也還是在高速的發(fā)展中，但是光電子芯片技術的后硅光時代可能已經(jīng)開啟，其代表就是像薄膜鈮酸鋰這一類不僅高性能，而且功能非常豐富的新型的薄膜材料。這個過程中會出現(xiàn)像鈮奧光電子這樣的一批潛在的專精特新企業(yè)，或者“小巨人”企業(yè)。

像薄膜鈮酸鋰這樣的材料，不僅損耗低，還自帶很多的功能，但是正如剛才所說的，沒有一個材料能夠實現(xiàn)所有的光電子功能，薄膜鈮酸鋰也是一個不能發(fā)光、不能探測光的材料，那么該怎么辦？光從哪里來、如何探測？因此，一定要走異質異構混合集成的路線。

在戰(zhàn)略的角度，今后5年或者更長遠的時間尺度看，我們一定會從走向異質異構混合集成，這是我們基于科技發(fā)展的基本原理和規(guī)律的判斷。

具體怎么實現(xiàn)？可能有兩類平臺。一類是基于硅，另一類就是基于薄膜鈮酸鋰。硅平臺上，我們要集成化合物半導體（磷化銦、砷化鎵等)，當硅調制器不再夠用，我們還可以把薄膜鈮酸鋰作為功能材料集成到硅的平臺上面去，再輔之以像氮化硅這樣的超低損耗材料以及鍺這樣的探測器材料。這個系統(tǒng)看起來就是比較復雜，而做半導體的人都知道，多一個材料，難度是以數(shù)量級增加的，所以我們可能需要另外一個體系，也就是以薄膜鈮酸鋰為平臺且兼顧電光調制功能，再加上化合物半導體，僅兩種材料就可以搞定絕大部分的光電子的功能，這個可能是更加簡單且高效的一個平臺。

硅光平臺上的異質異構混合集成，有各種的實現(xiàn)方式?？梢韵劝研〉墓怆娮有酒╟hiplet）做好，把它們拼在一起。也可以把一些晶粒鍵合到硅的晶圓上面去，還可以直接在硅上面去生長其他的材料。技術的難度會越來越高，但是突破以后，其潛在的經(jīng)濟效益或者良品率，都會有更好的提高。像剛才說的氮化硅，在這個體系里面也會起到比較重要的作用。

綜上所述，目前與未來光電子集成重點發(fā)展方向可能主要有兩個：一個是硅基光電子集成平臺上的異質異構混合集成，包括硅+化合物半導體、硅+薄膜鈮酸鋰、硅+化合物半導體+薄膜鈮酸鋰，等等，這樣一個二元甚至多元的異質異構混合集成體系。另外一個是薄膜鈮酸鋰光電子集成平臺上的異質異構混合集成，薄膜鈮酸鋰+化合物半導體的二元異質異構混合集成體系。

我想強調一點，這樣的技術，不僅僅對光電子具有重要意義，對其他的微電子器件，包括射頻等器件，也都具有很高的意義。因為硅的工作頻率要再往上提其實是很難的，而化合物半導體的響應速度可以比硅高得多，所以在射頻器件、更高時鐘頻率的處理器等方面，這些技術都是可以應用的。

今天主題是硬科技，所有的芯片、所有的信息系統(tǒng)，它的基礎都是半導體，半導體就是硬科技，而我們剛才所說的這種半導體材料層面的突破、加工層面的突破，更是硬科技中的硬科技，要經(jīng)過長期艱苦的努力去發(fā)展，如果你今天不開始，20年以后你還是什么都沒有、還是在抱怨被卡脖子。所以我們實驗室把它作為我們的使命，不僅研發(fā)新技術，還要通過創(chuàng)新體系的建設，把技術通過我們的研發(fā)平臺去孵化、去中試，最終將其推向應用，期望能在中國產(chǎn)生自己的突破。

從投資的角度的話，這是一個很漫長的一個過程，當然今天上午像張維總也提到了，我們有政府和基石資本這樣非常有耐心、非常愿意投入的投資機構來共同做這件事情。

短線來看的話，可能投資產(chǎn)品的回報路徑相對更明確。光電子芯片可以面向的市場其實挺多，其中的一些現(xiàn)在也非常熱，可以說已經(jīng)成了非常紅的紅海市場，但是紅海中間也有機遇，因為剛才說的老一代的技術已經(jīng)趨向于飽和了，而下一代的技術一旦突破，就可能把紅海變成藍海，出現(xiàn)新的爆發(fā)性的增長點。

架構上面、底層理論上面的進一步突破，比如說光子計算與AI加速芯片、光量子信息芯片的突破，現(xiàn)在還是非常藍的，還是深藍，將來隨著我們技術推進，可能會變成淺藍，甚至變綠再變紅也有可能，但是這個可能還比較長遠。

光通信光互連發(fā)射接收芯片是光電子芯片最大最成熟的市場，成長率也非常高，特別是面向數(shù)據(jù)中心的這一塊。算力的基礎當然是計算芯片，但是計算芯片跟存儲芯片、以及計算芯片與計算芯片之間有一個最大的瓶頸，就是數(shù)據(jù)如何以最快的速度傳輸，而這個瓶頸只有光能夠解決，所以這塊市場仍然具有極大的空間，也不排除出現(xiàn)爆發(fā)性的增長。最近AI大模型大火，隨之而來的就是對光互連技術的需求加速。

傳感方面，比如說激光雷達、車載的光電子器件將來可能也是一個很大的市場。因為它是2C的，C端的市場一旦走通，它的增長可能是非常驚人的，有些智能駕駛的車上裝了8顆激光雷達。垂直面發(fā)射激光器（VCSEL）現(xiàn)在很大程度是在往基于飛行時間（TOF）測距原理激光雷達的方向去應用，雖然總量還不大，但是增長率非常高。未來更好的激光雷達技術，比如既可測距、又可測速的調頻連續(xù)波（FMCW）技術，對光電子集成芯片需求會更高。

好話說完之后，再談談我對國內的光電子芯片產(chǎn)業(yè)的一些觀察。很多的公司涌進光電子器件芯片這個賽道，為什么能涌進去？因為已有的一些傳統(tǒng)產(chǎn)品技術、資金門檻比較低?；趪獾囊恍┻^期的專利，把它抄過來，在一個很長的價值鏈條上做很短的一小段，產(chǎn)品也高度同質化，然后通過低價的惡性競爭，賺取非常非常微薄的利潤、甚至賠本還賺不到吆喝。這種低端產(chǎn)能已經(jīng)非常過剩了，但是真正掌握自主創(chuàng)新的技術的、新的高端產(chǎn)能是非常缺乏的。

打個比方，如果我們把光互連發(fā)射接收芯片鏈條當做一個食物的供應鏈的話，我們中國很多公司做的事情就只相當于把預制菜熱一下搬上桌，或者說再打個包封裝一下，這中間賺不到什么錢。

所以，我們現(xiàn)在做的事情，事實上都是要去解決這樣一個問題，就是怎么去創(chuàng)造自己的新增長點，并且在新增長點上去創(chuàng)造我們自己的高端的產(chǎn)能。其根本的途徑還是要在物理原理、材料、制造技術這些非常硬的層面去自主創(chuàng)新，只有這樣才能實現(xiàn)技術的突破。

比如，光互連發(fā)射接收芯片與模塊，目前進入實用的數(shù)據(jù)速率是800G，如果按照現(xiàn)有的技術方案，用包括外調制激光器（EML）芯片、或者激光器加硅光調制器芯片、或者直調邊發(fā)射/面發(fā)射激光器這樣一些器件，你可以做到800G，但是這些技術都已經(jīng)接近極限，再往下走很難，下一代1.6T都可能實現(xiàn)不了，或者即使實現(xiàn)，體積、成本、能耗等也可能缺乏競爭力。再下一代3.2T就更難。

為什么我們要基于薄膜鈮酸鋰這樣的新材料開發(fā)新的光電子集成技術方案？因為它能夠把由材料特性決定的天花板提高一大截、打開非常非常大的空間，它的性能不光能夠支撐1.6T、3.2T，甚至還能支撐更高的速率。未來10-20年，我們對算力的需求可能是成萬倍的增長，數(shù)據(jù)傳輸速度可能也需要實現(xiàn)同樣的增長，因此必須要有新的技術去打開這個發(fā)展空間，這也是我們?yōu)槭裁纯春眠@些基于新材料、新技術的創(chuàng)新企業(yè)。

再比如成像，成像是一個紅得不能再紅海的市場，滿世界都是攝像頭，每個手機里面都有好幾個攝像頭，CMOS成像器件非常成熟且便宜。但是這里面不是沒有增長點，比如說短波紅外成像就是一個僅用硅材料不能實現(xiàn)、化合物半導體材料又太貴的市場，而且需求也非常大。鍺是相對便宜的半導體，所以通過在硅上面生長鍺，制成硅基鍺探測器，并且與下面的硅電路集成，就可能彌補這樣一個空白。還有比如X射線高分辨成像芯片，也可能帶來醫(yī)療診斷器械和設備的更新?lián)Q代。

我們作為一個光電材料與技術的國家重點實驗室，不能忘記我們的使命和初心，即要在材料和制造技術的層面上，突破光電子信息技術最底層的核心硬科技，通過自主創(chuàng)新，創(chuàng)造出新的增長點，成為全球光電子芯片產(chǎn)業(yè)的引領者。我相信，如果我們在不斷開發(fā)新的高性能光電集成平臺材料、功能材料，并且把光電子集成從單材料的1.0版推向多材料異質異構混合集成的2.0版這條道路上堅定地走下去，通過5年、10年甚至更長時間的努力，我們一定能夠實現(xiàn)我們的目標。謝謝大家！