超越硅的时代：先进集成光子技术的产业化浪潮

下一代光子集成电路（PIC）正在摆脱对硅的依赖，在产业界大规模推动下，薄膜铌酸锂（TFLN）、钛酸钡（BaTiO₃）、氧化铝（Al₂O₃）等新型材料平台加速走向商用。这些新材料正与半导体级精密制造深度融合，形成统一、可扩展的生态系统。

铌酸锂晶片的加工

调制器：光子芯片上最关键的战略元件

在PIC中，调制器始终是最具战略意义的组件。根据设计不同，调制器可控制光的幅度或相位，其中相位调制器常用于实现复杂的多级编码方案。目前主流器件分为三类：

• 简单波导相位移相器
• 谐振环结构
• 马赫-曾德尔干涉仪（MZI）

三种方案在尺寸、效率与可制造性上各有取舍。

调制性能的核心在于材料本身。主要机制包括：

1. 相变材料（通过金属-绝缘体相变实现透光/不透光切换）
2. 载流子调制（通过电注入/耗尽改变折射率）
3. 电光效应（Pockels效应与Kerr效应）——目前公认最适合高速应用的机制，通过电场直接改变材料折射率。

硅光子技术的成熟倒逼材料升级。过去几年，芯片制造商已实现单芯片集成超过10,000个光学元件，推动光子技术进入类似于20世纪70年代电子学的规模化阶段。随着产量提升，晶圆尺寸变得至关重要。早期研发多用150mm晶圆，而Intel已转向200mm平台以实现量产经济性；其光子部门最近出售给Jabil，也标志着市场正从科研阶段跨入大规模制造。

调制器材料的选择

2023年的一篇综述按性能与CMOS兼容性对候选材料进行了排名：

• 硅：最易集成，但依赖热光效应，功耗高
• 铁电材料（LiNbO₃、BaTiO₃、铁电聚合物）：具备真正的电光调制，但工艺难度大
• LiNbO₃：带宽极高、损耗低，但器件尺寸大，且锂污染是硅产线禁忌
• BaTiO₃：调制效率潜力最高（体材料可达~1300 pm/V），仍在开发中
• 聚合物：柔性好、速度快，但80℃以上易降解，需气密封装

尽管当前市场体量不大，但增长迅猛。LiNbO₃调制器预计到2033年市场规模达12亿美元，年复合增长率超40%。这反映了传统硅方案的瓶颈：基于热光或等离子体色散效应的硅调制器虽可靠，但速度慢、功耗高。而数据中心流量、AI算力负载和下一代光互联正迫切需要：

• 驱动电压Vπ < 3.5 V
• 极低插入损耗
• 带宽达数十GHz甚至更高

硅材料已难以同时满足这些指标。

LiNbO₃与BaTiO₃的双雄格局

• LiNbO₃：r₃₃系数约35 pm/V，支持太赫兹级性能，已非常成熟
• BaTiO₃：体材料系数高达~1300 pm/V，薄膜在硅上也可达近1000 pm/V，主要来自光学声子和应变贡献，即使低温下效率仍极高。目前已实现200mm/300mm晶圆上单晶BaTiO₃薄膜均匀性优异，通常通过SrTiO₃缓冲层解决晶格失配，沉积工艺为MBE或溅射。

产业进展方面，学术与产业界已报道基于BaTiO₃的环形谐振器和MZI，光学Q值达百万，传输损耗低至0.14 dB/cm，且无需晶圆级极化即可媲美成熟LiNbO₃技术。

当前调制器材料之争，类似于早期晶体管时代的“诸材争霸”：

• LiNbO₃：大概率主导高性能电信和数据中心链路
• BaTiO₃：最适合超紧凑、低功耗片上应用
• 硅：仍将在共集成与低成本规模化中占据一席之地

真正掌握多材料异质集成（200mm及以上晶圆）的企业，将定义下一代大规模光子集成时代。

重点企业一览

La Luce Cristallina（美国德州初创）

德克萨斯初创公司 La Luce Cristallina（简称 La Luce）正在开创钛酸钡（BaTiO₃，简称 BTO）与硅的集成先河，为电光技术开启全新时代。公司技术源于数十年前 Motorola Labs 的研究，当时科学家们就已探索将钙钛矿材料用于先进晶体管栅叠层。

2023年，La Luce 成为全球首家推出硅集成 BTO 晶圆的供应商，提供 2 英寸 BTO-on-Si（钛酸钡直接生长在硅上）以及 BTO-on-SOI（绝缘体上硅）产品。公司同时启动了 8 英寸晶圆产线，计划于 2026 年第一季度投产。BTO 在硅上薄膜的电光系数高达 900 pm/V，结合超低波导损耗（~0.1 dB/cm）、与 CMOS 工艺完全兼容、以及支持 300 GHz 运行等特性，使其成为马赫-曾德尔干涉仪、环形谐振器、LiDAR 以及光计算的理想平台。

尽管前景光明，但要实现广泛应用仍面临挑战，尤其是目前仍缺乏成熟的代工厂工艺和光子设计套件（PDK）。La Luce 正积极与代工厂及设备厂商合作填补这一空白，致力于将 BTO-on-Si 打造成下一代光子学的核心基石平台。

BTO沉积系统的装载锁中的SOI晶片

CCraft（瑞士）

瑞士初创公司 CCraft 从瑞士电子与微技术中心（CSEM）分拆而出，正成为全球首批专注于薄膜铌酸锂（TFLN）光子芯片的专业代工厂。自建产线使其能够完全掌控工艺，这在保护知识产权、保持技术灵活性方面具有决定性优势，尤其是在这个快速演进的领域。

在 CSEM 进行为期四年的前商业化合作期间，CCraft 深入洞察了数据通信、电信、航天以及量子等应用领域的客户需求。结论非常明确：没有一种材料能通吃所有光子功能，但在超高速调制和频率转换领域，铌酸锂（LiNbO₃）无可匹敌。此前，市场上一直缺少一家能够以工业级可靠性和产量交付 TFLN 器件的商用代工厂，CCraft 正是要填补这一空白。

公司目前在瑞士纳沙泰尔（Neuchâtel）运营一座已认证的晶圆厂，并计划在同一地区扩建更大规模产线，目标在未来四年内实现年产 20,000 片 200mm 晶圆的工业级 TFLN 平台产能。

CCraft 同时积极响应日益增长的异质集成需求。其高良率工艺可在一片晶圆上生产多达 10,000 个 TFLN chiplet，支持通过微转移印刷（micro-transfer printing）技术贴合到硅光子平台上，实现异质集成并兼容后端键合工艺。这种灵活性使 CCraft 成为关键供应商，帮助那些在带宽和能效上已触及瓶颈的硅光子平台迈入下一代性能水平。。

Aluvia Photonics（荷兰，2022年从屯特大学分拆）

Aluvia Photonics 于2022年从荷兰屯特大学（University of Twente）分拆成立，专注于基于氧化铝（Al₂O₃）的光子集成电路（PIC），致力于填补光子学光谱中最后一块重大空白。

与磷化铟、硅或氮化硅（Si₃N₄）平台不同，Al₂O₃ 拥有极宽的透明窗口，从深紫外（~200 nm）一直延伸至中红外，使其成为目前唯一真正适合紫外（UV）光子学的集成平台——这是现有材料普遍表现不佳的领域。Aluvia Photonics 已实现：在电信波段传输损耗低至 1–5 dB/m，在405 nm波段低至 ~1 dB/cm，创下低损耗紫外光子器件的最新基准。

除了超宽透明窗口，Al₂O₃ 还可通过掺杂稀土离子实现有源功能：

• 掺铒器件：光纤到光纤净增益约 25 dB、输出功率 50 mW、噪声系数 6 dB，性能媲美掺铒光纤放大器（EDFA），但体积和成本仅为其几分之一；
• 掺铥器件：实现瓦级连续波输出和高峰值功率脉冲放大。

该平台同时具备高线性度和高功率处理能力，非常适合对信号保真度要求严苛的数据中心与电信系统。

Aluvia Photonics 开发的与CMOS工艺完全兼容的Al₂O₃平台，将半导体放大器的紧凑性与光纤系统的性能完美结合。通过将集成光子学拓展至紫外波段，并提供可量产的有源解决方案，公司正重新定义下一代光子集成电路的材料基础。

CCraft生产的铌酸锂PIC芯片

SCIA Systems（德国）

德国公司 SCIA Systems 专注于先进微纳制造的薄膜工艺设备，正将其在离子束与等离子体技术领域的专长全面应用于光子集成电路（PIC）制造。

在光子器件制造中，晶圆级性能高度依赖于薄膜厚度均匀性和结构精度。SCIA Systems 通过两大互补工艺同时解决这两大难题：

1、离子束修整（Ion Beam Trimming）

可在200 mm晶圆上实现亚纳米级厚度修正，将厚度偏差从数纳米降至0.1 nm RMS（根均方粗糙度），达到极致均匀性。

2、反应离子束刻蚀（Reactive Ion Beam Etching）

使用聚焦离子束精准雕刻波导结构，实现侧壁角度＞75°和亚纳米级表面粗糙度。该工艺无沉积物再附着、无损伤，即使面对敏感光刻胶或复杂多层结构也能保持极高洁净度与精度。

SCIA Systems 的离子束技术为 LiNbO₃、氮化铝（AlN）、Al₂O₃ 等材料的高性能波导提供了关键的精度控制，带来工业化量产所需的均匀性、结构保真度和高良率，使其成为光子制造产业链中不可或缺的核心使能者。

Leybold Optics（德国）

随着光子集成电路（PIC）向更大晶圆尺寸和更严苛性能指标迈进，Leybold Optics 提供的光学级精密表面处理技术正架起光学制造与半导体制造之间的桥梁。公司凭借离子束修整（IBT）和磁控溅射技术，为 Si₃N₄、LiNbO₃、Al₂O₃ 等多种平台提供超均匀、低损耗的光子薄膜层。

Leybold 的 200 mm 和 300 mm 系统作为传统化学机械抛光（CMP）的终极补充，执行决定器件良率的最后平坦化步骤：

• 离子束修整将全晶圆厚度总变差（TTV）降至 <5 nm，微观粗糙度从 0.5 nm 降至 0.2 nm，确保整片晶圆光学特性高度一致。
• 磁控溅射设备可沉积无氢 Si₃N₄ 层——这是 1.55 µm 波段低损耗波导的必需材料，同时完全符合半导体级温度限制。

公司正与光子生态圈内合作伙伴紧密合作，推动上述工艺进入大规模量产认证。

与 Aluvia Photonics、CCraft、SCIA Systems 的材料与工艺突破共同构成完整价值链，Leybold Optics 通过提供极致表面精度，将前沿创新材料转化为真正可量产的光子器件。

针对大多数材料平台缺乏原生激光能力的痛点，Leybold 开发了外置增益段的混合激光模块，可适配硅光子、Si₃N₄、Al₂O₃（与 Aluvia Photonics 合作）等多种技术。这些混合激光既可作为独立评估模块进行测试，也可与代工厂流片电路直接组合，为设计师提供在全晶圆投片前验证性能的实用路径。

通过整合多平台设计专长与即插即用的激光解决方案，Leybold Optics 填补了 PIC 生态中最后一块关键功能拼图，与 CCraft、SCIA Systems、Aluvia 等企业的制造进步形成合力，共同将集成光子学推向工业成熟阶段。。

结论

光子集成电路领域正在经历一场深刻变革，正彻底摆脱硅材料的局限。薄膜铌酸锂、钛酸钡、氧化铝等专业化材料的崛起，在速度、能效和可用光谱范围上带来前所未有的性能飞跃。这场材料革命在精密制造工艺和跨平台设计的强力支撑下，正在锻造一个全新的异质集成生态。随着这些技术在更大尺寸晶圆上成熟并实现规模化量产，它们正共同将集成光子学从实验室专属领域，推向工业级大规模生产与商业成功的崭新时代。

参考：

1. A. A. Demkov and A. B. Posadas, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron., 30, 8200113 (2024).

2. See www.verifiedmarketreports.com/product/lithium-niobate-ln-modulators-market.

文章来源：LASERFOCUS WORLD，作者Ivan Nikitski博士 是欧洲光子产业联盟（EPIC）的光子技术专家。