中试平台如何助力光子技术革命？
随着新一轮科技革命加速到来，我们正站在一场重大技术变革的起点。在这场变革中，“光”（光子）正成为关键角色之一。
随着电子技术逐渐逼近物理极限，光子以其超高速、高并行性、低功耗等天然优势，成为信息技术演进的新一代核心载体——从数据中心的光互联，到自动驾驶的激光雷达，再到生物传感与量子通信等前沿领域，光子技术正以空前的影响力，重塑产业发展格局。
然而，从实验室的“灵光闪现”到市场的“广泛应用”，中间横亘着一条巨大的产业化鸿沟。要跨越这条从“1到N”的转化之路，关键在于构建坚实的产业基础设施。
其中，高效的中试平台，正是承接实验室灵感与产业化规模的核心基石，是打通光子技术革命“最后一公里”的关键。
光子：未来产业的 “新质生产力”
随着新一轮AI的爆发，特别是深度学习的发展，正呈现“规模越大，性能越强”的发展趋势：模型越大，数据越多，就越“智能”——从GPT-3的1750亿参数，到如今动辄万亿参数的模型，AI对计算能力的需求就像坐火箭一样，直线上升。
然而，这种“规模竞赛”也带来了三大关键挑战：
首先是“内存墙”。在传统的计算机架构里，CPU或GPU和内存是分开的。数据要在它们之间来回搬运，这不仅耗时耗能，更导致计算单元经常因等待数据而处于闲置状态，极大制约了整体效率。
其次是“功耗墙”。根据物理定律，芯片的功耗跟频率和电压的平方成正比。如果一味提高芯片频率来增加算力，功耗就会飙升，散热就成了一个几乎无法解决的难题。有数据显示，现在，一个AI数据中心的耗电量已经能赶上一座小型城市的用电量了。
最后还有“带宽墙”。在芯片内部、芯片之间，甚至服务器机架之间，电互联的物理极限限制了数据传输的带宽，成了整个计算系统的“卡脖子”环节。
说白了，传统的电子技术，已经在物理层面接近极限，很难满足AI未来发展的需求了。正当电子技术步履蹒跚之时，光子技术展现出了其应对上述瓶颈的独特优势。
早在2016年，中科创星创始合伙人米磊博士就曾提出“米70定律”。米磊博士认为，光学技术会是未来科技一项非常关键基础技术，其成本会占到未来所有科技产品成本的70％。人类将迎来以集成光路为基础设施的智能化时代。
所谓光子技术，其实是利用光子（光线的基本粒子）的量子特性与波动特性，实现信息的“产生-传输-处理-存储-感知”全链路优化。
进一步说，光子技术的优势并不仅限于我们通常理解的“光比电快”，而是一个多维度、系统性的“更优”，其核心价值主要体现在以下三个方面：
超高带宽与速度：光子技术能够承载极高频率的电磁波，从而提供远超电子技术的带宽能力，可满足5G/6G、人工智能、超高清视频等场景对数据传输的爆炸式需求，突破传统电子传输的瓶颈。
低延迟与低功耗：光信号在传输与处理过程中具备天然的低延迟特性，同时功耗显著低于电互联，为下一代数据中心、算力网络的节能降耗提供关键解决方案，契合“双碳”目标与绿色算力趋势。
多维信息处理：光拥有波长、偏振、相位等多个物理维度，这些特性为信息处理与传感技术开辟了全新的自由度，显著拓展了传统计算与感知系统的能力边界。
举个例子。面向云端超算与数据中心对高吞吐、低功耗推理与训练的迫切需求，可设计专用的光学矩阵乘法协处理器。当经过编码的光信号通过由马赫-曾德尔干涉仪（MZI）构成的光学干涉阵列时，能够在皮秒（ps）量级完成整个矩阵乘法运算。这种机制特别适用于推荐系统、大语言模型中的线性计算层，可实现吞吐量提升数个数量级，同时功耗降低1-2个数量级的颠覆性加速效果。
当然，除AI与数据中心光互联外，光子技术已在多个关键领域形成清晰的商业化路径，如智驾、消费电子、量子技术等，在此不做赘述。总而言之，光子技术的星辰大海已经展现在我们面前。
然而，要全面释放光子技术潜力并推动其规模化落地，仍需突破光子芯片的“底层技术支撑”——无论是高性能有源元件所需的关键材料，还是兼顾精度与成本的产线规格，抑或是适配规模化制造的技术路线，都将直接决定光子芯片的性能边界、成本结构与最终应用范围。
目前，产业界正沿着两条“主流”技术路径协同演进：化合物半导体和硅光技术——两者在材料特性、应用场景和产业生态上形成互补，共同推动光电子产业向高性能、高集成度、低功耗方向发展。
化合物半导体与硅光技术
在光电子技术里，化合物半导体是主动生成、放大光信号的关键角色——就像给光子芯片装了“发动机”，像激光器、光放大器这些“光信号产出设备”，都得靠它才能工作。
在化合物半导体中，目前核心的几种材料，包括磷化铟（InP）、砷化镓（GaAs）和氮化镓（GaN），它们各有擅长，分别撑起了高速光通信、量子通信、激光雷达等不同高科技领域。
先说磷化铟。由于磷化铟的禁带宽度是1.35eV，这个数值刚好对应光通信最常用的 1310nm/1550nm 波长的光，因此磷化铟材特别适合制作高速激光器、调制器和探测器。
例如，在400G/800G相干光模块中（用电吸收调制激光器EML）来传输数据时，磷化铟芯片能让单个通道的调制速度达到惊人的50Gbps，这意味着1秒钟就能传输大约6250部高清电影的数据量，而它的耗电量却只有50mW，比一个普通 LED 灯泡还要省电得多。
而在量子世界里，磷化铟芯片也大显身手。它能产生波长在1550nm通信波段的纠缠光子对，而1550nm这个波长刚好能和现有的光纤网络直接兼容，大大降低了搭建量子通信系统的成本。在此方面，中国科学技术大学用磷化铟芯片研发的量子密钥生成器，密钥生成速度能达到10Mbps，比传统方法快10倍。
再看砷化镓，它的禁带宽度比磷化铟“大”一点（1.42eV），外加高电子迁移率（~8500 cm²/V·s）。“与生俱来”的禀赋，让砷化镓在特定的舞台上大放异彩。
例如，手机内部的关键芯片——功率放大器，许多是由砷化镓制成的。它高效地将微弱的电信号放大，清晰地发射出去，同时自身消耗的能量更低，产生的杂音也更少。从4G到5G，乃至未来的6G，频率越来越高，对速度的要求愈发严苛，砷化镓在这片无线通信的疆场上，始终是冲锋在前的核心力量。
再将视线抬升，望向浩瀚星空。许多人造卫星和空间站上，那些展开的、如同翅膀般的太阳能电池板，其核心往往并非我们常见的硅板，而是砷化镓基的多结太阳能电池。
最后是氮化镓。氮化镓材料的禁带宽度更大——3.4eV，因此能发出短波长光、耐高温等优点，在激光雷达、消费电子、医疗等很多领域都能派上用场。
例如，用氮化镓芯片做的1064nm近红外激光器，输出功率能达到10W，是传统硅基激光器的100倍，探测距离超过150米。而且，它特别“耐热”，能在125℃的高温下正常工作，很适合用在汽车这种高温环境里，保证激光雷达稳定运行。
聊完这几种核心材料，你可能会好奇，这些高端光子芯片现在都用什么规格的产线生产呢？
答案是“6英寸晶圆产线”。现在全球主流都选它，核心原因就是它把“技术精度”和“成本控制”平衡得特别好。
在技术上，6英寸晶圆能实现“亚微米级”的线路刻蚀，这个精度差不多是头发丝直径的1/50，完全能满足光子芯片对“精细电路”的要求，同时又不会像8英寸、12英寸晶圆那样，因为尺寸太大导致工艺复杂，反而出现更多芯片缺陷，良率更高。
在成本上，6英寸产线的设备投入只有12英寸产线的30%-40%，而且单批次能处理200-300片晶圆，分摊到每颗芯片的成本一下子就降下来了。这样一来，既保证了芯片的性能，又让它更容易量产、真正走进我们的生活应用里。
除了化合物半导体，硅光技术也是制作光子器件的重要手段，但它的思路和化合物半导体很不一样，核心是“以硅为基底”，先在硅片上做出光波导、耦合器、滤波器这些“无源光子元件”，它们像光信号的“跑道”和“交通指挥员”，负责引导、分配光信号却不主动产生光。
之后，再通过“倒装键合（Flip-Chip Bonding）”这种封装技术，把之前说的磷化铟这类能发光、能探测光的“有源元件”（比如激光器、探测器）装到硅基上，相当于给“硅基跑道”配上了“光信号的发动机和接收器”。避免了传统电互连的“带宽瓶颈”和信号衰减问题，能够轻松应对数据中心、高性能计算等领域对高速数据传输（如100G、400G、800G）的迫切需求。
换言之，硅光技术通过借用成熟的芯片制造体系，实现了大规模、低成本的生产，并在此基础上，充分发挥了光通信高带宽、高集成度的天然优势。
在生产制造方面，与化合物半导体不同，硅光产线主要集中在8英寸和12英寸上。随着技术的不断发展，12英寸晶圆的使用正逐渐成为行业发展的主流趋势。这主要得益于12英寸晶圆在大规模生产中的成本优势以及更高的集成度，能够满足日益增长的市场需求，尤其是在高性能计算、数据中心和通信领域。
然而，由于8英寸在某些特定产品和工艺上具有优势，如硅波导、锗硅探测器、调制器等，8英寸晶圆的工艺成熟度和灵活性使其成为更优的选择。此外，许多经典的、不需要最尖端尺寸的硅光产品仍然在8英寸线上生产，工艺非常稳定可靠。
尽管两条路线具备巨大的机遇，但也面临着诸多挑战，化合物产线的技术门槛极高，核心体现在“材料生长”与“工艺控制”：例如，InP外延层的生长需采用“金属有机化学气相沉积（MOCVD）”，对温度（±0.1℃）、压力（±0.1Torr）的控制精度要求远超硅基工艺；而GaN芯片的刻蚀需采用“电感耦合等离子体刻蚀（ICP）”，刻蚀深度误差需控制在5nm以内，否则会影响激光器的阈值电流。
另一方面，硅光子器件对尺寸和工艺误差超级敏感，1纳米的工艺误差就足以对性能产生明显影响，所以得严格控制尺寸精度。另外，器件侧壁的粗糙度对波导损耗的影响也很大。这就不仅需要先进的光刻、蚀刻等工艺设备，还得精确调整和优化工艺参数。
在此背景下，一个好的中试平台就成为推动技术成熟与产业化衔接的关键支点。
中试平台：跨越 “死亡之谷” 的重要桥梁
众所周知，在芯片领域，实验室样品（“从0到1”）与商业化产品（“从1到 N”）之间的鸿沟，被业界称为“死亡之谷”。
据Yole数据，约80%的光子技术停留在实验室阶段，无法实现量产，核心原因在于“工艺不稳定、成本不可控、可靠性不达标”。
而中试（Pilot-scale Production）平台，正是通过“小批量试产+全流程验证”，打通技术落地的“最后一公里”。
具体来说，中试平台并非单一设备，而是集“工艺开发、原型试制、性能测试、可靠性验证、成本核算”于一体的综合性技术枢纽，其核心价值体现在三大“转化能力”：
工艺转化：解决实验室手动操作、良率低（如激光器外延30%）问题，通过自动化设备与参数优化实现标准化，提升良率提至，突破异质集成（键合强度达车规）；
设计转化：弥补实验室设计忽略制造约束的缺陷，提供2-3个月快速流片服务（比量产线快1倍），加速“设计-迭代”循环，让设计落地；
风险转化：规避量产线高投资（产线建设基本要上亿元）盲投风险，通过全场景可靠性测试提前暴露问题，避免巨额损失（参见下图）。
简言之，对于化合物半导体和硅光这类技术密集型产业，其竞争本质上是产业生态体系的竞争。
而中试平台，正是构建和强化这一生态体系的核心基础设施——它通过提供共享设施、技术服务、协同环境和人才池，有效地降低了全行业的创新成本和风险，加速了技术迭代和产品上市周期，最终推动整个产业从“技术突破”走向“商业成功”。因此，建设和运营好高水平的中试平台，是抢占未来光子产业制高点的战略举措。
以陕西光电子先导院为例，作为陕西“追光计划”的核心平台，陕西光电子先导院正在全力打造“化合物半导体+硅光”的光电子集成芯片创新服务平台。该平台成立于2015年，专注于光电芯片领域，致力于搭建专业的研发、中试平台，并组建了一支专业的工程师服务团队。
2016年，光电子先导院正式运营4至6英寸光电芯片公共服务平台，内含5000平方米高标准分区洁净厂房（百级/千级/万级）。平台旨在为光子创新企业提供全方位、低成本研发环境，核心服务包括：无尘室租赁、共享运维、设备共享、工艺指导、快速原型验证技术服务，以及配套的共享办公、能耗供给和检测支持等。其价值在于显著降低企业初期研发成本，缩短产品开发周期50%以上，目前已成功吸引50余家企业入驻。
2021年底，光电子先导院启动6英寸化合物先进光子器件中试平台的建设，并于2023年3月建成并正式启用。该平台专注砷化镓、磷化铟等化合物半导体芯片的研发、中试服务。
平台通线两年多以来，已发布了砷化镓单结单孔&阵列VCSEL、GaAs多结阵列VCSEL、硅透镜等五大类别20余款PDK。可支持面向消费电子、工业及车载等领域高速光通信芯片、高功率激光器等产品的中试及小批量生产。
平台特色服务包括：小批量代工、PDK工艺设计套件开发、良率提升与成本控制方案。其核心价值在于打通化合物芯片“从实验室到量产”的关键环节，助推光子企业实现技术突破和国产化替代。
目前，平台已为50余家光子产业创新主体提供了研发、中试等全流程技术服务，主要集中在光传感技术领域，其中激光雷达是核心应用之一，广泛应用于自动驾驶汽车、扫地机器人等领域。此外，在消费电子领域，平台的技术也应用于手机解锁、耳机、扫地机器人等产品，这些领域对光传感和芯片技术的需求日益增长。
就在今年，陕西光电子先导院再次取得了显著进展——其“8英寸先进硅光集成技术平台”的建设速度令人瞩目。早在2023年底，相关筹划工作正式启动，为此，项目引入了多名在硅光领域拥有超过20年研发和量产经验的专家。
进入2024年，场地建设、设备采购与工艺开发等工作全面加速——截至2025年9月末，已完成全部场地及硬件设施建设。该平台配备了光刻、刻蚀、离子注入、介质填充、硅基锗外延、金属化等60余台（套）关键核心设备，在130nm有源集成硅光主工艺平台基础上，开发90nm以上先进工艺。
“8英寸先进硅光集成技术平台”目前正在全力推进工艺调试及工艺开发，已于今年10月底完成无源产品通线，预计2026年完成有源产品通线，包含高性能调制器、探测器等核心器件，可应用于人工智能、光通信、光计算、智能驾驶、低空飞行、医疗健康等领域。
该平台建成后将是陕西乃至西北地区首个硅光中试线，将为国内光子产业各类创新主体提供多种类型光电、硅光芯片的研发和中试服务，为光子产业延链补链强链提供有力支撑，持续助推高水平科技自立自强。
对于陕西光电子先导院发展与规划，总经理杨军红有着清晰的认识和坚定的信念。她表示：“我们致力于打造一个开放的平台，秉持开放的态度，不仅面向合作伙伴，也包括竞争对手。我更愿意将这种关系定义为‘合作关系’。无论是上海还是重庆的‘同行’，我们都与他们保持着良好的沟通。因为每家平台都有自身独特的特点和优势工艺，不可能面面俱到。只有明确自身特色，突出优势，才能更好地开展合作，也将对中国的光子产业发展大有裨益。以陕西为例，我们致力于帮助更多光子企业项目在当地落地发展，这是我们的使命和定位。虽然短期内可能难以实现商业闭环，但随着时间推移，我相信商业价值也会逐步显现。社会效益的提升，最终会带来良好的经济效益。”
结语
总而言之，光子技术不仅是技术路线的升级，更是整个产业生态的重构。中试平台作为连接创新与产业的桥梁，正成为推动光子技术从“实验室样品”走向“市场产品”的关键力量。
如果我们能坚定投入、持续深耕，中国光子产业必将走出一条宽广而坚实的发展之路。