非常荣幸，非常感谢基石资本的邀请，使得我有机会回到了我的出生地南昌。我在离这里不远的原江西大学的校园里出生，一直在江西成长到15岁才离开，所以我对江西这片土地充满了感情，今天对我来说也是一个很特殊的日子。

以前我在英国的布里斯托尔大学当光子信息系统教授。受到中山大学许宁生院士的鼓励，回国加入光电材料与技术国家重点实验室。回国以来，我的任务就是带领团队把光电子信息技术作为我们国重室的一个重要战略方向发展起来。光电子集成芯片是光电子信息技术的基础，也是我们国重室主要研究方向之一。

简单介绍一下我们实验室。光电材料与技术国家重点实验室前身超快激光光谱学国家重点实验室成立于1984年，是全国第一批10所国家重点实验室之一。发展过程中非常关键的一个人物是许宁生院士。在他的领导下，实验室2001年改组为光电材料与技术国家重点实验室，确立了更为符合国家重大需求的研究定位，实现了高质量发展，为国家做出了重要的贡献。我们实验室是一个跨学科的实验室，虽然我们属于材料领域，但我们是一个综合性的实验室。

在光电子信息技术方向，我们实验室形成了一个完整的研究链条，即光电信息材料、光电信息器件与集成芯片、以及光电信息系统。在这个链条上我们实验室在若干方向上形成了自己的优势特色，在其中一些点位上，我们应该是处于世界领先水平。

言归正传。我们的主题是光电子芯片。微电子芯片或者集成电路大家都已经耳熟能详了，光电子芯片可能还不那么广为人所知，但是从功能而言，它其实与微电子芯片是互补互利的。

我们现在绝大部分信息，它的起点是光，它的终点也是光。大家把手机拿出来看一下就知道，你拍一张照片、拍一个视频是把光变成电，最后你和你的朋友在屏幕看它的时候，又是把电变成光，所以两端是光。中间其实也有很多的环节是由电到光—光到电—再电到光—再光到电……这样不断地转换。因此，光电子芯片跟微电子芯片一样，在我们的信息系统里面起到了非常重要的核心的作用，二者缺一不可。

光电子芯片的应用领域包括光电感知成像、光纤通信、数据互连、激光雷达、新型显示以及一些新兴信息技术——光计算、量子通信与量子计算等等，因此，光电子芯片面向与支撑的市场规模其实是非常巨大的。

那么为何光电子芯片以前没有像集成电路那样引人注目？去年习近平总书记到武汉考察的时候讲过一句话：“光电子信息产业是应用广泛的战略高技术产业，也是我国有条件率先实现突破的高技术产业。”这说明，我们光电子器件和芯片跟国外的差距不是那么大。另外，光电子芯片是摩尔定律以外的芯片，它不是特别受到先进制程等“卡脖子”因素的影响，因此它具备基于我们现有的技术基础实现突破的可行性，相对来说受到非技术因素的干扰可能小一点。不过这并不意味着其技术难度就低一些。

那么，什么是光电子芯片？相对于微电子芯片，它有何的特殊之处？

我们知道，微电子芯片里面的功能元器件就只有一个——晶体管，功能材料只有一种，就是硅。它是靠大量的晶体管组合成不同电路来实现不同功能，即功能来自架构。光电子芯片则不然，光电子芯片上面每一个不同的功能，都需要一个不同的器件来实现，而每一个不同的功能器件，可能都需要一种不同的材料去支撑它才能实现性能优化，即功能来自材料。因此跟微电子芯片相比，光电子芯片最大的难点或者说特点，不是要做到多少纳米的工艺节点和多么复杂的架构，而是怎么把一堆毫不相关甚至互相矛盾的一些材料，集成到同一个晶片上面去。

从材料层面上说，微电子就是硅，硅就是微电子，但光电子恰恰是非常不一样的。光电子集成技术的发展根本上是由材料驱动的，光电子功能无法用同一种材料、器件实现，功能强大的光电子芯片必然是多种光电子材料的异质异构混合集成。

“异质异构混合集成”这个词，其实目前在微电子领域也变得越来越重要，因为摩尔定律再往下走很难，如何进一步升级微电子芯片技术，更多的时候也需要依靠异质异构混合集成。

在光电子领域，什么叫异质异构混合集成？有两大类材料，一类叫无源的集成平台材料，负责构建光子线路，连接各有源功能器件；一类叫有源的功能材料，用以实现光发射、探测、调制等有源功能器件。要把这两类材料集成到一个芯片里面，特别是还要涉及到多种不同的功能材料，其实它的难度是非常大的，只是它跟不断推进摩尔定律是不同类的难度。

光电子集成技术其实已经悄悄发展了大概有三、四十年的时间，事实上我认为我们现在正处于一个转折点，在这个点之前的技术，我把它叫做“光子集成1.0”，芯片是基于单一平台材料体系，有点类似于微电子芯片，想用一个材料就把一个事情做成了。实践证明，它取得一定成功，不过功能是有限的。现在我们要走向“光子集成2.0”，即一个平台加多种功能丰富的材料，从而使得光电子芯片拥有更加丰富的功能以及更加强大的性能。

对于光电子芯片，选择什么平台材料，即在什么样的平台上面去搭建芯片，具有根本的重要性。

理想的光子集成平台材料需要满足很多要求。它的材料性质首先要满足构建无源光路基本要求，最好还能够兼顾一些功能，就是说我们希望这个材料既能用作一个无源平台材料，又能实现一些光电子的有源功能，同时还在在成本等方面具有优势；还有就是利于集成其他材料。

在过去二三十年，平台材料已经经历了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，因此可以用来构建导光、分光、合光等无源光路。这个技术已经非常成熟，这样的光子芯片也很便宜，已经赚不到钱了。同时也没有任何有源光电子功能。

针对对有源光电子功能芯片的需求，一些化合物半导体材料，如磷化铟等有源材料也与之并行发展。所谓有源材料，就是能够高效发射、探测光，或者在电信号控制下对光进行高效调制的材料，也就是能实现电—光、光—电或者光—光的转换的材料。基于磷化铟材料的光电子集成也经过了20多年以上的发展，但它的晶圆尺寸比较小，价格也很贵，作为无源光路平台材料的基本光学性质也不是很好，所以难以实现大规模、低成本地制造多功能、高性能光电子集成芯片。但是这类化合物半导体材料有一个最大的不可或缺性，就是它能够发光，这是其他材料无法替代的。因此它是一种优秀的光电-电光转换的功能材料，但不是一种优秀的平台材料。

过去十几年间，硅基光子集成（硅光）平台发展得非常快。硅是微电子的主要的材料，由于它对于红外这一波段的光是透明的，所以它也可以用来做集成光子的平台材料。它最大的优点是集成密度高，且能够借助集成电路的产线来实现大规模、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，硅是一个不可以高效发光的材料。对于光电子芯片来说，光从哪里来，是一个根本的问题。因此，硅光平台一定要跟能够发光的材料结合在一起，这些材料就是我们刚才说的化合物半导体。

大家都知道摩尔定律。其实光子集成从某种程度来说也有自己的摩尔定律。下面这张图表示的是不同材料的平台能够集成的器件的数量，蓝线是磷化铟光子集成，红线是硅基光子集成，可以看到，硅基光子集成发展的斜率要大得多。但是同时我们也要看到它的纵坐标，它表示硅光芯片上面现在可以集成10-100万量级的器件，相当于微电子70年代水平，所以光电子集成跟微电子集成是非常不一样的，光电子器件尺寸远远大于晶体管，其根本原因是光子的“尺寸”远远大于电子，所以光电子器件不能像微电子器件那样一直去缩小尺寸到纳米量级。

“光子集成摩尔定律”

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

硅光芯片市场发展很快。如果仅看它的绝对价值，微电子领域的人可能会觉得比较小，但是市场规模不那么大，并不等于它不重要，因为所有的关键技术都是缺一不可的。而且硅光芯片的市场规模目前虽然不大，但是成长率非常高，它的模式一旦走通，就有望实现像微电子那样的一个爆发式的发展。

产业模式方面，以前的光电子产业都是IDM的模式，就是一家公司设计、加工、测试、销售从头做到尾。硅光技术试图颠覆这一模式，转向微电子芯片的设计-代工模式，通过设计与制造工艺解耦降低门槛、降低成本、扩大市场。这个模式已经走通了，但是又没有完全走通，为什么？因为现在的产品公司仍然无法与制造完全解耦，产品公司和代工厂依然深度绑定。这个也是由光电子集成的特性决定的，产品的差异化技术主要在材料、结构、工艺层产生，一旦标准化，可能就等于同质化，产品公司可能失去技术特点与优势，所以大家也不一定非常愿意走这条路，把自己研发出来的独特技术完全给大家分享。

这里有一张图，不完全统计了硅光领域的制造和应用技术链条。截至目前，中国大陆还没有一个真正成熟的硅光代工平台。有很多家在做，但是还没有一家能够真正成熟地做到商业化流片。

硅光制造、应用技术链条

来源：Yole

在高速发展的同时，硅光技术也开始面临一些技术瓶颈。硅虽然对红外光是透明的，但是硅基波导光路对光信号仍然是有一定损耗的，如何进一步降低波导损耗、如何进一步提高电光调制器性能、还有我刚才说的如何集成发光与探测等关键功能，是硅光的三大问题。单纯基于硅材料，这些问题其实都不太好解决，因此大家很想从材料的层面上探索，有没有其他的材料能够具有更好的特性。

比如氮化硅基光子集成的发展也很迅速，也有专门的氮化硅光子集成代工平台。氮化硅的透明度比硅要高很多，也就是说它的损耗要低很多，但是它的集成密度不如硅，集成光发射、探测、调制等关键功能难度也较高。因此，氮化硅有其独特优势，但自己可能难以成为独立的一个平台。不过它跟硅是兼容的，可以且已经成为硅的一种补充。我们实验室在这方面也做了很多工作，我们自主研发了与半导体工艺完全兼容的低温制备氮化硅光子集成平台，其损耗已经达到了国际上用高温工艺实现的同等水平，我们也是中国唯一一家拥有这方面自主自主知识产权的实验室，目前也在努力地推动自身技术的转化。

另外一个材料看上去似乎是最近两年突然冒出来的，就是薄膜铌酸锂（TFLN）。哈佛大学有一个教授叫做Loncar，去年我主编的一个Advanced Photonic的专刊去采访他，他比较胆大，他就说：“我对于薄膜铌酸锂未来10年发展非常乐观。事实上，我愿意冒天下之大不韪——你可以直接引述我——预言10年内薄膜铌酸锂将在所有高性能光电子应用中取代硅光，特别是在数据通信中。”这个预言会不会实现我们不知道，但是一定是一个努力的方向。

薄膜铌酸锂虽然看起来是突然冒出来的，其实事实上大概是2006年左右甚至更早的时候，欧洲的一些大学就开始研究这个东西。这里我还要强调一个人，胡卉，晶正科技的创始人。胡卉非常有眼光，他在2010年那么早的时候就回到中国来创业，做薄膜铌酸锂晶圆产品，当时应用市场可能也不是那么明确，他认为这个东西很有前途就做了。

如何在薄膜铌酸锂材料上面加工高性能光子线路和先进功能器件？在国内率先把这件事情做出来是我的学生蔡鑫伦。他从英国回中山大学当教授，非常有勇气和眼光地放弃原来的研究方向，转而研发薄膜铌酸锂光电子芯片技术，做出了一系列性能国际领先的原型芯片。现在有一家企业，叫做铌奥光电子有限公司。这家公司就是基于他自主开发的薄膜铌酸锂产品和光电子集成平台技术创立的。目前全世界技术上能够相提并论的公司有两家，一家是中国的铌奥光电，另一家是一个美国的公司，叫做HyperLight，是基于哈佛大学Loncar组的技术。这两家公司的创始人都是中国人，但是一个在中国，一个在美国。这里值得一提的是，基石资本在铌奥的A轮融资中起到了关键性的作用。

铌奥是中国光电子芯片产业中，第一个基于国内独立自主创新的源头技术培育出来的、从材料、到加工技术、到器件的设计优化、一直到产品化，全链条全部都在国内的一家公司。所以如果最后它能够取得商业成功，那在中国光电子芯片发展史上可能具有一定的划时代的意义，代表了中国的光电子芯片技术从跟跑到并跑再到领跑的转折点，代表了中国有开辟和跑赢新赛道的能力。

我们可以看到，在这个技术创新中，一个新的平台材料，也就是薄膜铌酸锂，起到关键性的作用。因为薄膜铌酸锂材料的光学性能实在是太好了，它不仅损耗比硅低很多，而且还具备优秀的电光调制功能。因此，采用这个新材料可以突破硅光集成的诸多瓶颈，包括刚才说的调制器的瓶颈，把调制器综合性能提高了非常多，带来的好处包括更大的带宽、更高的速率、更低的能耗等等。

因此，现在尽管硅光本身也还是在高速的发展中，但是光电子芯片技术的后硅光时代可能已经开启，其代表就是像薄膜铌酸锂这一类不仅高性能，而且功能非常丰富的新型的薄膜材料。这个过程中会出现像铌奥光电子这样的一批潜在的专精特新企业，或者“小巨人”企业。

像薄膜铌酸锂这样的材料，不仅损耗低，还自带很多的功能，但是正如刚才所说的，没有一个材料能够实现所有的光电子功能，薄膜铌酸锂也是一个不能发光、不能探测光的材料，那么该怎么办？光从哪里来、如何探测？因此，一定要走异质异构混合集成的路线。

在战略的角度，今后5年或者更长远的时间尺度看，我们一定会从走向异质异构混合集成，这是我们基于科技发展的基本原理和规律的判断。

具体怎么实现？可能有两类平台。一类是基于硅，另一类就是基于薄膜铌酸锂。硅平台上，我们要集成化合物半导体（磷化铟、砷化镓等)，当硅调制器不再够用，我们还可以把薄膜铌酸锂作为功能材料集成到硅的平台上面去，再辅之以像氮化硅这样的超低损耗材料以及锗这样的探测器材料。这个系统看起来就是比较复杂，而做半导体的人都知道，多一个材料，难度是以数量级增加的，所以我们可能需要另外一个体系，也就是以薄膜铌酸锂为平台且兼顾电光调制功能，再加上化合物半导体，仅两种材料就可以搞定绝大部分的光电子的功能，这个可能是更加简单且高效的一个平台。

硅光平台上的异质异构混合集成，有各种的实现方式。可以先把小的光电子芯片（chiplet）做好，把它们拼在一起。也可以把一些晶粒键合到硅的晶圆上面去，还可以直接在硅上面去生长其他的材料。技术的难度会越来越高，但是突破以后，其潜在的经济效益或者良品率，都会有更好的提高。像刚才说的氮化硅，在这个体系里面也会起到比较重要的作用。

综上所述，目前与未来光电子集成重点发展方向可能主要有两个：一个是硅基光电子集成平台上的异质异构混合集成，包括硅+化合物半导体、硅+薄膜铌酸锂、硅+化合物半导体+薄膜铌酸锂，等等，这样一个二元甚至多元的异质异构混合集成体系。另外一个是薄膜铌酸锂光电子集成平台上的异质异构混合集成，薄膜铌酸锂+化合物半导体的二元异质异构混合集成体系。

我想强调一点，这样的技术，不仅仅对光电子具有重要意义，对其他的微电子器件，包括射频等器件，也都具有很高的意义。因为硅的工作频率要再往上提其实是很难的，而化合物半导体的响应速度可以比硅高得多，所以在射频器件、更高时钟频率的处理器等方面，这些技术都是可以应用的。

今天主题是硬科技，所有的芯片、所有的信息系统，它的基础都是半导体，半导体就是硬科技，而我们刚才所说的这种半导体材料层面的突破、加工层面的突破，更是硬科技中的硬科技，要经过长期艰苦的努力去发展，如果你今天不开始，20年以后你还是什么都没有、还是在抱怨被卡脖子。所以我们实验室把它作为我们的使命，不仅研发新技术，还要通过创新体系的建设，把技术通过我们的研发平台去孵化、去中试，最终将其推向应用，期望能在中国产生自己的突破。

从投资的角度的话，这是一个很漫长的一个过程，当然今天上午像张维总也提到了，我们有政府和基石资本这样非常有耐心、非常愿意投入的投资机构来共同做这件事情。

短线来看的话，可能投资产品的回报路径相对更明确。光电子芯片可以面向的市场其实挺多，其中的一些现在也非常热，可以说已经成了非常红的红海市场，但是红海中间也有机遇，因为刚才说的老一代的技术已经趋向于饱和了，而下一代的技术一旦突破，就可能把红海变成蓝海，出现新的爆发性的增长点。

架构上面、底层理论上面的进一步突破，比如说光子计算与AI加速芯片、光量子信息芯片的突破，现在还是非常蓝的，还是深蓝，将来随着我们技术推进，可能会变成浅蓝，甚至变绿再变红也有可能，但是这个可能还比较长远。

光通信光互连发射接收芯片是光电子芯片最大最成熟的市场，成长率也非常高，特别是面向数据中心的这一块。算力的基础当然是计算芯片，但是计算芯片跟存储芯片、以及计算芯片与计算芯片之间有一个最大的瓶颈，就是数据如何以最快的速度传输，而这个瓶颈只有光能够解决，所以这块市场仍然具有极大的空间，也不排除出现爆发性的增长。最近AI大模型大火，随之而来的就是对光互连技术的需求加速。

传感方面，比如说激光雷达、车载的光电子器件将来可能也是一个很大的市场。因为它是2C的，C端的市场一旦走通，它的增长可能是非常惊人的，有些智能驾驶的车上装了8颗激光雷达。垂直面发射激光器（VCSEL）现在很大程度是在往基于飞行时间（TOF）测距原理激光雷达的方向去应用，虽然总量还不大，但是增长率非常高。未来更好的激光雷达技术，比如既可测距、又可测速的调频连续波（FMCW）技术，对光电子集成芯片需求会更高。

好话说完之后，再谈谈我对国内的光电子芯片产业的一些观察。很多的公司涌进光电子器件芯片这个赛道，为什么能涌进去？因为已有的一些传统产品技术、资金门槛比较低。基于国外的一些过期的专利，把它抄过来，在一个很长的价值链条上做很短的一小段，产品也高度同质化，然后通过低价的恶性竞争，赚取非常非常微薄的利润、甚至赔本还赚不到吆喝。这种低端产能已经非常过剩了，但是真正掌握自主创新的技术的、新的高端产能是非常缺乏的。

打个比方，如果我们把光互连发射接收芯片链条当做一个食物的供应链的话，我们中国很多公司做的事情就只相当于把预制菜热一下搬上桌，或者说再打个包封装一下，这中间赚不到什么钱。

所以，我们现在做的事情，事实上都是要去解决这样一个问题，就是怎么去创造自己的新增长点，并且在新增长点上去创造我们自己的高端的产能。其根本的途径还是要在物理原理、材料、制造技术这些非常硬的层面去自主创新，只有这样才能实现技术的突破。

比如，光互连发射接收芯片与模块，目前进入实用的数据速率是800G，如果按照现有的技术方案，用包括外调制激光器（EML）芯片、或者激光器加硅光调制器芯片、或者直调边发射/面发射激光器这样一些器件，你可以做到800G，但是这些技术都已经接近极限，再往下走很难，下一代1.6T都可能实现不了，或者即使实现，体积、成本、能耗等也可能缺乏竞争力。再下一代3.2T就更难。

为什么我们要基于薄膜铌酸锂这样的新材料开发新的光电子集成技术方案？因为它能够把由材料特性决定的天花板提高一大截、打开非常非常大的空间，它的性能不光能够支撑1.6T、3.2T，甚至还能支撑更高的速率。未来10-20年，我们对算力的需求可能是成万倍的增长，数据传输速度可能也需要实现同样的增长，因此必须要有新的技术去打开这个发展空间，这也是我们为什么看好这些基于新材料、新技术的创新企业。

再比如成像，成像是一个红得不能再红海的市场，满世界都是摄像头，每个手机里面都有好几个摄像头，CMOS成像器件非常成熟且便宜。但是这里面不是没有增长点，比如说短波红外成像就是一个仅用硅材料不能实现、化合物半导体材料又太贵的市场，而且需求也非常大。锗是相对便宜的半导体，所以通过在硅上面生长锗，制成硅基锗探测器，并且与下面的硅电路集成，就可能弥补这样一个空白。还有比如X射线高分辨成像芯片，也可能带来医疗诊断器械和设备的更新换代。

我们作为一个光电材料与技术的国家重点实验室，不能忘记我们的使命和初心，即要在材料和制造技术的层面上，突破光电子信息技术最底层的核心硬科技，通过自主创新，创造出新的增长点，成为全球光电子芯片产业的引领者。我相信，如果我们在不断开发新的高性能光电集成平台材料、功能材料，并且把光电子集成从单材料的1.0版推向多材料异质异构混合集成的2.0版这条道路上坚定地走下去，通过5年、10年甚至更长时间的努力，我们一定能够实现我们的目标。谢谢大家！