氮化镓与光子学：专访 Wave Photonics 联合创始人 James Lee

氮化镓 (GaN) 正在成为光子集成电路 (PICs) 领域的一个新兴材料，有望解决当前硅光子技术的瓶颈。其核心论点在于，随着数据中心短距离通信的兴起和空心光纤技术的发展，传统上束缚光通信的波长限制正在减弱。这为氮化镓等具备原生增益、强电光效应和宽波长透明度等优越性能的新材料打开了应用空间。通过快速开发氮化镓的工艺设计套件 (PDK)，相关项目旨在推动多材料、多应用场景的光子技术创新，预示着光子学的未来将不再由单一材料主导。

硅光子学的现状：一个充满妥协的方案

当前，光子芯片行业主要建立在硅材料之上。这并非因为硅是理想的光子材料，而是因为我们拥有成熟且廉价的硅制造基础设施，这些都是从电子行业继承而来的。

它（硅）实际上是一种非常糟糕的光子材料。我们只是因为背后所有的投资和基础设施，才强行让它勉强工作。

硅材料作为光子平台的根本缺陷在于：

    • 缺乏原生电光效应：为了在光上编码数据，工程师不得不采用变通方法（如掺杂），这会增加信号损失并限制调制速度。
    • 无法产生光：硅本身不能发光，必须通过复杂的工艺将一个独立的激光器（通常由磷化铟制成）粘贴到芯片上，这增加了成本和复杂性。
    • 工作波长范围窄：硅仅在约 1 微米以上的波长保持透明，这限制了其在可见光传感或特定量子计算等领域的应用。

氮化镓 (GaN)：一个更全面的光子平台？

与大多数人熟知的充电器或电动汽车应用不同，氮化镓在光子学领域同样展现出巨大潜力。它已经是仅次于硅的全球第二大半导体材料，被广泛用于 LED、激光和射频电子产品中。

它作为光子平台的优势非常明显：

    • 原生增益：可以直接在芯片上制造激光器和放大器，无需外部粘合。
    • 真实电光效应：能够高效、低损耗地调制光信号。
    • 极宽的透明范围：从近紫外到远红外波段都保持透明，覆盖了硅无法企及的广阔光谱。
    • 成熟的制造基础：已在 LED 和射频芯片领域实现了大规模生产。

在原始能力方面，它（氮化镓）是一个远比硅更完整的光子平台。

传统束缚的松动：为什么现在是 GaN 的时机？

过去，氮化镓因其最佳工作波长与传统光纤不匹配而被排除在数据通信应用之外。传统光纤在特定的“O-band”和“C-band”波长下损耗最低，整个行业生态（激光器、探测器、测试设备）都围绕这一标准建立。

然而，两个关键转变正在打破这一“波长锁定”的局面：

    • 数据中心内的短距离通信：在服务器之间仅几米的传输距离上，光纤损耗几乎可以忽略不计，这意味着可以选择任何方便的波长，而不必局限于传统的电信波长。
    • 空心光纤技术：这种新型光纤让光在空气而非玻璃中传播，不仅速度提升了 50%，更重要的是消除了玻璃对特定波长的吸收限制。这使得光纤可以在极宽的光谱范围内高效工作，为氮化镓等材料打开了大门。

材料对比：没有单一的完美选择

光子学的未来可能不是由一种材料主导，而是多种材料根据不同应用各取所长。

    • 磷化铟 (InP)：能原生发光，但制造成本高、规模小。
    • 氮化硅 (SiN)：具有超低损耗，但无法制造激光器或高速调制器。
    • 薄膜铌酸锂 (TFLN)：在高速调制方面表现出色，但加工困难。
    • 氮化镓 (GaN)：结合了原生增益、宽波长透明度和成熟的供应链，尽管其光子工艺开发尚处早期。

Wave Photonics 的策略：快速开发与多应用布局

Wave Photonics 公司的核心目标并非只押注氮化镓，而是建立一个能够为任何新材料快速开发工艺设计套件 (PDK) 的自动化平台。

工艺设计套件（PDK）就像一本“食谱”和“零件目录”的结合体，它告诉设计师如何制造每个组件以及制造的约束条件。

通过与卡迪夫复合半导体研究所合作，他们计划在 12 个月内开发出氮化镓的无源光子工艺，包括波导、分束器和滤波器等基础组件。

他们的市场策略是：

    • 避开巨头：暂时不与英伟达等巨头在 AI 基础设施市场直接竞争，因为这些公司拥有强大的内部研发团队。
    • 多应用验证：首先在量子计算、化学传感、航天等对特定波长有刚需且硅无法满足的市场中证明氮化镓的价值，进行技术“去风险”。
    • 着眼未来：根本性的赌注是，未来的光子学将是多材料、多应用的。当这个趋势成为现实时，他们凭借快速开发新工艺的能力将占据领先地位。

我们想在可能进入大型 AI 基础设施市场之前，先在多个应用中证明这种材料是可行的。

更广泛的影响与未来机遇

波长限制的松动意味着整个行业的底层假设正在改变，这为市场带来了新的机遇。

    • 异构集成：将不同材料（如用磷化铟发光，用氮化镓调制）组合在同一芯片上的混合平台将变得更有价值。
    • 新波长的生态系统：针对非传统电信波长（如可见光和中红外）的测试和测量设备将成为一个新的需求缺口。
    • 设计软件的演进：需要能模拟多种材料和非标准波长的 EDA 工具。
    • 战略机遇：对于英国等错过了硅制造浪潮的国家而言，投资复合半导体光子学是一个战略机遇，可以在行业巨头尚未全力投入的领域建立先发优势。