超材料的背后科学是一种结合了材料科学、电磁学、光学和纳米技术的交叉学科领域，它涉及到人工设计的材料，这些材料具有天然材料所不具备的奇异物理性质。超材料的设计和制造通常基于亚波长尺度结构，这些结构能够显著地改变材料的外观电磁响应，使其展现出诸如负折射率、超透镜效应、隐身术、频率选择性吸收和偏振依赖性等独特的性质。超材料，顾名思义，是一种具有超常物理属性的材料。这些属性并非天然存在，而是通过人工合成的方式赋予材料。超材料的研究涉及到许多领域，如电磁学、光学、声学等。其中，电磁超材料的研究最为广泛。通过设计特定的超材料结构，可以使物体在特定波段的电磁波中实现隐身，这对于军事领域具有重要的应用价值，例如隐形战斗机和潜艇。电磁超材料中最著名的是“负折射率材料”。这种材料的折射率是负的，与常规材料相反。这意味着光线在这种材料中的传播速度比在真空中还要快。此外，负折射率材料还能对电磁波进行定向传播、隐藏物体等奇特现象。超材料可以用来制造具有特定功能的电磁器件，如微波吸收体、天线、滤波器等，这些器件在无线通信、雷达系统和电子战等领域有潜在应用。利用负折射率材料的特性，我们可以制造出隐形汽车。这种汽车在行驶过程中，可以对地面上的电磁波进行干扰，使其无法被雷达等探测设备捕捉到。从而实现汽车隐形的效果。这种技术在军事领域已经得到了应用，未来有望逐步应用于民用汽车。超材料可以用于制造新型光学器件，如超透镜、光学隐形眼镜、光子集成电路等，这些器件能够以更紧凑、更高效的方式进行光信号的处理。超材料可以实现对电磁波的高效吸收，这为汽车节能提供了新思路。利用这种特性，我们可以研发出一种高效的能量吸收材料，将汽车行驶过程中产生的热量转化为电能，从而提高能源利用效率。超材料还可以用于实现无线充电技术。通过构建一种特殊的电磁场，超材料可以实现对汽车电池的无线充电。这种技术将大大简化汽车充电系统，提高充电效率，为汽车产业发展提供重要支持。超材料可以用于生物医学领域，例如制造能够对生物组织进行无创检测的传感器，或者用于光热治疗和生物成像等。利用超材料实现的车辆通信技术，可以实现车辆之间的实时信息传递。这种技术可以用于自动驾驶系统，使车辆在行驶过程中能够实时了解周围环境，提高行驶安全性。超材料可以用于提高能源转换效率，例如在太阳能电池和热电发电中，通过增强光的吸收或者提高热电材料的性能来提高能源转换效率。超材料技术可以推动高级制造技术的发展，如用于高精度电子器件制造的纳米加工技术，或者用于3D打印复杂超材料结构的添加剂制造技术。超材料的研究和开发正处于快速发展阶段，随着对超材料设计和制造技术的不断深入，未来可能还会出现更多令人惊叹的应用。超材料科技的不断发展，为汽车产业带来了前所未有的机遇。从隐形汽车到高效能量吸收，从无线充电到车辆通信，超材料在汽车领域的应用前景十分广阔。我们可以期待，在未来，超材料将引领汽车产业迈向新的发展阶段。}

高速光芯片是现代高速通讯网络的核心之一。随着全球信息互联规模的不断扩大，纯电子信息运算与传输能力以无法满足现有需求，光电信息技术作为冉冉升起的新星走进大众视野。光通信是以光信号为信息载体，以光纤作为传输介质，通过电光转换，以光信号进行传输信息的系统。光通信系统传输信号过程中，发射端通过激光器芯片进行电光转换，将电信号转换为光信号，经过光纤传输至接收端，接收端通过探测器芯片进行光电转换，将光信号转换为电信号。行业现状：海外市场技术成熟，国内光芯片市场高速增长，低速光芯片国产化率达到较高水平，高速光芯片国产份额仍有差距海外光芯片行业技术领先，国内光芯片以国产替代为目标，政策支持促进产业发展。欧美日等发达国家陆续将光子集成产业列入国家发展战略规划，其中，美国建立“国家光子集成制造创新研究所”，打造光子集成器件研发制备平台； 欧盟实施“地平线 2020”计划，集中部署光电子集成研究项目；日本实施“先端研究开发计划”，部署光电子融合系统技术开发项目。海外光芯片公司普遍具有从光芯片、光收发组件、光模块全产业链覆盖能力，可量产 25G 及以上速率光芯片。此外，海外领先光芯片企业在高端通信激光器领域已经广泛布局，在可调谐激光器、超窄线宽激光器、大功率激光器等领域也已有深厚积累。国内的光芯片生产商普遍具有除晶圆外延环节之外的后端加工能力，而光芯片核心的外延技术并不成熟，高端的外延片需向国际外延厂进行采购。以激光器芯片为例，我国能够规模量产10G 及以下中低速率激光器芯片，但 25G 激光器芯片仅少部分厂商实现批量发货，25G 以上速率激光器芯片大部分厂商仍在研发或小规模试产阶段。整体来看高速率光芯片严重依赖进口，与国外产业领先水平存在一定差距。光芯片应用场景不断升级，光芯片需求持续增长。随着信息技术的快速发展，全球数据量需求持续增长，根据 Omdia 的统计，2017 年至 2020 年，全球固定网络和移动网络数据量从 92 万 PB 增长至 217 万 PB，年均复合增长率为33.1%，预计 2024 年将增长至 575 万 PB，年均复合增长率为 27.6%。同时，光电子、云计算技术等不断成熟，将促进更多终端应用需求出现，并对通信技术提出更高的要求。受益于信息应用流量需求的增长和光通信技术的升级，光模块作为光通信产业链最为重要的器件保持持续增长。全球光模块市场规模及预测（百万美元）低速光芯片国产化率达到较高水平，高速光芯片国产份额仍有差距。根据 ICC 预测，2019-2024年，中国光芯片厂商销售规模占全球光芯片市场的比例将不断提升，中高速率光芯片增长更快。我国光芯片企业已基本掌握2.5G 及以下速率光芯片的核心技术，根据 ICC 预测，2021年该速率国产光芯片占全球比重超90%；10G光芯片方面，2021年国产光芯片占全球比重约60%，但不同光芯片的国产化情况存在一定差异，部分10G光芯片产品性能要求较高、难度较大，如 10G VCSEL/EML 激光器芯片等，国产化率不到40%；25G 及以上光芯片方面，随着 5G 建设推进，我国光芯片厂商在应用于 5G 基站前传光模块的25G DFB 激光器芯片有所突破，数据中心市场光模块企业开始逐步使用国产厂商的 25G DFB 激光器芯片，2021年25G光芯片的国产化率约20%，但 25G以上光芯片的国产化率仍较低约5%，目前仍以海外光芯片厂商为主。2019-2024年中国光芯片占全球光芯片市场比例预测更多关于光模块和光芯片的知识可以看我这篇文章}

文章导读
UBC 教授 Sudip Shekhar，Luceda 联合创始人、根特大学教授 Wim Bogaerts 等人在 Nature Communications 上合作发表了题为《下一代硅光子学路线图》的文章。文章介绍了硅光子学技术的发展历程和现状，并深入探讨了未来发展方向和应用前景，对于推动下一代硅光子学的发展具有重要意义。本篇 Nature 的学术名家还有被誉为“硅光之父”的领域奠基人 Richard Soref 教授，合著硅光设计领域最著名书籍《Silicon Photonics Design》的 Lukas Chrostowski 教授和 Luxtera 创始人 Michael Hochberg，在学术界拥有卓越成就并致力于产研结合的 John Bowers 教授。下面就让我们一起来了解行业权威们对下一代硅光子学的未来展望。
面临问题
随着光通信技术的进步，硅光子学已经发展成为一种主流技术。通过当前一代技术，集成光子器件的数量已经从数千增加到数百万，主要应用在数据中心通信的收发器中。同时，硅光子学技术在其他领域的应用正在取得显著进展，如传感和计算，相关产品也即将大量涌现。但目前的发展仍面临一系列问题：要使硅光子学器件的出货量从数百万增至数十亿，需要采取哪些措施？下一代硅光子学将会是什么样子？硅光子学应用所面临的集成和制造瓶颈存在哪些共性？新兴技术如何解决这些问题？下图1展示了硅光子的演变过程。起初，硅光子学在1985年引入，并逐渐演化为小规模集成（SSI）时代，其中硅基光子集成电路（PICs）包含1到10个组件。随后，进入中规模集成（MSI）时代，一个PIC上的组件增至10到500个，并成功将马赫-曾德尔调制器（MZM）应用在数据中心直接检测收发器中。现在，硅光子学正进入大规模集成（LSI）时代，一个芯片上将包含500到10,000个组件，应用领域涵盖激光雷达、图像投影、光子开关、光子计算等。硅光子学已从通信领域的挑战者发展为主流技术，有望在 LSI 时代成为主导技术，特别是在数据中心内外互联中发挥关键作用。并且，硅光子学也将在先进封装、高性能计算和分离计算方面扮演关键角色。图1显示了随着小规模、中规模、大规模和超大规模集成（SSI、MSI、LSI、VLSI）的不同时期，硅光子集成电路（PIC）上组件数量的演变历程。文章分别从技术角度、系统角度以及应用角度说明下一代硅光子技术面临的挑战及解决方案。
技术角度
电光调制器：电光调制是将电信号转换为光信号的过程。在未来十年中，硅光子芯片的核心任务是寻找理想的调制器，具有小尺寸、低损耗、高线性度、大带宽以及小驱动电压等优良特性。激光器集成：由于硅的间接带隙结构限制了在硅芯片上实现激光器所需的高效光学增益。因此，需要采用替代材料或方法在硅芯片上引入光源，如传统的光纤连接器、混合2.5D集成和3D集成等。雪崩光电探测器：相对于Ge（锗）光探测器，雪崩光电探测器（APDs）通常具有较差的带宽、线性和功率处理性能，限制了它们在各种应用中的使用。通过使用先进技术，特别是在设计和优化中考虑到电压、响应度、噪声和稳定性等关键参数，可以克服一些劣势以扩大APDs的应用范围。延时：许多硅光子学应用需要数百皮秒到纳秒级别的延时，但想要同时实现低损耗和高延时量是非常具有挑战性的。硅或氮化硅延时线难以调整，弯曲波导会导致较大的散射和辐射损耗。而浅刻蚀的脊型波导或超薄波导会破坏与220nm工艺的兼容性。目前，在不牺牲其他光子组件性能的前提下修改制造工艺仍然具有挑战性。
系统角度
光子与电子相互作用：硅基光子集成电路（PIC）与电子集成电路（EIC）密切合作，形成光电互补的关系。PIC 在数据通信中占主导地位，提供数据链路，而电子学负责控制、读取和数字信号处理。PIC 与 EIC 的主要区别在于光子不相互作用，适合信息传输，而电子相互作用，适合制作开关和计算元件。两者之间存在自然的相互作用，充分发挥各自优势。EIC 中的晶体管数量比 PIC 组件数量大得多，但功耗更低且尺寸更小。PIC 通过降低频率相关损耗、提供低延迟和实现高速数据并行性等方面为系统提供优势。尽管存在一些挑战，充分了解 PIC 和 EIC 技术的各自特性对于优化系统性能至关重要。光子与电子生态系统：电子行业通过摩尔定律实现成本下降，拥有成熟的生态系统和封装技术。相比之下，光子学行业面临挑战，包括个性化需求、缺乏成熟PDK和IP支持、低产量以及技术问题。光子学晶圆厂在满足客户需求和标准化之间面临难题。总体而言，两者有相似之处但也存在显著差异，光子学技术需要解决一系列挑战。光子与电子单片集成：PIC 和 EIC 分别拥有各自的优势，它们通过相互协同并集成到同一芯片上（EPIC），能够充分发挥光电子学的长处。这有助于提高系统整体性能、降低功耗、简化封装，并拓展光电子系统在不同应用领域的应用。
应用角度
目前，硅光子学技术在通信领域已经取得了重大进展，特别是在数据中心内部和数据中心之间的互连中发挥着关键作用。未来，硅光子学技术将继续在通信领域发展，并且将在其他领域得到广泛应用，如激光雷达、图像投影、光子计算和生物传感等。下图展示了硅光子学应用在通信、计算、信号处理和传感方面的最大技术挑战（截至2023年)。硅光子学在通信、计算、信号处理和传感方面的应用面临的最大技术挑战 (截至2023年)综上，我们在硅光子学领域取得了巨大的进展——从仅有几十年前构建第一批高限制波导和第一个调制器，到如今凭借来自CMOS行业的材料、集成和封装技术战略性地成为收发器领域主导技术。与此同时，硅光子学仍然是一门正在发展中的技术，我们相信，在未来的十年里，我们将可能实现以下里程碑：混合、异构和单片集成将为 LSI 甚至 VLSI 实现提供激光器、相移器、调制器和电子器件，具备所需的密度、可配置性和可编程性。集成激光器和 SOAs（半导体光放大器）在硅光子学中将真正实现应用。硅光子学将最终从可插拔收发器扩展到其他成功的商业产品，广泛应用于通信、感知等诸多领域。设计、建模、仿真、生产、封装和测试生态系统将开始成熟，为新一代工程师提供更多机会和更短的制造周转时间。基于等离子色散的调制器将继续为许多 WDM 通信应用提供足够的服务，但同时，在 SOI CMOS 工艺中，Pockels 调制器和相移器将实现商业化。同样，高效的热光加热器不会一夜之间被淘汰。但是寻找理想的低功耗相移器的探索将找到真正能够实现 LSI/VLSI 应用的解决方案。许多技术正在竞争，尚未产生明确的赢家。商业晶圆厂将普遍支持多层 SiN 和 Si，高性能的无源元件（滤波器、延迟线）将针对这些芯层进行优化。逆向设计的发展趋势将促进产生更紧凑、更高性能的波导模块，使其成为PDK的一个组成部分。相同的技术也将推动超材料和超表面的性能。对于光纤到 PIC 耦合的 IL、带宽和芯片上的区域将不断提高，典型的 IL 将降至<0.5 dB。（本文来源于Nature Communication，仅作为行业信息和新闻分享）关于 Luceda PhotonicsLuceda Photonics是由比利时imec微电子研究中心、根特大学和布鲁塞尔自由大学分离的光电子芯片设计自动化软件提供商。作为光电子芯片设计自动化软件领域的领军企业，致力于为客户提供光电子芯片设计、仿真、PDK搭建及运维的全流程软件和服务，协助光电子集成设计工程师们享有像电子集成设计工程师一样的“首次即成功”的设计体验。随着 Luceda China 落地上海，Luceda 为中国客户提供更高效、更贴近客户的服务，秉持以人为本的理念和开放共赢的态度，用前沿的专业技术和良好的设计体验助力提升产品质量、缩短产品面市周期、培育核心竞争力，促进中国光电子及相关领域快速发展。返回搜狐，查看更多
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