光學的「納米尺度」進化，將拉開「消費光子」的序幕

單個晶體管到集成電路的進化，直接了促成人類信息革命的爆發，拉開了消費電子的序幕，造就了近50年來無數的科技奇蹟和無數偉大的企業。基於對半導體行業長期發展的統計，半導體行業歸納出了所謂的「摩爾定律」——集成電路上可容納的晶體管數量大約每隔18個月便會增加一倍，性能也隨之翻倍。

但伴隨著摩爾定律走向極限，摩爾定律正畫出一條完美的「S曲線」走向天花板：電晶元的工作原理，是通過操縱器件（晶體管、電阻器以及電容等）中的電子來傳遞信息。但當器件達到納米級時，電子產生隧穿效應，使得電子不容易受控，這對器件來說是致命打擊。所以有專家稱，操縱電子的極限已經逐步來臨，不能再單純通過縮小器件尺寸、提升集成度來增強性能。

和電子不同，光子具備並行、高速的特性。光路在空中交叉傳輸又互不干擾，同時光計算具有天然的並行性，可以在一個時段內同時進行多路計算，且自身能耗非常低，以目前方興未艾的人工智慧來看，通過光子可以瞬時的實現卷積運算。也就是說，從未來科技發展與應用來看，光計算是有望代替電計算，演化為下一代高性能計算處理器。

但一直以來，對於「光機電算」四大工程領域中，光的體量不及電之萬一。從C端應用來看，光學的實現主要局限在幾何光學的設計理論範疇與冷光學的工藝製造範疇，比如鏡片、成像等，精度停留在亞毫米和微米級的範疇；從B端應用來看，光通訊領域最快的見證了「光」代「電」的趨勢，硅光子技術正逐步的使得光與電在加速融合。從未來趨勢來看，我們相信，在不久的將來：

1.     基於其物理特性，光必然會從「傳輸」領域逐步向「感知」領域、向「思考」領域逐步進化 ；

2.     伴隨光進入計算的範疇，光學的理論實踐將從幾何光學向波動光學、甚至更深遠的粒子光學升級；光學的工藝製成將從一直以來的冷加工向革新的工藝升級；

3.     光學組件的成本在終端的比重會超過50%；

4.     正如集成電路的興起引領了消費電子的浪潮，光學的進化也將拉開「消費光子」的序幕。

回溯消費電子的發展歷程，「納米尺度」與「規模性低成本」是集成電路技術使得電子進入消費級的兩大特徵。與之類似，「消費光子」序幕的真正拉開也必將伴隨這兩大特徵的訴求。縱觀目前光學的發展現狀：以硅光子技術為旗艦的有源光學近年來發展迅猛；但反觀體量更大、與消費級更息息相關的無源光學卻依然停留在傳統的「冷光學」體系 –元件尺寸、精度受工藝限制，導致應用局限。

實現「消費光子」，意味著光學也需要從微米精度踏入「納米尺度」、需要從精度越高成本越高的單體製成踏入「極大規模性低成本」製成，意味著在需要「晶圓」層面上實現光學設計與製成。

晶圓級光學是消費光子的基石性領域。晶圓級光學使得光學可以在精度提高一個數量級的同時將成本下降一個數量級，進而使得眾多新興的需求和商業價值成為可能，包括3D深度成像與無人駕駛、AR/MR顯示、晶元間短距離全光傳輸、醫學影像、航空軍工、自動化安防等。比較典型的應用如3D深度成像。

3D深度成像的橫空出現既是偶然，但也屬必然。它一方面由終端的新需求而引發，但又反過來深刻的引發了行業深層的變革。3D成像模組核心零部件中，DOE作為一個全新的無源器件，其功效是接收入射的光場，對光進行重新運算，並輸出一個特定分布的光場。

從光學的角度看，DOE像一種基於光學波動性理論設計的新型鏡片；而從信號處理的角度看，由於DOE實現了對入射光場的特定計算與調製（這一點其實與電信號的調製非常類似。電的信號處理是在時域上進行信號的計算；光的信號處理是在空間域上實現對信號的計算與調製），所以DOE更像是一種基於光信號處理的晶元。於此同時，為了實現這一目的，DOE光元件的尺寸與精度需要達到在晶圓上實現納米級的製成。所以，深度成像中DOE的出現，率先將波動光學與晶圓級的製成，應用到了極大規模的消費端產品中。

但想要做出納米級的光元件並非易事。

一是設計難度，具備計算能力的光元件是通過在材料中引入微納光學結構，通過光的波動效應，進而控制光場的再排布，從而實現新的光學性能。從這個角度來講， 微納光學結構的設計和製造是微納光學發展的關鍵技術問題，而微納結構的設計是一個前沿的領域。

二是生產難度，正如上文所講，此前光學應用多限制在幾何光學範疇，對器件的尺寸要求一般在亞毫米或者微米級，涉及到的加工工藝都是研磨、鑄塑等冷工藝。而光晶元需要將光元件精度做到納米級，顯然原先的冷工藝是不適用的，但光學產業又缺乏類似半導體的那種大規模生產超高精度器件的成熟工藝。

因此目前最為可行的發展方式，是融合光學與半導體工藝，用半導體的思路做納米級光元件。即讓全球歷時五十年、投入了數千億美元打造的微電子晶元製造基礎設施進入無源光學領域，將成熟、發達的半導體集成電路工藝應用於晶圓級光學上，快速提升光學工業的製造水平。

不過在此基礎上還需要解決良率和成本問題，由於納米級的特徵尺度，使得後道加工不可避免的會造成隨機誤差，因此需要在前道工藝中進行補償、需要在設計上進行補償、需要「Design to Manufacture」。而且要確保每一片光晶元良率，檢測環節也需要搭建完整的流程步驟。另外，由於是「消費光子」的基礎一環，低成本更多時候是決定性的要求。所以，從生產角度看，其「不可能之任務」歸納來說，就是要「精度提升到極高標準的納米尺度外，同時要實現高良率、高一致性、極低成本的極大規模生產。」

晶圓級光學的設計和製造技術除了可以應用於3D感知領域，還可以應用於VR/AR產品和5G行業中，主要涉及到光場顯示光波導、高速光通訊鏈路的設計和製造。

雖然技術難度高，但由於應用前景廣闊，國內也有創業公司在從事晶圓級光學的設計和生產，如鯤游光電等。但對於創業公司來說，除了資金投入壓力，還面臨前期研發的技術問題，和後期規模化生產的管理問題。因此對於創業公司來講，高效整合上下游產業鏈資源才有成功的可能。

本文訪談內容來自鯤游光電董事長林濤：

鯤游光電是一家晶圓級光學創業公司。晶圓級光學作為一個極度交叉的學科，離不開各界資源的支持。鯤游光電除了擁有一支經驗豐富的多元化團隊，還聚集了包括元璟資本、華登國際、中科創星、舜宇光學、昆仲資本、晨暉創投、中恆星光等股東，涵蓋了光學、半導體、中科院、下游等各方通力協作。

晶圓級光學行業正處於一個高速發展的時點，一方面前景廣闊，但另一方面，上下游與生態仍不完善。只有更多上下游企業和友商的加入，才能將這個領域做大做強。

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