目前存在两种主要的实现策略：一种是在不同的基板上单独制造光子，然后将这些基板叠加；另一种则是在同一基板上集成制造光子。选择这两种方案时的权衡考量远比初看时复杂，一个领域的进步可能会导致另一领域的资金流失。

　　光子学应用广泛，尤其在模拟与数字电子转换（如传感器和显示器市场）的前沿技术中尤为关键。这个市场正沿着特定的发展路径前进。光子学的主要驱动力是对更高带宽的持续需求。网络，特别是数据中心的网络，不仅加速了信息处理速度，还引入了新功能。

　　例如，语音识别系统现依赖云计算来进行处理，这需要极快的计算速度和最低的延迟，使得处理过程仿佛是在本地实时进行的。

　　根据行业分析，2013年光子集成电路（PIC）市场规模约为1.9亿美元，到2017年增长至约5.39亿美元。预计从2023年到2034年，PIC市场将增长2.4倍，主要得益于人工智能和5G市场需求增加的通信收发器。

　　在通信技术方面，基于电子的解决方案仍在努力在可接受的功率和成本内提供所需的速度。光子技术最初在长距离通信中取代了电子，现在在机架间通信也广泛使用光子技术，而在电路板乃至封装内部，光子取代电子可能指日可待。

　　但是，光子技术的应用不仅限于通信。它在某些类型的计算任务中比电子更为高效，也可能成为量子计算的关键技术。

　　如EV集团业务发展副总监Martin Eibelhuber所述：“已有研究表明，光子是量子计算的关键途径。随着相关应用案例的不断增多和复杂化，行业也正在探讨它在其他领域（如内存与芯片之间）的途。”

　　在当今典型的光子系统中，光子芯片和电子芯片通常是分别制造然后粘合在一起的。封装过程往往是这种解决方案总成本的主要组成部分。

　　根据英特尔的报告，封装成本占产品总成本的80%，但这一比例正在逐渐变化。随着3D粘合技术在电子领域的广泛应用，变得更加便宜和可靠，这些成本有望降低。如果这种趋势持续，并且光电子芯片的键合也能从中受益，那么成本的下降将会更加显著。

　　西门子子公司Mentor的Calibre 3D-IC应用技术营销负责人Tarek Ramadan指出：“随着成本和制造难题的解决，越来越多的设计公司开始尝试这种方法。”

　　然而，电子设计自动化（EDA）的支持变得至关重要。EDA公司需要投入资源和精力，研究如何真正帮助设计人员对其三维封装设计有足够的信心，以达到可接受的生产率。同时，代工厂和封测代工厂（OSAT）也需要与EDA公司合作开发配套的设计工具包。

　　三维封装（3D packaging）的设计工具包概念仍然相对较新，因此涉及的努力不容小觑。归根结底，设计师希望设计工具包能得到制造商的认可，最好是由代工厂或3D封装厂而不是EDA供应商提供。

　　尽管每个芯片都需独立开发，但随着复杂性的增加，这变得越来越困难。Ramadan补充说：“光子学设计师在制造芯片时，应该考虑到封装的限制，这并不容易。” 长期以来，业界对协同设计的必要性持回避态度，因为它带来各种挑战。如今，尽管大多数设计公司仍将3D封装的责任默认交由封装团队，但随着协同设计（co-design）挑战的出现，应设立一个专门的系统级团队来负责和管理三维封装的协同设计工作。

　　目前，全球众多公司正积极投入到硅光子技术的开发中。这项技术不仅解决了信号传输损耗问题，还被视为开启新时代的关键，有潜力彻底改变未来世界。

　　相较于传统光学技术，硅光子技术的低成本、高集成度、及出色的可靠性等优势使其极具吸引力。此外，如果能有效解决测试和对准等挑战，硅光子技术有可能从根本上改变制造成本结构，并在更多市场得到应用。

　　Mentor公司的营销总监John Ferguson指出：“被二氧化硅环绕的硅几乎是理想的波导材料，其几乎无衰减的特性是硅光子设计的关键。虽然过去十年中我们取得了显著进展，但仍需探究为何硅光子集成电路（PIC）未能更广泛地应用。这些电路具备传输速度快、功耗低等多种优势，加上硅晶圆的成本效益，理应有更广泛的市场应用。”

　　Cadence公司的杰出工程师Gilles Lamant解释了其中的部分挑战：“PIC元件的曲线布局是极大的设计挑战之一，因为波导布线需采用曲线格式而非直线或曼哈顿式，以保证光线能够留在波导内。掩膜制造的布局基于多边形，并在特定分辨率的网格上定义，因此必须精确地定义圆形或弯曲的曲线形状，以确保侧壁的光滑。”

　　Ramadan补充说：“如果你的集成电路元件需要使用到先进的工艺节点，如28纳米以下的任何工艺节点，那么生产这些元件的费用将非常高昂。”

　　他还指出，这种高成本主要由制造工艺的复杂性引起：“工艺节点越小，成本越高。然而，光子技术从工艺节点变化中获益有限，因为相比电子元件，光子元件体积庞大，需要大面积的硅来放置所有元件，这使得成本溢价非常高，而实际受益的只是芯片的一小部分。”

　　目前，硅不能用于制造激光器的问题仍未解决，因为硅是一种间接带隙材料，其发光效率极低。这就留下了两种可能的解决方案：一种是恢复封装方案，将激光器安装为倒装芯片，但这意味着对准问题依然存在；另一种是通过晶圆级集成，将磷化铟芯片粘接或外延再生长到硅片上，然后使用传统的光刻技术进行加工。

　　实际上，未来可能采用这两种方法的混合解决方案。Ramadan表示：“简单的P-N结或电阻加热器及其是控制光学行为的必要组成部分，通常可以使用更成熟、成本更低的工艺节点制造。将这些器件组合在一个具有大量开放空间的大型硅芯片上，就有机会利用这些空间堆叠和连接多个硅芯片，并采用硅内插式封装——这似乎是大多数光子设计目前正在走的道路。”

　　光子电路建模是一项挑战，特别是因为当前还没有一个广泛接受的SPICE等效工具能够对复杂的光信号进行建模和仿真。 Lamant解释说：与电信号相比，光信号是双向和多模式的，模拟器需要同时处理振幅和相位，还需在频域和时域进行仿真——这是传统的SPICE模拟器通常无法做到的。

　　这就带来了一些挑战。Ramadan补充说：如果制造商（代工厂或OSAT）不能提供一个全面的组装设计套件，包括物理验证、电气分析和可靠性分析等，或者至少不能提供我们定义的EDA参考流程，那么整个行业将面临困难。

　　现在，在客户的推动下，这方面已经取得了一定的进展。领先的代工厂和OSAT正在与EDA供应商合作，建立参考流程并提供给客户，生产支持工具包也已开始出现。

　　代工厂和OSAT提供的生产支持工具包非常重要，因为它们可以保证良好的产量。相对而言，参考流程更多是提供一个可供参考的模版。然而，这些工具包和参考流程通常不包括三维封装所需的可靠性方面。 Ramadan继续说：对于在封装中并排或堆叠放置的芯片，我们需要在设计和验证步骤中进行热分析和应力分析。

　　由于光纤的损耗非常低，科学家可以在从几厘米到几千米的任何距离内传输数据，这是光子技术的真正优势。还要注意，基础载波频率大约为200THz，这意味着在极高的速度下发送信号成为可能。与此同时，铜缆的基本限制在于，随着传输速度的提高，损耗也增大，这是它无法克服的。无疑，在进行几毫米以上距离的数据通信时，光子技术的高速低功耗特性更为优越。

　　光子技术在传感等领域的潜力也非常大。在光子学中，光对几乎任何事物的敏感性在数据通信领域有时会造成问题，但在传感领域却非常有用，因为光对温度或折射率的微小变化非常敏感，这为市场创造了商机。

　　然而，尽管制造成本降低，光子学的成本很难赶上电子学的成本曲线。Eibelhuber解释说：关键问题是如何使光子技术足够经济，以便进入更大的市场。我不确定光子技术是否能达到足够大的规模，以使成本降低到类似CMOS的水平。光学没有摩尔定律，光学元件无法像晶体管那样缩小，因此，是否能降低成本以便进入更广泛的市场，这还是一个未知数。

　　光子学已经存在了很长时间，并与电子学密切相关。正如Eibelhuber所述：只要涉及到光信号，就必须对其进行处理，通常这是通过电子方式完成的。当前市场的焦点是利用堆叠技术将激光器集成到硅平台。