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芯片是一個既熟悉又生疏的話題。我們每個人都聽說過芯片，而且每天都要跟芯片打交道。特別是最近，除了科研院所，政府機關，資本市場在認真對待以外，在商店里，火車上，水泥廠等也有人在討論芯片。然而，絕大多數人都沒有真正見過芯片長什么樣，更不用說了解它們的工作原理并區分不同的芯片了。

大約在60多年前，人們就開始在硅片上進行芯片加工了。當時的芯片非常簡單，有的只有一個晶體管，但是已經展現出在尺寸、能耗、和價格方面超越電子管的巨大優勢。那個時代叫晶體管時代。

然后到了大家熟悉的集成電路時代，經過光電子時代，又到了現在這個大家生疏的硅基光電子時代。這些不同的時代實際上是借助了半導體芯片的發展而實現更迭的。

要想真正地了解芯片，第一步就是把下面的四個基本概念弄清楚。什么是電子？什么是光子？什么是光譜？什么是半導體？這些名詞聽起來好像非常的玄，但實際上非常好理解。

電子和光子都是構成物質的基本粒子。大量電子形成的電流，通過金屬導線傳輸；大量光子形成光束通過光波導傳播。不同的是，電子和電子之間可以相互作用：兩束電流相交將形成短路，合為一體；光子之間的相互作用就不那么容易了：兩束光相交叉以后，仍然各走各的路。

光譜是光子的特征，表達光子的不同頻率分布。可以分別攜帶不同的信息。因此，在一根電線里只可以傳輸一路信號；而在一根光波導里則可以同時傳輸許多路不同的信號，使通信容量和速度大大地增加。

半導體指常溫下導電性能介于導體與絕緣體之間的材料。常見的半導體有硅、鍺、砷化鎵、磷化銦等，硅是各種半導體中，在商業應用上最為成功的一種。

在半導體晶體中，人為地摻入特定的雜質元素，使其導電性能可控，這一特性使半導體成為制造電子芯片的最佳材料。

半導體中電子和光子擁有強烈的相互作用：加電可以發光；光照可以發電。它們是光電子芯片的基礎。

自從1897年湯姆森證實電子的存在以來, 電子經歷了電真空時代（1905），晶體管時代（1947），來到了集成電路（1958）時代。所謂的集成電路也就是電子芯片的一種，就是我們大家每天都聽說的，每天都在用的IC芯片。集成電路主要以硅為材料，它的一個重要特征就是僅僅只利用電子來作為信息載體。

借助于摩爾定律的推動以及芯片公司和儀器設備公司的努力，電子產業目前已經成為了全球經濟不可分割的一部分。

光子這個名稱是在1927年才被人們所認可。經歷了空間光學時代和集成光學時代，專家學者們在30多年以后，借用了電子學發展的路徑，利用類似的技術和方法，將大型的光學元器件集成到了一個小小的基片上，形成了光子芯片。光子芯片的重要特征就是僅僅利用光子作為信息載體，不需要電子的參與。

由于光子之間的相互作用非常微弱，無法形成低成本、低能耗的功能器件，產業規模受限到基本上沒有。因此，目前光子芯片的研發重點主要聚焦在基礎研究，而不是產業發展。

前面講到的兩個芯片，都有自己非常嚴重的局限性。比如電子芯片，由于受到電子本身在半導體內運動速度的限制，它的主頻只有幾個GHz。而光子芯片，由于光子本身的弱相互作用，基本上也就是一個無源器件，功能非常受限。

為了解決上述問題，人們自然而然地就想到了將光子和電子結合起來。實際上正是人們在研究光子的過程中，發現它與電子有密不可分的關系：半導體材料可以通過吸收光子而產生電子，也可以通過電子的湮滅而發射光子。由此開啟了光電子學的研究，并發明了激光器和光探測器——最簡單的光電子芯片。光電子芯片的時代始于上世紀70年代。為了獲得更強的光電效應，早期的光電子芯片基本上都是在砷化鎵、磷化銦材料上制作的。但是，這些材料既難于加工，也很難做成像硅單晶那么大的尺寸。因此用它來制作的光電子芯片成本很高，且由于集成度不高，功能非常單一。

光電子芯片的出現，給了通信行業，特別是光通信行業，一個高速發展的機會。由于高性能激光器、摻鉺光放大器、波分復用器的出現，通信系統不僅由電纜傳輸切換到光纖傳輸，而且從單線單路發展到單線多路，大大地提升了通信系統的傳輸速率和通量，降低了成本，使許多家庭感受到了光纖到戶的好處，為即將到來的大數據時代奠定了基礎。

通過對上述三種芯片的介紹可以發現：由于電子和光子的固有特性不一樣，他們在產業應用方面的發展也是完全不同的。
縱觀半導體芯片的發展歷史，電子芯片/集成電路、光子芯片、光電子芯片都僅僅只是其中的一個特殊階段。而半導體芯片目前的發展趨勢就是將它們有機地統一集成到硅襯底上，形成一個嶄新的 “硅基光電子芯片”。

眾所周知，指導微電子發展的 “摩爾定律” 基本失效，集成電路芯片的發展趨于飽和。在另一方面，由于大數據、云計算、物聯網的發展，信息高速公路體系中各層分支線路上的數據流量也大大增加。為了提高芯片的速度，美國等發達國家和地區的科學家在90年代中期就提出了光互連的概念，使 “光進銅退” 延伸到了芯片內部。他們使用與硅基集成電路技術兼容的技術和方法，將微納米級的光子、電子、及光電子器件集成在同一硅襯底上，形成硅基光電子芯片。

說的通俗一點，就是將光子加入到目前的硅基集成電路中間去，形成一個既快速又便宜的新型大規模光電集成芯片。
目前多家大型公司已經對硅基光電子芯片進行了商業化的批量生產，而且以硅基光電子芯片為核心的光模塊也在數據中心和通信系統中獲得了大量應用，硅基光電子產業鏈已經形成。

硅基光電子芯片可以在算力、能耗、成本、尺寸方面帶來極大的優勢。人們預期，它不僅可以支撐大數據時代的通信設備、數據中心、超級計算、物聯傳感、人工智能等產業，更有可能在不久的將來進入消費市場。