在AI大模型持续扩容、数据中心带宽需求指数级暴涨的背景下，行业对光子芯片形成高速传输、低功耗、灵活调度三大硬性需求。赛道竞争逻辑已经发生转变，行业比拼不再只关注芯片上层架构设计，底层光学材料的物理性能已然成为决定下一代光通信升级、光子计算算力突破的核心关键。当下主流光子材料各有取舍，尚且没有一个材料能通吃所有场景的全能方案。

在众多材料当中，硅光（SiPh）芯片是当前商业化最成熟且已经实现量产的光子材料，依靠热光效应完成信号调节，调制响应速度偏慢，运行静态功耗居高不下。磷化铟（InP）作为传统有源光子芯片的核心材料，调制速率表现突出，但材料外延制备工艺复杂，适配晶圆尺寸偏小，规模化量产的成本很难压低。薄膜铌酸锂（TFLN）拥有高速、低光损耗的调制优势，可一旦应用于光子存算场景，短板会十分突出，器件必须持续通电才能维持正常工作，断电之后内部存储的运算权重会直接丢失。锆钛酸铅（PZT）和钛酸钡（BTO）作为新型铁电电光材料正在快速发展，这两种材料具备高速电光调制与非易失存储双重特性，如今已是全球光子计算领域重点探索的前沿方向。

想要理清这场围绕材料展开的行业竞争，首先要区分光子芯片两大核心应用领域，二者对材料的核心指标要求完全不同。一条是以数据中心互连、相干光通信为主的光传输赛道，选材核心聚焦高速调制、低功耗与批量生产能力。另一条面向AI存算一体、通用光子计算，这条赛道对材料额外增加了硬性要求，需要依靠非易失特性长期保存运算权重。同一种材料在两条赛道中能够发挥的价值完全不同，这也是分析材料路线时，需要区分应用场景看待的根本原因。

光子芯片材料梯队版图

结合技术成熟程度、产业化落地进度与不同场景适配能力，当前市面上的光子芯片材料可以划分出清晰的三大梯队。

第一梯队包含硅光与InP两类商用成熟的传统材料。硅光可以复用成熟CMOS制造工艺，芯片集成度高、生产成本可控，长期占据中低速至高速光互连市场。InP有源发光与高速调制性能业内领先，始终占据长距离传输、高端相干光通信核心市场。切换到光计算场景，硅光依托完整成熟的上下游产业生态，是目前光子计算商业化落地的核心基础。InP受限于复杂工艺与高昂制造成本，无法单独作为算力承载载体，仅少量制作外挂激光光源搭配其他材料集成，始终没有形成规模化算力产品。

第二梯队是面向高端高性能场景的TFLN。在光传输领域，TFLN是当前1.6T、3.2T超高速光模块、高端共封装光学系统（CPO）的最优性能方案，调制速度快、驱动电压低、光损耗小，是高端光通信迭代升级的核心材料。在光计算领域，哈佛大学Marko Lončar团队研发出全球首片异质集成光源/探测器的TFLN相干光子计算芯片，并采用HyperLight流片产线完成晶圆级制备，达到中试样机阶段，验证TFLN高速并行计算能力。

第三梯队是面向下一代算力的前沿铁电材料，主要是PZT与BTO。二者研发重心集中在光子存算一体场景，同时保有优异的电光调制能力。依托材料原生铁电非易失属性，断电后依旧可以留存运算权重，从材料层面补齐硅光、InP、TFLN三类材料在算力功耗层面的短板。

光子计算场景下的优劣博弈

单纯依托产业化阶段开展梯队定性归类，不足以说明各种材料之间在性能上的差距。下面我们以光子存算一体应用场景出发，围绕这条赛道的核心需求，可以从非易失存储特性、电光调制效率、运行功耗、调制响应速度、硅基工艺兼容度、量产工艺难度六个维度，横向对比五条材料各自的优势与技术取舍。

非易失存储能力是区分各材料应用领域的核心分水岭。硅光、InP、TFLN都不具备自主留存运算权重的能力，运行过程中要么搭配外置存储芯片，要么持续通电刷新运算状态，才能稳定维持计算流程。PZT与BTO依靠铁电极化特性，能够长期保存运算权重，天然适配存算一体架构，也是铁电材料区别于其余材料路线最核心的竞争力。

电光调制效率层面，硅光依靠热光或者载流子完成调制，整体调制效率表现平平。InP采用电吸收调制方式，高速性能突出，但会产生难以化解的散热压力。TFLN依托普克尔电光效应，调制带宽能够突破110GHz，工作驱动电压低于2V，可直接对接成熟CMOS驱动电路。PZT同样基于普克尔效应工作，电光系数约100pm/V，达到TFLN的三倍以上，同等光路长度下可以实现更强的调制效果。BTO理论层面电光性能上限更高，但相关工程化验证工作还未落地。

运行功耗维度，硅光热光调制方案空载功耗维持在毫瓦区间，随着芯片集成规模持续扩大，光路之间的热串扰问题会不断加剧，InP电吸收调制运行过程中也会持续产生热损耗。TFLN器件需要长期通电才能稳定工作，静态功耗无法清零。PZT依托铁电非易失特性，芯片静态功耗无限趋近于零，上海交大相关团队实测数据显示，材料单次信号调谐能耗仅0.05纳瓦，相比硅光热光方案低八个数量级。BTO理论功耗水平极低，暂时缺少晶圆级实测数据作为支撑。

调制响应速度方面，硅光调制器带宽约60-70GHz，已经逼近硅基材料物理性能天花板。InP 电吸收调制器EML本征电子迁移率高，理论带宽可达100-110GHz，硬件速度上限高于硅光，但散热问题会限制实际性能发挥。TFLN无载流子色散、热损耗极低，当前商用的调制器3dB带宽稳定超过110GHz，在1.6T、3.2T乃至下一代6.4T超高速数据中心光模块、CPO中具备不可替代的带宽优势。而铁电材料的表现同样出色，上海交大2026年7月发布成果，四款PZT电光调制器全部实现大于100GHz电光带宽，也是目前公开报道中PZT器件的最高性能指标。BTO体相电光系数253pm/V，远高于TFLN、PZT，理论可支撑超高速调制，不过相关性能验证工作仍在推进。

从硅基工艺集成兼容性维度考虑，硅光与CMOS制造工艺天然适配，集成难度最低。而InP则需要多层外延堆叠，大多采用异质混合集成方案。TFLN的生产就更为复杂，需要离子切割、高精度晶圆键合等特殊工序，并且材料本身无法发光，必须搭配InP外置激光光源配套使用。PZT相对简单，仅通过液相沉积、磁控溅射即可完成薄膜制备，能够兼容现有CMOS量产产线。最困难的是BTO，其超薄薄膜很难实现大面积均匀生长，整片晶圆内部性能一致性难以把控，是产业化进程的突出难题。

量产工艺成熟度方面，硅光整套工艺体系完善，全球格罗方德、台积电、联电、Tower半导体以及国内多家企业均开放标准化硅光PDK与MPW流片，8英寸12英寸量产线成熟。全球主流量产的InP衬底以4英寸为主，6英寸良率低、扩产周期在3-5年。同时需要用到的MOCVD 外延设备单价超千万，单片晶圆制造成本是硅十几倍。TFLN已经吸引多家代工厂布局，但专属工艺流程特殊，全球整体产能仍处于爬坡阶段。PZT已经完成4英寸低成本晶圆批量制备，配套推出全球首套光子集成专用工艺开发套件。BTO薄膜大面积组分均匀性、氧空位缺陷难以管控，整片晶圆性能波动极大，至今没有成熟的4英寸及以上晶圆量产方案，仅在清华实验室实现4英寸BTO外延样品。

综合各维度表现能够看出，不同材料路线做出的取舍，本质是高速传输性能与算力能效、产业落地成熟度与前沿技术先进性之间的双向权衡。

光子芯片材料全球产业布局

从产业落地视角来看，各类光子材料在性能指标、制造难度、量产成本上的显著分化，直接决定了全球不同区域企业的技术选择与商业化推进节奏。而各家企业在材料路线上的选择各有不同，海外厂商依托成熟半导体代工生态优先布局硅光与TFLN标准化平台，国内产业链则同步推进多条路线并行突破，在硅光商用交付、TFLN全链条自主配套、PZT前沿光子计算领域形成差异化竞争优势。

硅光路线：商业化基本盘稳固

硅光是目前产业化最完善、市场份额最高的光子材料方案，也是 AI 算力互连与CPO技术落地的核心载体。据集邦咨询TrendForce预测，CPO在AI数据中心光通信模块中的渗透率将稳步攀升，至2030年前后有望达到约35%。

海外市场中，英特尔、思科、Ayar Labs、Lightmatter 一众头部企业持续深耕硅光技术平台，Lightmatter 主攻硅光光子计算加速芯片，Ayar Labs 聚焦数据中心光互连方案，二者均是赛道全球标杆厂商。硅光的产业链成熟也导致晶圆代工环节竞争尤为激烈，格罗方德在2022年推出行业首款整合300毫米光子工艺与射频CMOS一体化的GF Fotonix平台，2025年完成新加坡硅光子代工厂AMF收购，按照营收规模计算一跃成为全球规模最大的纯硅光子代工厂，直接挤压Tower、联电的生存空间。

同样，国内硅光产业链也已经形成完整闭环。

TFLN路线：正在加速光传输产业化

面向1.6T、3.2T超高速光互连与高端相干通信场景，TFLN凭借超高带宽、低驱动电压的独特性能，成为高端光模块迭代的核心材料，赛道商业化进程正持续提速。虽然当前TFLN整体市场规模基数较小，2025年全球薄膜铌酸锂调制器市场规模约仅为0.35亿美元，市场份额不足5%；但QYResearch预测，未来随着高速光模块批量上量，2032年市场规模将达到7.4亿美元，2026-2032年CAGR高达55.4%。

在国际上，HyperLight是由哈佛实验室孵化的TFLN赛道标杆初创企业。2026年3月和联电及其旗下联颖光电达成三方深度合作，落地6英寸、8英寸晶圆级TFLN芯粒量产平台，产品覆盖数据中心可插拔光模块、长距相干通信、共封装光学多个场景，这次合作也被行业视作TFLN正式迈入晶圆代工规模化量产的标志性事件。在光子计算方向，海外多所高校基于TFLN搭建光子计算原型样机，但没有企业规划商用算力芯片落地。

视线回到国内，本土企业已经搭建起完整自主的TFLN产业链，覆盖上游薄膜晶圆、中游高速调制器芯片、下游器件封装全环节，核心市场瞄准高速相干光模块与高端CPO。

铁电材料路线：性能优越但商业化还早

在PZT、BTO材料领域，国内外市场都尚未大规模商用，全球光子计算芯片市场份额不足 1%。海外研究布局以高校实验室基础探索为主，欧美多所院校开展PZT、BTO薄膜光子器件研究，工作重心集中在薄膜生长工艺与电光基础性能测试，整体停留在学术研究阶段，距离产业化落地还有很长周期。

但在国内，PZT路线已经形成全球领先优势。2024年11月，中科院半导体所李明团队联合国科大杭州高等研究院邱枫团队，2024年11月采用液相沉积＋磁控溅射复合工艺，实现4英寸PZT薄膜晶圆低成本批量制备，研发出全球首套对外公开的PZT光子集成工艺开发套件库。2026年7月，上海交大集成电路学院张永、苏翼凯团队联合兰州大学田永辉团队、国科大杭高院邱枫团队，研发出带宽突破100GHz的薄膜PZT电光调制器，依托材料铁电非易失特性，在4英寸PZT氮化硅复合晶圆上单片集成16通道并行光路架构，搭载20组拓扑调制单元，打造出可重构光子计算芯片，算力密度达到266TOPS/mm²，单次信号调谐能耗仅0.05纳瓦。两项里程碑成果证明，PZT技术已经从单一调制器件研发，升级为完整可运行的光子计算阵列，国内团队打通薄膜制备到芯片设计全链条自主技术。

同为铁电材料的BTO路线在全球整体研发进度相对滞后，海内外研究机构仅能完成实验室小型器件试制，不存在成熟晶圆级批量制备方案，短期之内很难实现产业落地。

结论

纵观这场光子芯片底层材料竞争，各类技术路线并非相互取代的零和博弈，异质混合集成将成为行业长期演进的主流方向。从行业发展可以看出，算力与通信融合的需求持续迭代，单一材料体系难以兼顾超高带宽传输与低功耗存算双重诉求，多材料协同架构能够充分释放不同光学介质的差异化优势。未来产业发展的核心逻辑，将围绕场景定制化集成展开，依托多元材料的性能互补，持续打开 AI 算力网络与下一代光通信的性能边界。