金刚石热沉片：面向光通信产业具备颠覆性产业化应用价值

全球网络数据流量呈指数式扩张态势，传统硅基光互连工艺逐步触及固有物理性能上限，研发新一代光子功能材料已成为光通信产业发展的刚需。金刚石依托优异光学特性与量子本征属性，逐步成为光通信领域核心功能性基材。

金刚石能够在光通信赛道释放突出应用潜力，核心源于其多项逼近理论极限的理化参数，综合性能全面超越现有商用光学材料体系。

其一，金刚石具备超宽光谱透光区间。高纯金刚石透光波段覆盖 225 nm 深紫外波段、全部可见光波段至远红外乃至微波频段，在通信主流 1310 nm、1550 nm 工作波段本征光吸收损耗极低，可作为光波导、光学元器件基底材料高效传输光信号，为研制全波段低损耗集成光子回路提供可靠材料支撑。

其二，金刚石室温热导率可达 2200 W/(m・K)，导热性能为纯铜的 5 倍、单晶硅的 10 倍以上。高功率、高集成度光通信光子集成芯片（PIC）内部激光器、光调制器、光放大器等器件产热集中，热集聚问题直接制约器件输出性能、运行稳定性与服役周期。金刚石凭借超高导热能力，可作为集成式散热衬底与片上热沉快速导出器件余热，显著提升光电器件额定输出功率与长期运行可靠性，是下一代高密度光子集成芯片配套热管理的最优技术方案。

其三，金刚石拥有优异力学强度与化学稳定性。材料硬度、耐磨性能优异，可规避加工、长期服役过程中的物理损伤；同时化学惰性突出，耐酸碱介质侵蚀，复杂极端工况下理化性能无明显衰减。该特性使金刚石基光电器件具备超长使用寿命与宽泛环境适配能力，在海底光缆中继设备、空间星载通信等高可靠免维护光子系统中具备不可替代的应用价值。

依托上述极限级材料性能，金刚石在光通信领域的落地应用从基础材料、核心光电器件、整机系统三大维度同步推进。

一、无源光学元器件应用层面

依托金刚石高透光性与环境稳定性，可制备高性能光学窗口、光学透镜与高稳定反射膜层。结合其 2.4 左右高折射率与超低光损耗特性，可加工金刚石基光波导；通过干法刻蚀、离子注入等微纳工艺在金刚石衬底制备亚微米级光波导通道，实现光场高度约束传输，光信号损耗维持极低水平。该技术为研制超小型、低损耗片上光互连网络奠定工艺基础，亦是未来三维光子集成技术突破带宽与集成密度约束的关键支撑。

二、有源光电子器件应用层面

金刚石可作为超高导热衬底与 InP、GaAs 等 Ⅲ-Ⅴ 族半导体激光器完成一体化键合，制备输出功率数倍提升、可靠性大幅优化的大功率激光二极管，可直接应用于大容量光纤通信发射端。针对光调制器件，金刚石自身非线性光学系数虽无突出优势，但结合其高速载流子输运特性与石墨烯等二维材料异质集成，有望研制低功耗、超高速电光调制器件。在单光子功能器件领域，金刚石晶格色心结构是公认性能优异的固态单光子发射源；将片上单光子源与光波导、光学滤波元件、光电探测器单片集成，可实现全芯片化量子光源模组，推动量子保密通信设备小型化、工程化落地。

三、量子光通信系统应用层面

金刚石材料已从分立元器件基材升级为量子通信系统核心载体。基于金刚石单光子源制备的量子密钥分发（QKD）发射芯片，可稳定生成合规量子密钥；前沿研究证实，金刚石色心电子自旋结构可充当量子存储单元与量子中继节点。长距离量子通信传输过程中光子损耗会限制信号直达传输距离，金刚石色心具备较长量子相干时间，可短时存储量子态，并依托量子纠缠交换技术搭建分段式量子中继链路，支撑全球广域量子互联网构建。金刚石材料体系是可规模化、可集成长距离量子通信网络的核心候选平台。

产业发展前景研判

金刚石在光通信行业的产业化落地将分多阶段稳步推进：短期阶段，金刚石作为超高导热热沉的应用路径成熟度最高，可快速实现商业化批量落地，直接优化现有各类光模块综合性能；中期阶段，基于金刚石光波导的高端无源光学器件、集成式单光子源芯片将逐步进入特种应用市场，覆盖高可靠国防通信、商用量子保密通信网络；长期维度，伴随金刚石单晶生长、微纳精密加工工艺持续突破，多功能一体化金刚石光子片上系统将实现工程应用，单片基材同步完成光信号发射、调制、路由、探测及量子信息运算功能，推动光通信网络向超大带宽、低能耗、智能化、原生量子安全防护方向迭代升级。

化合积电是一家专注于宽禁带半导体材料研发、生产和销售的国家高新技术企业，核心产品有多晶金刚石(晶圆级金刚石、金刚石热沉片、金刚石窗口片、金刚石基复合衬底)、单晶金刚石(热学级、光学级、电子级、硼掺杂、氮掺杂)和金刚石复合材料等，引领金刚石及新一代材料革新，赋能高端工业化应用，公司产品广泛应用于激光器、GPU/CPU、医疗器械、5G基站、大功率LED、新能源汽车、新能源光伏、航空航天和国防军工等领域。