信息光子技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用研究報告（2024年）

信息光子技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用研究報告中國信息通信研究院2024年12月 1 1 3 6 7 7 12 14 17 23 24 24 29 31 33 36 38 38 40 42 43 46 47 47 50 51 53 55 56 56 58 60 61 61 64 65 75 76 78 78 80 83 85 85 88 1 2 2 6 7 8 12 13 15 17 23 25 25 31 33 34 35 37 40 46 52 56 62 63 64 66 73 75 76 78 79 81 85 88 10 28 32 39 45 47 59 65 70 71 791一、信息光子技術(shù)總體發(fā)展態(tài)勢（一）信息光子是光子學(xué)與信息科學(xué)交叉領(lǐng)域為信息和能量載體的光子行為及其應(yīng)用的科學(xué)。綜上，“信息光子”2激光與介質(zhì)相互作用、使介質(zhì)物理性質(zhì)發(fā)生光呈現(xiàn)包含光顯示、光成像等，采用光信號進行信息的顯示與成像。1Photonics21-EuropeanTechnologyPlatform,Insightsintothedynamicphotonicsmarket(2019-2022)Europeanprowess,emergingtrends,andthepathtowardsglobalphotonicsadvancements,PhotonicsInMarketDataReport2024,2022SPIE,Optics&PhotonicsIndustryReport,2022.3（二）全球主要經(jīng)濟體高度重視光子能力構(gòu)建展規(guī)劃、實施國家專項推動技術(shù)研發(fā)與平臺建設(shè)、培育產(chǎn)42.歐盟框架計劃均將光子技術(shù)作為重點投資領(lǐng)域；2019年歐洲國家電子元件和系統(tǒng)領(lǐng)導(dǎo)地位聯(lián)合執(zhí)行體年度戰(zhàn)略計劃將多項光子技術(shù)作為重鏈與生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建，力爭在集成制造領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。具體來看，3.日本5層、精密光學(xué)組件等光學(xué)器件；1980年成立光產(chǎn)業(yè)技術(shù)振興協(xié)會作為日本內(nèi)閣府支持的尖端研究開發(fā)資助計劃之一，其目標(biāo)為實現(xiàn)創(chuàng)新光學(xué)與無線網(wǎng)絡(luò)聯(lián)盟（IOWN2024年日本政府計劃為4.韓國2023年發(fā)布“未來顯示器研究開發(fā)推進戰(zhàn)略”和“顯示產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新戰(zhàn)6（三）市場規(guī)模穩(wěn)定增長，發(fā)展階段各有差異更高性能、更多場景應(yīng)用等下一代方向發(fā)展演進，在拉動有效投資、3,Photonics21-EuropeanTechnologyPlatform,Insightsintothedynamicphotonicsmarket(2019-2022)Europeanprowess,emergingtrends,andthepathtowardsglobalphotonicsadvancements,PhotonicsMarketDataReport2024,2027二、光連接領(lǐng)域研究與應(yīng)用進展（一）高速率是光連接領(lǐng)域最核心的發(fā)展訴求8直調(diào)直檢光模塊采用非歸零（NRZ）或四電平脈沖幅度調(diào)制（PAM4）碼型，通常應(yīng)用于數(shù)十公里及以內(nèi)的中短距離，典型場景包括數(shù)據(jù)/智算中心內(nèi)部的服務(wù)器與交換機之間，以及電信網(wǎng)絡(luò)的客9已實現(xiàn)量產(chǎn)，優(yōu)先實現(xiàn)對400Gb/s光模塊的平滑替代。其中，800G共享光源，功耗優(yōu)于InPEML方案，但耦合工藝相對復(fù)雜；800G和論證中，預(yù)計2025~2026年可初步實現(xiàn)商用；800GDR4/DR4+/1.6TDR8/DR8+同樣基于單通道2將實現(xiàn)量產(chǎn)；美國光模塊頭部廠商Coherent計劃推動波長間隔為模塊類型傳輸距離速率主流技術(shù)方案狀態(tài)8×100G800GVR830m/50m53.125GBPAM4VCSEL量產(chǎn)800GSR860m/100mVCSEL量產(chǎn)800GDR8500mEML+PIN、硅光量產(chǎn)800GDR8+2kmEML+PIN量產(chǎn)800G2×FR42kmEML+PIN量產(chǎn)800G2×LR410kmEML+PIN量產(chǎn)4×200G800GVR4/SR4TBD106.25GBPAM4VCSEL論證中800GDR4500m直驅(qū)EML樣品，即將量產(chǎn)800GFR4-500500m直驅(qū)CWDMEML標(biāo)準(zhǔn)已立項800GDR4+2km113.4375GBPAM4直驅(qū)EML+PIN樣品，即將量產(chǎn)800GFR42kmEML+PIN樣品，即將量產(chǎn)800GLR410kmEML+PIN樣品，即將量產(chǎn)8×200G1.6TVR8/SR8≤100m106.25GBPAM4VCSEL論證中1.6TDR8500m直驅(qū)EML+PIN樣品，即將量產(chǎn)1.6TDR8+2km113.4375GBPAM4直驅(qū)EML+PIN樣品，即將量產(chǎn)1.6T2×FR42kmEML+PIN樣品，即將量產(chǎn)1.6TFR82km直驅(qū)CWDM-10，EML+PIN量產(chǎn)時間待定1.6TLR810kmEML論證中100Gb/sQPSK仍是當(dāng)前廣泛應(yīng)用的主流速率，2024年是國內(nèi)400Gb/sQPSK/16QAM開啟規(guī)模部署的元年，下一代800Gb/s和領(lǐng)先廠商如美國Ciena已發(fā)布產(chǎn)品，主流方案包括基于200GBd或?qū)⒆鳛檫^渡型產(chǎn)品優(yōu)先于1.6Tb/s實現(xiàn)商用，第一代產(chǎn)品基于通道50Gb/sNRZ、100Gb/sPAM4、（二）多樣化技術(shù)方案助力傳輸交換容量提升系統(tǒng)容量（單通道速率×通道數(shù)量）的有效提升。多波段一體化光電以空分復(fù)用和空芯光纖為代表的新型光纖成為單纖容量倍增的通信研究機構(gòu)在歐洲光通信會議上報道了基于38芯3模的空分復(fù)用光纖，可實現(xiàn)22.9Pb/s光傳輸系統(tǒng)4?？招竟饫w方面，具備超寬頻段2024年微軟與南安普頓大學(xué)聯(lián)合宣布已實現(xiàn)雙層嵌套管結(jié)構(gòu)空芯光4https://www.nict.go.jp/en/pr插入損耗更低，但重構(gòu)時間較長；硅基光電子方案的重構(gòu)時間最短，但在矩陣規(guī)模和插入損耗方面有待優(yōu)化。谷歌智算中心已規(guī)模部署136×136端口陣列光開關(guān)，以解決集群靈活配置、擴容等迫切需求，（三）產(chǎn)業(yè)規(guī)模持續(xù)增長，應(yīng)用場景不斷泛化通信由電信網(wǎng)絡(luò)、行業(yè)專網(wǎng)和數(shù)據(jù)中心互聯(lián)等傳統(tǒng)領(lǐng)域向智算/超算求激光通信終端及內(nèi)部各類芯片器件具備較強的集成化小型設(shè)計與磁輻射、高度保密性等優(yōu)勢，應(yīng)用于無法使用傳統(tǒng)無線通信的場景。器，已能夠?qū)⒏咚倏梢姽夤庠磶拸?GHz提升到5.9GHz，單一芯片支持通信速率超過20Gb/s。此外，水下可見光通信成為熱點，采用450~550nm藍綠光作為通信載體，目前實驗系統(tǒng)最高傳輸速率達（四）片間和片上芯片級光互連成為研究熱點1.片間光互連CPO低能耗特性助力數(shù)據(jù)中心綠色升級。傳統(tǒng)技術(shù)采用可插拔交換芯片與可插拔光模塊之間較長的信號傳輸距離導(dǎo)致功耗和延遲研究熱點和業(yè)界主流路線，相關(guān)研究持續(xù)開展。VCSEL陣列方案在6KuchtaDM.DevelopmentsofVCSEL-basedtransceiversforCo-Packaging[C]//OpticalFiberCommunicationConference.OpticaPublishingGroup,202Transmitter[C]//2024IEEEInternationalSolid-StateCircu術(shù)實現(xiàn)需全面的硬件平臺和工藝設(shè)計能力，從可插拔光模塊到CPOCPO國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)體系初步建立。標(biāo)準(zhǔn)化進展與技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展程8/product/report/co-packaged-op以實現(xiàn)激光器之間的互操作。外設(shè)組件互連特別興趣組（PCI-SIG）9/product/report/co-packaged-opti2.片上光互連制出片上微處理器，使用光實現(xiàn)處理與存儲單元間的雙向互連通信，二是實現(xiàn)了頂部光芯片與底部晶圓之間的低損耗倏逝耦合，1310nm2015,528(7583):534-511SzczerbaK,PielsM,GuzzonR,etal.53GbpsOpticalLinkwitHeterogeneously-IntegratedTransmitter,andMonolithically-IntegratedReceive（五）未來十年功能性能與應(yīng)用范疇日益拓展三、光算存領(lǐng)域研究與應(yīng)用進展（一）光電混合架構(gòu)占據(jù)主流，算法不斷優(yōu)化光計算按照所處理的數(shù)據(jù)形態(tài)可分為通用數(shù)字光計算和專用模AI最重要的模型之一，因具有良好的泛化能力和魯棒性而被廣泛應(yīng)-光轉(zhuǎn)換方式進行替代。在線訓(xùn)練需要在物理結(jié)構(gòu)上執(zhí)行學(xué)習(xí)和推理脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究工作仍然集中在理論分析和簡單結(jié)構(gòu)的驗證上，12張楠等.光計算和光電智能計算研究進展[J].中國激光,2024，51(18):1800003.中強計算的架構(gòu)分別為非馮·諾依曼和馮·諾依曼架構(gòu)，處理方式算的優(yōu)越性已在伊辛問題和最大割/最小割問題的解決上得到驗證。（二）應(yīng)用需找準(zhǔn)定位，實用領(lǐng)域?qū)⒉粩鄶U展應(yīng)用需揚長避短找準(zhǔn)定位。光計算在短期內(nèi)仍定位為電計算的適用于低比特模型計算。同時，當(dāng)前模擬光計算基于光電混合架構(gòu)，算全面取代電計算是不合理且不必要的，光計算的應(yīng)用需找準(zhǔn)定位，生物醫(yī)藥、金融投資等多個應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。實現(xiàn)自然場景千類對象識別、跨模態(tài)內(nèi)容生成等人工圖像處理領(lǐng)域，通過全光卷積運算進行多種卷積操作，如空間微分、識別問題轉(zhuǎn)化成的光子伊辛問題求解算法比傳統(tǒng)圖形處理器（GPU）（三）產(chǎn)業(yè)生態(tài)尚不成熟，布局重點出現(xiàn)轉(zhuǎn)移成果商業(yè)轉(zhuǎn)化；微軟推出了用于純模擬域迭代的光電混合計算系統(tǒng)//////Appliance集成計算芯片，但截至目前尚無更新進展；Lighton則從光計算領(lǐng)域（四）存儲性能不斷提升，距離實用道阻且長級條件除外光存儲需依賴光與物質(zhì)的相互作用來存儲信息。傳統(tǒng)光子集成技術(shù)的快速發(fā)展以及芯片級光互連的滲透進一步推動了對（a）光/電存儲元件的尺寸對比（b）光/電存儲元件的存儲器訪來源：OpticalRAMandintegratedopticalmemor14TheoniAlexoudi,etal.OpticalRAMandintegratedopticalmemories:asuapplications,2020,articlenumber:91光機械存儲光機械存儲寸儲來源：Photonic(computational)memories:tunablenanophotonicsfordatastorageandcomputing1515Lian,C.etal.Photonic(computational)memorNanophotonics,2022,11:3823-3854./10.1515/nanoph-2022-0089應(yīng)用潛力巨大但仍存較多挑戰(zhàn)。對大規(guī)模集成、新型材料（五）未來將向集成、融合、泛在等趨勢演進四、光采集領(lǐng)域研究與應(yīng)用進展（一）光采集技術(shù)向集成化與分布式方向演進光采集是用于收集和處理光信號實現(xiàn)對目標(biāo)物探測或物理量感反射轉(zhuǎn)換為光信號的變化進行探測，光纖傳感可進一步細(xì)分為點式、等（二）車載激光雷達路徑多元化集成趨勢明顯通過直接測量發(fā)射激光與回波信號的時間差來計算目標(biāo)物體的距離16/product/rep（三）生物醫(yī)療光傳感前沿方向正在廣泛探索柔性光傳感具備優(yōu)異的光學(xué)和生物力學(xué)性能，不僅可集成于仿生手、子探針17，如基于病毒、細(xì)胞、活體組織等不同生命體的生面等離子體共振傳感19，可通過探測由分子間相互作用引起17/ar18/度變化來檢測生物分子，具備高靈敏度和實時性。（四）分布式光纖傳感是長距場景的理想方案光纖具備多重光敏物理效應(yīng)，是分布式光傳感的理想承載介質(zhì)。光纖傳感按照檢測原理的不同可分為點式、準(zhǔn)分布式和分布式。傳感是利用光纖的散射效應(yīng)對整個光纖沿線在空間和時間上進行傳20/10.1DAS橋梁隧道等土木結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變檢測多采用布里淵光時域反射21/urlid/42.1266.TN.20240419.14光纖光柵透/反射譜—溫度、應(yīng)變、折射率、濃度等瑞利散射強度OTDR光纖長度、平均損耗等相位Φ-OTDR震動、聲波等偏振POTDR震動、偏振模色散等頻率OFDR高精度、高分辨率插損和回波損耗等布里淵散射頻移BOTDR溫度、應(yīng)變等頻移BOTDA溫度、應(yīng)變等相關(guān)峰BOCDA溫度、應(yīng)變等拉曼散射強度ROTDR溫度偏振態(tài)檢測偏振SOP溫度、振動、應(yīng)變、彎曲等光學(xué)干涉相位、強度—溫度、壓力、振動、應(yīng)變、彎曲等Research預(yù)測，2024至20311.3%，我國已成為最主要應(yīng)用市場。產(chǎn)業(yè)鏈上游主要包括光收發(fā)芯件多家國內(nèi)外企業(yè)均可實現(xiàn)量產(chǎn)，不存在明22/doi（五）未來十年關(guān)鍵指標(biāo)與成熟程度不斷提升發(fā)展趨勢。車載激光雷達作為自動駕駛智能感知的關(guān)鍵傳感器之一，汽車市場快速增長，激光雷達在乘用車前裝搭載的比例將逐步提升。23MIT,PhotonDelta.IntegratedPhotonicsSystemRoadmap-International(IPSR-IRoad分辨率和傳感距離，陣列光纖光柵、AI+分布式傳感、特種光纖傳感五、光呈現(xiàn)領(lǐng)域研究與應(yīng)用進展（一）新型顯示領(lǐng)域多條技術(shù)路線并行發(fā)展畫質(zhì)LCD液晶顯示發(fā)展成熟度高成本低，技術(shù)創(chuàng)新有效支撐顯示性能持續(xù)提升。LCD液晶顯示技術(shù)從上世紀(jì)七十年代初發(fā)展至今已經(jīng)顯示技術(shù)等已進入規(guī)模量產(chǎn)或工程研發(fā)階段。LCD液晶顯示在分辨蒸鍍工藝較為成熟，又細(xì)分為白光（WO）LED和精細(xì)金屬掩膜版的形態(tài)精確輸送至對應(yīng)像素，實現(xiàn)全彩顯示，適用于各種尺寸應(yīng)用，較低。Micro-LED顯示是以微米量級為周期，在薄膜場效應(yīng)晶體管光與非相干光組合構(gòu)成顯示用三色光源，又包括激光+熒光光源、激別為≤1.03mW/inch2、2.66mW/inch2,在彩色刷新時的功耗分別為≤16.58mW/inch2、17.66mW/inch2。（二）數(shù)字時代新型顯示應(yīng)用場景不斷拓展對于創(chuàng)建逼真虛擬環(huán)境至關(guān)重要。近眼顯示技術(shù)通過Micro-LED、（三）新型顯示市場空間廣闊我國保持領(lǐng)先景、提升交互體驗，預(yù)計未來兩年將成為拉動市場增24rma（四）成像技術(shù)從多維度突破人類視覺極限光電成像是指利用光電效應(yīng)對物體進行成像或圖像增強與轉(zhuǎn)換導(dǎo)航制導(dǎo)等軍事應(yīng)用具有重要作用26。微光成像技術(shù)的核心構(gòu)成25Omdia,OLEDDisplayMarketTracker-1Q24Analysis26陳錢.先進夜視成像技術(shù)發(fā)展探討[J].紅外與激光工程,2022,51(成像設(shè)備開展研究27，具有精度高、分辨率高、對環(huán)境魯棒性強和能 效支撐了超分辨成像技術(shù)發(fā)展，滿足各類科學(xué)研究和工業(yè)應(yīng)光電成像技術(shù)在光譜方面突破可見光范圍。人眼只能看至約380nm~780nm范圍的光，非可見光成像技術(shù)（五）未來五到十年LCD和OLED仍為主線六、跨領(lǐng)域交叉融合研究與應(yīng)用進展（一）連接+計算+存儲新范式推動算力擴展29rma能力彌補存儲能力的不足是重要發(fā)展方向，光計算+光互連、存算一（二）通感一體化光網(wǎng)絡(luò)協(xié)同架構(gòu)正在構(gòu)建地計算獨立感知的傳感系統(tǒng)已無法支撐各類新型應(yīng)用對感知的極致光網(wǎng)絡(luò)通感一體化包括基于分布式光纖傳感和基于相干信號G.dfos用于地面光傳輸系統(tǒng)的分布式光纖(Distributedfibreopticsensingsystem(Dedicatedscientificsensingsubm(ScientificmonitoringandreliabletelecommunicationsG.sup.VHSP點對多點無源光接入系統(tǒng)要求和每波長50andsensingconsidera（TheintegratedsensingandopticaltransCCSATC6WG1CCSATC6WG3CCSATC6WG4通感一體國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)化工作有序開展。ITU-T、國際（三）感算融合全光智能技術(shù)研究正在開展30WeiWu,TiankuangZhou,andLuFang.Ptransmission,andreconst七、材料工藝共性基礎(chǔ)研究與產(chǎn)業(yè)進展（一）光子材料多體系并存且處于不同成熟階段中已獲得廣泛應(yīng)用，薄膜鈮酸鋰（TFLN）將傳統(tǒng)體材料鈮酸鋰薄膜（二）光子集成正處于轉(zhuǎn)向規(guī)模發(fā)展的關(guān)鍵節(jié)點是將相同或不同功能的分立光芯片器件集成在一起，目前中小規(guī)模耗和更優(yōu)成本的需求日益迫切，將驅(qū)動PIC快速發(fā)展，形成技術(shù)進步來源：RoadmappingtheNextGenerationofSiliconPhot31SudipShekhar,etal.RoadmappingtheNextGenerationofSiliconPhotonics[J].NatCommun,2024,15(1):751.）：）：側(cè)重電子之間的互相作元單元統(tǒng)一：晶體管為基礎(chǔ)單元，相同基礎(chǔ)單元標(biāo)準(zhǔn)化程度高：標(biāo)準(zhǔn)單（三）集成制造和先進封裝是光子集成布局重點子集成的產(chǎn)業(yè)鏈條包含設(shè)計工具、制造工藝、封裝工藝、測試驗證、線，其發(fā)展不存在明顯的技術(shù)或成本障礙，未來五年將向光電協(xié)同、多芯片和系統(tǒng)級仿真設(shè)計的路線演進。產(chǎn)業(yè)化方面，國外多為EDA1.III-V族外延及芯片工藝III-V族材料由于光源和光放大特性優(yōu)勢，在光子領(lǐng)域占據(jù)重要配。III-V族芯片制備為非標(biāo)準(zhǔn)化專有工藝，具體工序和工藝實現(xiàn)細(xì)2.硅基光電子芯片工藝制和探測器在集成度、線性度、反射、增益帶寬積等方面包括增加/優(yōu)化處理工藝以減小側(cè)壁粗糙度，面向不規(guī)則圖形定制化設(shè)計圖形修正方案，針對不同材料/器件高度分別優(yōu)化金屬電極接觸3.氮化硅芯片工藝學(xué)氣相沉積（LPCVD）和等離子增強化學(xué)氣相沉積（PECVD）兩種4.鈮酸鋰薄膜及芯片工藝5.高端靶材工藝市場用ITO靶材的絕大部分市場，以及下游觸摸屏面板市場。鉻鉬鋁銅6.硅基微顯示性能。硅基微顯示技術(shù)以硅基材料作為背部驅(qū)動板，中中高低小中低高高低小長高高中中大中7.異質(zhì)集成工藝料集成向多材料異質(zhì)集成演進。以硅基光電子為基礎(chǔ)平臺，與III-V晶圓級鍵合和異質(zhì)外延生長兩種主要方式。晶圓級鍵合將兩塊同質(zhì)/8.異構(gòu)集成/混合集成工藝異構(gòu)/混合集成為重要發(fā)展方向。異構(gòu)/混合集成包括光芯片與電平面轉(zhuǎn)向立體，包含多種2.5D/3D集成封裝方式，其中3D倒裝為當(dāng)來源：RoadmappingtheNextGenerationofSiliconPhot9.光電單片集成工藝32SudipShekhar,etal.RoadmappingtheNextGenerationofSiliconPhotonics[J].NatCommun,2024,15(1):751.10.巨量轉(zhuǎn)移與微轉(zhuǎn)印上千萬顆芯粒的轉(zhuǎn)移，且轉(zhuǎn)移精度需滿足<±0.5um，典型轉(zhuǎn)移效率非常高，針對部分特殊材料和結(jié)構(gòu)工藝仍有待改進，需達到<±0.5μm（四）垂直整合、細(xì)化分工等多種制造模式并存InP、鈮酸鋰、SiO2/玻璃、有機物等材料體系以垂直整合模34https://laser.ofwe（五）各材料體系與異質(zhì)異構(gòu)集成工藝同步演進體化特征明顯。2035年車載傳感和生物醫(yī)療領(lǐng)域代表產(chǎn)品如激光雷薄膜鈮酸鋰芯片器件當(dāng)前帶寬為70~100GHz，預(yù)計2030年將提硅基光電子結(jié)合異質(zhì)異構(gòu)集成技術(shù)可大幅提升集成規(guī)模與器件八、光電融合研究進展與產(chǎn)業(yè)影響（一）光子與電子技術(shù)呈現(xiàn)協(xié)同互補融合關(guān)系 35MIT,PhotonDelta.IntegratedPhotonicsSystemRoadmap-International(IPSR-IRo比較內(nèi)容粒子特性費米子波色子靜止質(zhì)量m00運動質(zhì)量mehr/c20粒子間