信息光子技術(shù)發(fā)展與應用研究報告（2024年）

信息光子技術(shù)發(fā)展與應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）信息光子是光子學與信息科學交叉領域為信息和能量載體的光子行為及其應用的科學。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、培育產(chǎn)42.歐盟框架計劃均將光子技術(shù)作為重點投資領域；2019年歐洲國家電子元件和系統(tǒng)領導地位聯(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，力爭在集成制造領域占據(jù)主導地位。具體來看，3.日本5層、精密光學組件等光學器件；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，其目標為實現(xiàn)創(chuàng)新光學與無線網(wǎng)絡聯(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、光連接領域研究與應用進展（一）高速率是光連接領域最核心的發(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)部的服務器與交換機之間，以及電信網(wǎng)絡的客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，但耦合工藝相對復雜；800G和論證中，預計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標準已立項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仍是當前廣泛應用的主流速率，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，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，應用場景不斷泛化通信由電信網(wǎng)絡、行業(yè)專網(wǎng)和數(shù)據(jù)中心互聯(lián)等傳統(tǒng)領域向智算/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計與磁輻射、高度保密性等優(yōu)勢，應用于無法使用傳統(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致功耗和延遲研究熱點和業(yè)界主流路線，相關研究持續(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計能力，從可插拔光模塊到CPOCPO國內(nèi)外標準體系初步建立。標準化進展與技術(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用范疇日益拓展三、光算存領域研究與應用進展（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-光轉(zhuǎn)換方式進行替代。在線訓練需要在物理結(jié)構(gòu)上執(zhí)行學習和推理脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡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）應用需找準定位，實用領域?qū)⒉粩鄶U展應用需揚長避短找準定位。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，光計算的應用需找準定位，生物醫(yī)藥、金融投資等多個應用領域發(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、光采集領域研究與應用進展（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)異的光學和生物力學性能，不僅可集成于仿生手、子探針17，如基于病毒、細胞、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，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、準分布式和分布式。傳感是利用光纖的散射效應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)應力應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、應變等頻移BOTDA溫度、應變等相關峰BOCDA溫度、應變等拉曼散射強度ROTDR溫度偏振態(tài)檢測偏振SOP溫度、振動、應變、彎曲等光學干涉相位、強度—溫度、壓力、振動、應變、彎曲等Research預測，2024至20311.3%，我國已成為最主要應用市場。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）未來十年關鍵指標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)領域研究與應用進展（一）新型顯示領域多條技術(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，又細分為白光（WO）LED和精細金屬掩膜版的形態(tài)精確輸送至對應像素，實現(xiàn)全彩顯示，適用于各種尺寸應用，較低。Micro-LED顯示是以微米量級為周期，在薄膜場效應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)字時代新型顯示應用場景不斷拓展對于創(chuàng)建逼真虛擬環(huán)境至關重要。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先景、提升交互體驗，預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對物體進行成像或圖像增強與轉(zhuǎn)換導航制導等軍事應用具有重要作用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，滿足各類科學研究和工業(yè)應光電成像技術(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、跨領域交叉融合研究與應用進展（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用對感知的極致光網(wǎng)絡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)外標準化工作有序開展。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：晶體管為基礎單元，相同基礎單元標準化程度高：標準單（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，在光子領域占據(jù)重要配。III-V族芯片制備為非標準化專有工藝，具體工序和工藝實現(xiàn)細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.氮化硅芯片工藝學氣相沉積（LPCVD）和等離子增強化學氣相沉積（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)療領域代表產(chǎn)品如激光雷薄膜鈮酸鋰芯片器件當前帶寬為70~100GHz，預計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