光子芯片领域研究重点和发展趋势分析

发布时间：2024-03-03 09:16

光子芯片领域研究重点和发展趋势分析

沈湘1，于杰平1，王丽1,2*

摘要：【目的】在问题导向、应用导向驱动下，分析光子芯片领域的全球竞争态势、重点发展方向和主要发展趋势，旨在为光子芯片研究领域的管理决策人员和科研人员提供信息参考。【文献范围】对光子芯片领域的科技领先国家的政策文献、一流学术期刊、企业翘楚资讯进行了检索与分析。【方法】采用元分析方法和层次分析法，遴选光子芯片前沿学术与工业最新进展，对光子芯片领域的政策文献、科技文献和新闻资讯进行归纳和总结。【结果】分析了美欧日以及我国在光子芯片领域的资助政策，从芯片设计软件、材料与器件、计量测试、异构集成与封装4个研究方向梳理了光子芯片现阶段的关键发展问题与相关重要进展，并简要阐述了目前主要的发展趋势。【局限】光子芯片涉及的研究内容丰富，本文仅从宏观层面把握其在信息科技领域的重点研究方向和主要发展趋势，无法涵盖全部细分方向、微观研究内容及相关研究进展。【结论】光子芯片的优良特性使其成为全球集成电路产业“后摩尔时代”的潜在颠覆性技术之一，将迎来一个关键的产业爆发期，但我国仍面临着诸多基础研究问题和技术发展挑战。

关键词：光子芯片；光子集成电路；全球竞争态势；研究重点；发展趋势

引? 言

光子芯片（Photonic Chip），也称光电子芯片或光子集成电路（Photonic Integrated Circuit，PIC），采用光波（电磁波）作为信息传输或数据运算的载体，一般依托于光波导介质来传输光信号，将光信号和电信号的调制、传输、解调、处理等进行功能集成。光波长在百纳米到 1 微米量级，使光子芯片不必像电子芯片那样追求工艺尺寸的极限缩小，就能有更多的性能提升空间。1969 年，美国诺基亚贝尔实验室（Nokia Bell Labs）Miller SE 首次提出了集成光学的概念 [1]。人工智能、5G、工业物联网以及自动驾驶等新兴领域的蓬勃发展，不仅带动了全球数据的爆炸式增长，算力需求急剧增加，也带来了显著的能耗问题（如图 1 所示）。随着集成电路产业逐步进入后摩尔时代，光子芯片采用全新的芯片设计思路，具有低功耗、低时延、高算力以及不易受到温度、电磁干扰和噪声变化的影响等优良特性，使其成为突破现有电子芯片设计和算力瓶颈的有效途径之一。从国家战略安全和战略需求的角度，光子芯片可以解决很多数据处理时间长、无法实时处理、功耗高等应用领域的关键问题，在光通信、光互连、光计算、激光雷达、生物传感和光量子等领域展现出诱人的发展前景 [3]。本文采用元分析方法（Meta-Analysis）和层次分析法，对光子芯片在信息科技领域的政策文献、科技文献和新闻资讯进行归纳和总结，分析其全球竞争态势、重点发展方向和主要发展趋势，旨在为光子芯片研究领域的管理决策人员和科研人员提供信息参考。

1 光子芯片的全球竞争态势

当前，光子芯片正处在一个关键的发展节点。随着摩尔定律濒临极限，美欧日科技发达国家围绕光电产业发展纷纷进行了系统的部署和行动，以抢占光子技术发展先机，布局高端芯片产业链。在中美贸易摩擦和中美科技脱钩等多重因素作用下，我国对光子芯片产业日渐重视并推出了多项国家政策和地方政策，光子芯片有望成为我国“换道超车”的一条路径。

1.1 美国

美国一直注重光电产业的发展，早在 1991 年就成立了美国光电子产业振兴会（Optoelectronics Industry Development Association, OIDA）。2013年，美国国家研究委员会（NRC）更新了《光学与光子：必要技术》（Optics and Photonics: Essential Technologies）报告 [4]，提高了美国政府、产业界和学术界对光子技术的重视程度。2014 年，美国国家科学技术委员会发布《用光学和光子学打造更加光明的未来》（Building a Brighter Future with Optics and Photonics）报告以促进光学与光子基础研究与早期应用研究，支持生物光子学、微弱光光学和单光子技术、复杂媒介成像、超低功耗纳米光电子、研究人员易获取的制造设施、奇异光子研究（如相干辐射、太赫兹、X 射线）和关键光子材料的国内来源

7 方面研究 [5]。2014 年，美国由产学研组成建立了“国家光子计划”产业联盟，白宫还公布了“国家制造业创新网络（NNMI）计划”以确保美国在先进制造业领域的全球领先地位。NNMI 于 2015 年成立美国集成光子制造研究所（AIM photonics），旨在打造美国端到端光子生态系统 [6]。2022 年，美国白宫发布的《国家先进制造业战略》中提出将通过集成光电、纳电子制造、异构集成研发设施建设等技术方案，加快微电子学和半导体制造业创新 [7]。美国国防部将光子学视为关键技术之一，国防部高级研究计划局（DARPA）持续资助研发项目促进光子芯片技术的军事和商业应用：（1）从

2008 年开始先后资助了“超高效纳米光子芯片间通讯（Ultraperformance Nanophotonic Intrachip Communications, UNIC）” 项目和“ 光学优化嵌入式微处理器（Optically Optimized Embedded Microprocessor, POEM）”项目以开发和 CMOS 兼容的光子技术用于高通量通讯网络；（2）2018 年宣布了第二阶段电子复兴计划项目“通用微光学系统激光器（Lasers for Universal Microscale Optical Systems, LUMOS）”和“极端可扩展性光子学封装（Photonics in the Package for Extreme Scalability, PIPES）”，旨在

通过三维异构集成开发高性能光子芯片以实现人工智能、相控阵、传感器和数据处理等领域的突破性发展；（3）2019 年启动“未来计算系统”项目，旨在研究基于知识 / 推理的引擎，具备深度学习能力、高算力和低功耗的集成光子芯片；（4）2021 年DARPA 联合半导体研究联盟（SRC）及产业界财团启动联合大学微电子学计划（JUMP）2.0，先进单片和异构集成（新型光电互连结构和先进封装）和高性能节能器件（支持下一代数字和模拟应用的新型材料、器件和互连技术）为其拟解决的关键研究主题。

1.2 欧洲

光子学是欧盟的关键使能技术之一，欧盟一直关注并开发颠覆性光子学技术。为了发展硅光子芯片，2002 年以来欧盟先后设立了“ 基于CMOS 工艺的光子互连层（Photonic Interconnect Layer on CMOS, PICMOS）”“ 光子库与制造技术（PLAT4M）”“III-V 族半导体量子点和量子点材料的异质集成（SEQUOIA）”等项目，旨在联合欧洲的领先企业、研究机构以及潜在用户，打造硅光技术的全产业链。欧盟“地平线 2020（Horizon 2020）计划”也资助了多个光子芯片研发项目，如：（1）2022 年 ELENA 项目，致力于开发基于绝缘体上铌酸锂（LNOI）的光子平台，计划为 LNOI 技术开发一个完整的欧洲工业供应链，包括 LNOI 晶圆制造、用于代工服务的高良率制造工艺、包含 PDK 的设计软件以及 LNOI PIC 的封装等 [8]；（2）2023 年PATTERN 项目，致力于采用先进混合集成平台的下一代超高速集成微波光子电路研发，计划开发世界上第一个用于 100GHz 以上超高频微波光子学的工艺设计套件（PDK）和封装设计套件（ADK）[9]。欧洲技术平台 Photonics21 在 2019 年发布了《欧洲的光时代》（Europe’s age of light）报告为 2021—2027 年欧洲光子学界制定了研究计划和优先事项 [10]；2023年，Photonics21 又发布《新视野：通过光子学确保欧洲的战略自主性》报告，强调了先进光子学技术在欧盟战略价值链和工业生态系统中的重要性，涉及高性能计算与量子计算、增强与虚拟现实技术、数字基础设施、工业 5.0 与制造业、空间与防御、可再生能源等领域 [11]。作为欧洲光子学研究的首要国家之一，德国联邦教育和研究部（BMBF）自 2002年起就启动实施了“光学技术 - 德国制造（Optical Technologies - Made in Germany）” 研究框架计划，长期资助光学领域研究 [12]，并于 2010 年发布了《光子学议程 2020》战略报告 [13]；2017 年，德国科学基金会（DFG）将“ 超快信号处理的电光集成系统”设为优先资助项目之一以发展光子集成技术 [14]。荷兰政府也通过国家增长基金资助集成光子学生态联盟 PhotonDelta 开展光子芯片项目，加速技术创新以巩固和提升集成光子学世界领导者地位。此外，作为《欧洲芯片法案》建设内容的一部分，2022 年西班牙发布第十个经济复苏和转型战略项目“PERTE Chip”，以加强尖端微处理器和替代架构、集成光子学和量子芯片的研发。英国也很重视光子学的发展。英国皇家物理学会在 2018 年发布了《光子学的兴起》报告，指出光子学对解决英国政府工业战略中的人工智能、清洁增长、未来流动性、老龄化社会等挑战至关重要 [15]；

2021 年，英国政府发布《英国创新战略：创造引领未来》（UK Innovation Strategy ：Leading the future by creating it）报告，将电子学、光子学和量子学确定为七大关键战略技术之一 [16]；2021 年，英国光子学领导小组发布的《2035 年英国光子学愿景》报告中预计英国光电产业规模到 2035 年将增长到 500 亿英镑，成为英国生产率最高的三大制造业之一 [17]；2023 年，英国发布《国家半导体战略》，计划投资混合和异构集成、光子集成、人工智能硬件、新材料及制造技术等新兴半导体技术，确保在未来半导体技术领域处于世界领先地位 [18]。

在量子科学发展趋势下，欧盟还将光子学及光子芯片视为量子科学的重要技术解决途径之一。2022 年，欧盟发布的《量子旗舰计划战略研究和产业议程》将光子学列为其实现未来量子计算目标的技术途径之一 [19]；德国 BMBF 发布的《量子系统研究计划》里也详细探讨了 BMBF 如何在未来 10 年内为光子学和量子技术研究创建保障机制 [20]。

1.3 日本

为推动光子技术发展，1980 年日本成立了光产业技术振兴协会（OITDA）。由于光电领域的重大技术发明多源于美国，早期日本政府主要是靠引进外国技术进行消化吸收，后期则是自主创新。日本将光电融合的光网络视为未来半导体重点研究内容之一，2010 年开始组织实施“光电融合系统基础技术开发（PECST）”等项目，作为内阁府支持的尖端研究开发资助计划之一，旨到2025年实现“片上服务器”以及“片上数据中心”；2021 年，日本发布的《半导体和数字产业战略》实施计划中，将光电融合作为重点技术进行部署，强调光模块搭载、芯片间超短距离光布线、芯片内光布线连接三步走路线，以实现超低功耗光电融合系统。2022 年，日本经济产业省提出日本半导体产业振兴基本战略，主要分为三步：（1）紧急强化用于物联网的半导体基本产能；（2）通过日美合作开发下一代半导体技术；（3）通过全球合作研发未来技术，重点包括光电融合技术和量子计算。

1.4 中国

我国在光子芯片相关研究领域也较早进行了布局。2016 年，国务院印发的《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》，要求做强信息技术核心产业，推动光通信器件等核心基础硬件的保障能力，加紧布局后摩尔定律时代芯片相关领域。2017 年，在工业和信息化部电子信息司指导下，中国电子元件行业协会牵头编制并发布了《中国光电子器件产业技术发展路线图（2018—2022 年）》，提出提高核心光子器件国产化率、提升集成光通信器件能力的产业发展目标。“十三五”期间，在科技部的“光电子与微电子器件与集成”重点专项、国家自然科学基金重大项目等相关研究计划的支持下，我国在光子芯片研究领域取得了较好的发展。“十四五”期间，光电子器件及集成技术是国家自然科学基金委信息科学领域的重点资助内容之一，科技部也设立了“信息光子技术”重点专项和“变革性技术关键科学问题”重点专项下设的“铌酸锂薄膜重要片上光子器件研究”项目支持我国光子芯片技术的进一步发展。在复杂的国际环境因素推动下，国家层面对光子芯片产业日渐重视并出台了多项政策，上海、北京等各地政府也纷纷响应布局发展光子芯片技术，相继启动光子芯片中试线平台和产业发展规划，光子芯片领域迎来了国产替代的机会，国内市场持续扩大。2017 年，我国工信部正式批复同意武汉建设国家信息光电子创新中心，该中心由光迅科技、烽火通信、亨通光电等国内多家企业和研发机构共同参与建设，汇聚了国内信息光子领域创新资源，承载着解决我国信息光子制造业“关键和共性技术协同研发”以及“实现首次商业化”的战略任务，着力破解信息光子“缺芯”的局面。2018 年，中国信科宣布我国首款商用“100G 硅光收发芯片”正式投产。光子芯片有望成为我国在集成电路领域“换道超车”的重要机遇。

2 光子芯片发展的重点方向

按照微电子产业的分类，本文将光子芯片的重点发展方向分为光子芯片设计软件、光子材料与器件、计量测试以及异构集成与封装。

2.1 光子芯片设计软件

光子学设计生态系统仍处于发展阶段。器件级仿真已发展成熟，但更高层次的仿真还有待进一步发展，如晶圆级自动化测试、设计规则检查、版图与原理图检查器和设计测试工具，以及如何方便的提取非线性、功率处理、相干长度、无杂散动态范围（Spurious Free Dynamic range, SFDR）等关键的二阶参数 [21]。

工艺设计套件（Process Design Kit, PDK）让设计与制造几乎完全分离，是微电子领域的伟大创新之一。目前，硅光子领域也在专用工具和设计流程开发方面投入了很多工作。Luxtera 是第一家基于

Cadence 环境开发先进设计套件的公司，Lumerical、Optiwave、photon design 和 Synopsys 已经开发出专门的 TCAD 级的光子系统仿真工具。2022 年，全球电子设计自动化（EDA）软件工具领导者 Synopsys和网络通讯设备公司 Juniper Networks 宣布为行业提供一个可通过 PDK 访问的硅光子学平台，包括单片集成激光器、光放大器和一套完整的光子组件 [22]。我国华大九天、上海曼光也在致力于光电芯片 PDK开发。然而这些 PDK 的功能是有限的，真正的光电协同设计能力和光子设计自动化（PDA）工具还有待发展 [23]。2023 年，爱立信、IBM、英特尔和三星获得美国国家科学基金会 5000 万美元研发经费开发下一代半导体的整体设计方法，支持研究人员开展材料、器件、架构、系统和应用的集成方法研究 [24]。

2.2 光子材料与器件

光子芯片使用的材料可以分为硅（Si）和硅基衬底材料（如 SiGe/Si、绝缘体上硅）、磷化铟（InP）、砷化镓（GaAs）、碳化硅（SiC）、以氮化镓（GaN）和氮化硅（Si3N3）为代表的 III-V 族化合物等半导体材料，铌酸锂（LiNbO3）、钽酸锂（LiTaO3）、磷酸钛氧钾（KTiOPO4）等晶体材料，以及相变聚合物、二维材料等新型材料。目前较为成熟的材料体系为硅基材料和磷化铟材料。使用硅和硅基衬底材料制成的光子芯片也就是硅光子芯片，通过在同一硅晶圆上集成多个相同或不同功能的硅基光子器件，实现同一芯片上一种或多种光信号的传输处理。完整的光子芯片由光源、光波导、调制器、探测器等关键器件组成。二氧化硅（SiO2）、硅、氮化硅、铌酸锂、砷化镓、磷化铟等光子材料各有特色，每种光子材料平台具有不同的理想功能。不同光子材料对应具有不同性能优势的光子器件，如用 III-V族材料制作激光器光源、单光子源、调制器，用氮化硅材料制作宽谱低损耗光波导，用铌酸锂材料制作调制器，用锗（Ge）材料制作探测器等 [25]。

由于硅是间接带隙材料，发光效率低，不适合做光源，因此需要结合 III-V 族半导体、Ⅳ族半导体等其他材料及量子点结构解决硅光子芯片的光源问题，而集成、高效的硅基发光光源一直是光子芯片研究领域的热点和难点之一 [26]。目前，光子芯片的标准化制造路线尚未确立，一个主要原因是其核心器件光波导往往需要具备超低传输损耗、小弯曲半径、高调制效率 3 项重要特征，而传统光子材料和加工技术难以同时满足这 3 方面要求 [27]。此外，尚未有薄膜铌酸锂、相变材料、二维材料等新兴光电材料的标准化流片工艺，这也制约了光子芯片的快速发展。受到光学衍射极限的限制，如何通过光子材料及结构的设计将光场压缩至深亚波长尺度，利用光场调控大幅增强光与物质相互作用，也是纳光电子与光子芯片领域有待深入研究的一项关键科学问题 [28]。为了实现高集成度、高稳定性的三维光子芯片，光波导之间的耦合和交互问题也是一个重要的研究关注内容 [29]。

2.3 计量测试

在集成光路的研发过程中，对材料的表征、工艺的计量以及光电器件的测试是必不可少的环节。为了满足不同的测试要求，计量和检测系统通常需要在各种环境参数（例如，温度、湿度、气体、光照等）条件下进行。光子芯片使用的材料、结构和工艺较多，其计量和检测解决方案需要适应更广泛的技术以满足不同制造商的需求。纳米材料、二维（2D）材料、三维（3D）器件、光子器件特别是纳光电子器件对工艺误差极为敏感，如何进行高精度的实时原位检测、继而实现实时自动化修复成为未来大规模集成光子芯片的关键计量和检测技术。量子、神经形态等新计算模型的发展也将推动未来的计量和检测技术。2022 年，美国国家标准与技术研究院与美国 AIM Photonics 达成一项合作研发协议，将设计电气校准结构用于测量和测试芯片电子性能，使光子芯片的运行速度达到 110 GHz[30]。在数据科学和人工智能推动下，建模和仿真、大数据分析和虚拟计量将在未来发挥更大作用，并将融入计量的各个方面 [31]。了解计量数据和信息之间的相互作用、最佳反馈、前向反馈和实时过程控制是重建计量与工艺技术两者关系的关键。此外，基于模型的精确模拟在测量设计和优化中变得越来越重要，以确保在所需的结果置信度范围内进行正确类型和合适数量的测量，并避免过多（时间和金钱损失）或过少的测量（控制损失）。未来混合或组合计量技术的使用也将会增加。

2.4 异构集成与封装

为实现大规模光电集成芯片的产业应用，通常需要充分发挥各种材料的优异特性，通过异质 / 异构集成将不同种类、多功能的光子器件集成到单个芯片或系统上以实现最佳性能。异质 / 异构集成（Heterogeneous Integration）是一种能够充分发挥多种材料优势的新兴技术，可以克服单片光子芯片的限制，将不同材料体系性能最优的器件集成到单一芯片或系统上从而形成系统级集成芯片，提升光子芯片的集成度和总体性能并扩展功能，成为目前解决单一材料体系芯片技术瓶颈的一种有效途径 [32]。一直以来，异构集成也是光子芯片技术的关键和难点，涉及很多结构与工艺的兼容性问题 [33]。

根据集成的元器件是否采用同种材料，光子芯片的集成工艺可以分为单片集成和混合集成。单片集成是经过相同制作工艺，将不同元器件集成在同一衬底上的一体化技术。单片集成避免了混合集成带来的封装问题，具有结构紧凑、尺寸小、功耗低、可靠性强等优势，是实现大规模集成的关键技术途径，但单片集成实现起来有较大技术难度，且目前存在多材料兼容、集成度的提高带来光路 - 电路检测以及芯片散热的问题。单片集成较为成熟的材料体系为硅基材料和磷化铟材料，硅基材料难以集成光源等有源器件，磷化铟材料成本较高且难以大规模集成。混合集成是将使用不同材料、不同制作工艺制造出来的元器件组合安装在同一衬底上，关键工艺技术是利用光子引线键合技术、分子晶圆键合技术、硅通孔技术进行光互连与电互连实现混合集成。混合集成的优势是能够发挥各种材料的优势，提升各功能器件的性能，实现无源光波导与有源器件之间较自由的结合，避免不同材料间的晶格失配，工艺相对简单，但存在封装较复杂、成本较高、集成度较低等问题。2023 年，瑞士洛桑联邦理工学院和IBM 通过晶圆键合技术研制出基于混合氮化硅 - 铌酸锂光子平台的超低损耗的快速调谐激光器 [34]。

目前，发展较成熟的硅光子学面临的挑战之一是芯片和光纤之间的耦合，为此必须采用低成本高效益的封装方法，需要发展与之相应的高精度、标准化、大规模的封装工艺平台。共封装光学（Copackaged optics）作为一种新型光学封装技术，将光学元件直接封装在芯片内部，通过更短的光学路径和更紧密的光学耦合实现更高密度的光电集成和更高性能的光通信系统，对于多材料体系异构集成器件及芯片至关重要。2021 年，台积电推出一种光电共封装技术——紧凑型通用光子引擎（COUPE）硅光子异质集成技术，将光学引擎和多种计算和控制专用集成电路（ASIC）集成在同一封装载板或中间器件上，以满足不断增长的数据中心需求 [35]。

此外，通过光电异构集成技术在同一芯片上集成光子元件和微电子元件实现芯片间及芯片内光互联可有效解决微电子芯片目前的发展瓶颈问题，也是实现“扩展摩尔（more than Moore）”和“超越摩尔（beyond CMOS）”的重要技术路线 [33]。光电集成芯片的技术要求比光子芯片更为苛刻，需要在同一

衬底材料上对光、电功能单元同时进行优化，存在着结构设计、前后工序之间的相容性问题。光电集成芯片整体上仍处于研究开发阶段，目前主要应用于集成有源器件及其外部驱动电路。

3 光子芯片主要发展趋势

3.1 光通信与光互连为光子芯片的重要应用场景

光子芯片可以实现高速、大容量的数据传输，是光通信和光模块的重要组成部分，可用于数据中心、通信网络等场景。光通信产业事关国计民生，由此成为各国战略布局的重要领域。5G、6G 等新兴网络技术的快速发展，对数据传输容量和传输速率提出了更高要求，促使光子芯片技术成为光通信和光互联产业链的制高点。其中，光调制器作为高速、长距离光通信系统的重要组成部分，随着 5G 网络、数据中心等新型基础设施建设需求的不断增长迎来市场发展新机遇，调制技术向更高带宽、更高速率和更高集成化方向发展 [36]。

目前，国际上 400G 光模块已进入商用部署阶段，800G 光模块样机研制和技术标准正在推进中，而 1.6Tb/s 光模块成为下一步全球竞相追逐的热点。2021 年，国家信息光电子创新中心、鹏城实验室在国内率先完成了 1.6Tb/s 硅光收发芯片的联合研制和功能验证，实现了我国硅光互连芯片技术向 Tb/s 级的首次跨越；2022 年，日本 NTT 公司演示了每波长超过 2 Tb/s 的数字相干光信号的传输和接收，并在240km 的光放大中继器传输实验中实现了 2.02 Tb/s的光信号 [37]。此外，英特尔于 2021 年成立面向数据中心互连的集成光子学研究中心，以加快光互联输入 / 输出（I/O）技术在性能扩展和集成方面的创新，重点研究光子技术和器件、CMOS 电路和链路架构以及封装集成和光纤耦合，以满足未来 10 年及之后对能效和带宽性能的要求 [38]。

3.2 硅光子芯片迎来技术快速迭代与产业链高速发展

在数十年内，硅光子芯片经历了概念提出和原理验证、分立式器件、异构集成、单片集成和光电器件高度集成 5 个发展过程（如图 2 所示），有机结合了成熟微电子和光电子技术，成为“超越摩尔”的新技术路径，是光通信与光计算等技术的基础，在激光雷达、医疗传感、智能运算等各个领域呈现出广泛的应用潜力。

阿里巴巴达摩院发布的《2022 十大科技趋势》中，硅光子芯片是其预测的趋势之一；随着云计算与人工智能的大爆发，预计硅光子芯片在未来 3 年将承载绝大部分大型数据中心内的高速信息传输。2023 年，英国激光器研发公司 Vector Photonics 表示正在推进面向人工智能芯片应用的 1 瓦全半导体光子晶体结构表面发射激光器的商业化进程，其光功率将至少是现有 DFB 激光器的 10 倍 [40]。

基于硅光子芯片的车载激光雷达（LiDAR）产品，随着无人驾驶、智能驾驶应用也逐步成熟。2022 年，美国加州大学伯克利分校的研究团队将 128×128 像素的焦平面开关阵列（FPSA）和 MEMS 单片集成到10 × 11 mm2 的硅光子芯片上，实现了 16,384 像素的调频连续波（FMCW）成像激光雷达，分辨率获创纪录突破 [41]。

3.3 光子芯片为人工智能、量子计算等新兴计算带来突破性发展

光子芯片作为一种硬件架构新方案，为人工智能、量子计算等新兴计算机前沿技术提供了发展新机遇。利用光子计算方法替代传统电子计算方法将有望解决摩尔定律困境以及冯 ? 诺依曼架构的算力、功耗问题。

当电子芯片算力的增长远低于人工智能计算需求的增长（如图 3 所示），人工智能光子芯片，以微纳光子集成为基础的光子芯片结合基于光学计算的人工智能数据处理系统成为应对未来低功耗、高速率、大数据量信息处理能力的关键。其中，光子神经网络近年来得到快速发展 [43]。2021 年，华中科技大学和中国科学院上海技术物理研究所基于二维半导体的硅基同质器件，首次提出了类脑功能的“光电传感 - 计算 - 存储一体化”神经形态芯片架构 [44] 2023 年，中国科学院半导体研究所利用波分复用技术结合光的多模干涉研制出一款超高集成度光学卷积处理器，实验验证了手写数字图像特征提取和分类能力 [45]。Lightmatter、Lightelligence 等初创公司也纷纷致力于人工智能光子芯片研发。

光量子芯片采用传统的微纳加工工艺在单个芯片上集成大量的光量子器件来实现量子计算过程，具有高集成度、超高速度、超强并行性、超高带宽、超低延迟、超低损耗等优势。发展全固态集成的光子芯片，实现光子态的片上制备、传输、存储、探测，已成为量子信息技术走向规模应用的重要途径 [46]。

2021 年，我国正式成立国内首家光量子计算公司图灵量子 [47]；上海交通大学在实验上实现了单片集成

128 个全同量子光源的阵列芯片 [48]。2022 年，加拿大 Xanadu 团队与美国国家标准与技术研究所合作研发可编程光量子芯片 Borealis[49]，并证明了量子计算的优越性；美国宾夕法尼亚大学在光子芯片上开发了一种片上光学深度神经网络，消除了传统计算机芯片中 4 个主要耗时的影响因素：光电信号的转换、模拟信号到数字信号的转换、大内存模块和基于时钟的计算，在 9.3 mm2 的光子芯片上约 0.5 ns 内实现整个图像分类，标志着第一个完全在集成光子设备上以可扩展方式实现的深度神经网络 [50]。2023 年，北京大学与中国科学院微电子研究所等研究团队联合发展出了超大规模集成硅基光量子芯片的晶圆级加工和量子调控技术，制造出一款集成了约 2,500 个元器件的超大规模集成硅基光子学的图论光量子芯片，首次实现了片上多光子高维度量子纠缠态的制备与调控 [51]；英国初创企业 Wave Photonics 公司牵头 QPICPAC 项目，以实现快速、经济、高效地封装光量子芯片 [52]。全球各大光量子计算研究公司纷纷建立光量子芯片中试线，图灵量子也已启动国内第一条光子芯片中试线建设。

为了推进量子信息科学领域的研究，高效且可靠的量子光源至关重要。因为量子过程的随机性，创造一个按需产生的单光子光源也极具挑战性。2021 年，中山大学通过将量子点精确地集成在带有角向光栅的微环腔的波幅位置、并结合超低吸收的零场镜面高反结构，在国际上率先实现了可携带轨道角动量的高亮度固态单光子源 [53]。2022 年，澳大利亚悉尼科技大学、新南威尔士大学和麦考瑞大学结合六方氮化硼（h-BN）2D 材料和半球形固体浸没透镜光学元件，开发出可在室温工作的高纯度单光子源 [54]。2023 年，丹麦哥本哈根大学尼尔斯 · 玻尔研究所和德国波鸿鲁尔大学成功创造出两个相同的量子光源并开发出先进的纳米芯片，首次对两个光源进行精确控制并实现了量子力学纠缠 [55]；中国科学技术大学设计并制造出一个应用于铌酸锂芯片上低噪声的量子频率转换纳米光波导器件，由此构建了一个上转换单光子探测器 [56]。

3.4 新材料、新工艺持续提高元件集成度、缩小光子芯片尺寸

光子芯片技术还在不断迭代发展中，新材料、新工艺和新制造设备的持续发展，趋使光子元件尺寸不断缩小、光子元件密度不断提高。德国卡尔斯鲁厄理工学院研究人员在 2012 年提出的光子引线键合（Photonic wire bonding）技术可以实现不同光芯片、芯片与光纤之间的互联，其性能指标在持续研究中不断提高，进一步实现了光子元件小型化和高度集成 [41]。此外，2021 年，美国加州大学圣塔芭芭拉分校和瑞士洛桑联邦理工学院采用 CMOS 兼容的半导体工艺，首次实现了半导体激光器和非线性光频梳的单片全集成和功能化，为超低损耗氮化硅平台提供了高性能 III-V 族激光光源 [57]。2022 年，南京大学将飞秒脉冲激光聚焦于铌酸锂晶体材料内部，把光雕刻铌酸锂三维结构的尺寸，从传统的 1 微米量级首次缩小到纳米级，大大提高了加工精度 [58]。2023 年，中国科学技术大学与新加坡国立大学等首次利用新型二维材料 NbOCl2 的非线性过程实现了超薄的量子光源，厚度可低至 46 nm[59]。从长远来看，全光系统级芯片，即在尺寸更小的芯片上通过全光调控加载更多功能、拥有更大的存储密度及更高的运行效率，是光子芯片的发展趋势和发展目标，目前已在光通讯、量子计算机领域展示出了显著优势和发展前景。

4 结论与展望

进入 21 世纪以来，随着信息量的增长，特别是互联网的兴起对宽带速度的要求不断提高，新一代信息技术迅猛发展，全球光子芯片的市场规模不断攀升。“十三五”以来，随着中国制造 2025、互联网 + 等国家战略出台和国际环境的变化，我国光子芯片产业迎来了重大发展机遇，但仍存在基础研发薄弱、学科和研究碎片化、人才匮乏、系统架构研究与设计缺乏、工艺设备的研发实力薄弱等问题，致使我国产业创新能力较弱、产业链发展不均衡、核心高端光电子器件水平相对滞后。

为尽快占领科技战略制高点，加快实现高水平科技自立自强，对我国光子芯片发展提出以下建议：（1）增强原始创新能力，进行多层次协同创新突破，摆脱光子芯片设计软件受制于人、光子材料和高端光子器件严重依赖进口的局面，利用最先进的设备和工具开发和部署计量技术，突破高密、高速、可调等集成封装与测试工艺，促使工业界能够提高制造产量、芯片性能，加快新技术产品的上市时间，提升光子芯片领域的标准开发和制定方面的领导地位，以加强我国在光电子材料、设计、制造和封装方面的全球竞争力。（2）在中美科技合作有可能长期受阻的情况下，与德国、英国、荷兰、西班牙和加拿大等国加强国际合作伙伴关系，构建多样化和竞争化的产业供应链，利用其在高端光子器件方面的技术优势，促进我国成为投资、研究、创新、合作和采用关键技术的可靠合作伙伴，实现我国光子芯片技术跨越发展。

致谢

特别感谢中国科学院半导体研究所魏钟鸣研究员、石暖暖青年研究员对本文的指正。

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