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1、No.202410中國信息通信研究院2024年12月信息光子技術發展與應用信息光子技術發展與應用研究報告研究報告(2022024 4 年年)版權聲明版權聲明本報告版權屬于中國信息通信研究院，并受法律保護。轉載、摘編或利用其它方式使用本報告文字或者觀點的，應注明“來源：中國信息通信研究院”。違反上述聲明者，本院將追究其相關法律責任。本報告版權屬于中國信息通信研究院，并受法律保護。轉載、摘編或利用其它方式使用本報告文字或者觀點的，應注明“來源：中國信息通信研究院”。違反上述聲明者，本院將追究其相關法律責任。更名聲明更名聲明原“集智”白皮書更名為“集智”藍皮書?！凹恰彼{皮書將繼續秉承原有的編撰理念

2、和高質量標準，致力于提供有價值的信息和洞見。原“集智”白皮書更名為“集智”藍皮書?！凹恰彼{皮書將繼續秉承原有的編撰理念和高質量標準，致力于提供有價值的信息和洞見。前前 言言 在信息技術領域，光子是與電子并駕齊驅的基礎性支撐技術，具有廣泛應用潛力，在未來網絡、高性能計算、智能感知、新型顯示等領域前景廣闊，有望成為新質生產力的強勁引擎，對改造升級傳統產業、培育壯大新興產業、前瞻布局未來產業具有重要意義。同時，在微電子集成電路發展趨勢放緩背景下，光子技術不追求工藝尺寸的極限縮小，有望通過光電融合等新方式開辟“后摩爾時代”新賽道。經過五十余年發展，信息光子已涵蓋光采集、光連接（含光通信、光互連等）、

3、光算存（含光計算、光存儲等）、光呈現（含光顯示、光成像等）等分支方向，整體處于科技攻關與工程研發、應用探索與場景拓展、生態培育與產業壯大協同推進的多樣化發展階段。其中，光采集、光通信、光存儲、光呈現等傳統方向已規模部署，在光子材料與基礎工藝的持續創新支持下，不斷向更高性能、更多場景應用等下一代路徑發展演進。同時，芯片級光互連、光計算、新型存儲等新興方向不斷涌現，構建光電混合計算、計算與互連、存內計算、通感一體、感算融合等諸多新范式，在信息化全域的重要性更加凸顯。我國及美、歐、日、韓等全球主要經濟體均高度重視光子能力構建，圍繞光子技術產業發展進行了系列部署，爭奪“制高點”的國際競爭日益激烈。本報

4、告對信息光子的總體發展態勢、細分領域及共性基礎環節的最新研究應用進展、行業熱點趨勢問題等開展研究分析，希望為推動我國信息光子技術產業高質量發展做出貢獻。目目 錄錄 一、信息光子技術總體發展態勢.1（一）信息光子是光子學與信息科學交叉領域.1（二）全球主要經濟體高度重視光子能力構建.3（三）市場規模穩定增長，發展階段各有差異.6 二、光連接領域研究與應用進展.7（一）高速率是光連接領域最核心的發展訴求.7（二）多樣化技術方案助力傳輸交換容量提升.12（三）產業規模持續增長，應用場景不斷泛化.14（四）片間和片上芯片級光互連成為研究熱點.17（五）未來十年功能性能與應用范疇日益拓展.23 三、光算

5、存領域研究與應用進展.24（一）光電混合架構占據主流，算法不斷優化.24（二）應用需找準定位，實用領域將不斷擴展.29（三）產業生態尚不成熟，布局重點出現轉移.31（四）存儲性能不斷提升，距離實用道阻且長.33（五）未來將向集成、融合、泛在等趨勢演進.36 四、光采集領域研究與應用進展.38（一）光采集技術向集成化與分布式雙向演進.38（二）車載激光雷達路徑多元化集成趨勢明顯.40（三）生物醫療光傳感前沿方向正在廣泛探索.42（四）分布式光纖傳感是長距場景的理想方案.43（五）未來十年關鍵指標與成熟程度不斷提升.46 五、光呈現領域研究與應用進展.47（一）新型顯示領域多條技術路線并行發展.4

6、7（二）數字時代新型顯示應用場景不斷拓展.50（三）新型顯示市場空間廣闊我國保持領先.51（四）成像技術從多維度突破人類視覺極限.53 （五）未來五到十年 LCD 和 OLED 仍為主線.55 六、跨領域交叉融合研究與應用進展.56（一）計算+連接+存儲新范式推動算力擴展.56（二）通感一體化光網絡協同架構正在構建.58（三）感算融合全光智能技術研究正在開展.60 七、材料工藝共性基礎研究與產業進展.61（一）光子材料多體系并存且處于不同成熟階段.61（二）光子集成正處于轉向規模發展的關鍵節點.64（三）集成制造和先進封裝是光子集成布局重點.65（四）垂直整合、細化分工等多種制造模式并存.75

7、（五）各材料體系與異質異構集成工藝同步演進.76 八、光電融合研究進展與產業影響.78（一）光子與電子技術呈現協同互補融合關系.78（二）光電融合包含功能協同和硬件一體維度.80（三）后摩爾時代重要選項深遠影響產業格局.83 九、信息光子技術與應用前景展望.85（一）細分領域發展迅速應用場景進一步拓展.85（二）技術產業發展需要政產學研用協同推動.88 圖圖 目目 錄錄 圖 1 信息光子涵蓋范疇.1 圖 2 信息光子泛化為信息技術全域的硬件基礎技術.2 圖 3 信息光子賦能各類業務及應用、價值鏈不斷延伸.2 圖 4 全球光子產業市場規模.6 圖 5 信息光子發展階段與成熟度.7 圖 6 光連接

8、高速率發展趨勢.8 圖 7 多技術助力傳輸容量和交換容量提升.12 圖 8 新型光纖需要光電芯片器件配套使用.13 圖 9 光連接應用場景不斷擴展.15 圖 10 片間光互連典型應用場景.17 圖 11 光連接未來五至十年發展趨勢.23 圖 12 光計算技術體系框架.25 圖 13 基于光電混合架構的光計算系統.25 圖 14 光計算產業鏈.31 圖 15 光存儲技術體系框架.33 圖 16 光存儲與電存儲對比.34 圖 17 易失性和非易失性光存儲器的性能對比.35 圖 18 光算存未來五至十年發展趨勢.37 圖 19 車載激光雷達的原理和系統結構分類.40 圖 20 光采集未來五至十年發展

9、趨勢.46 圖 21 全球顯示市場規模.52 圖 22 光呈現未來五至十年發展趨勢.56 圖 23 光子材料分類與典型應用領域示例.62 圖 24 光子材料處于不同成熟階段.63 圖 25 主流材料體系的集成度.64 圖 26 重點光子集成制造與先進封裝工藝.66 圖 27 異構/混合集成技術路線比較及演進趨勢.73 圖 28 巨量轉移與微轉印技術示意.75 圖 29 不同光子材料平臺的典型制造模式.76 圖 30 基礎工藝未來五至十年發展趨勢.78 圖 31 光電融合帶來范式轉變.79 圖 32 功能維度光電融合.81 圖 34 光電融合發展階段.85 圖 35 信息光子各細分領域呈現交叉融

10、合趨勢.88 表表 目目 錄錄 表 1 直調直檢光模塊主流技術方案.10 表 2 光計算與電計算、量子計算對比.28 表 3 光計算企業及產品情況.32 表 4 光采集技術分類與比較.39 表 5 分布式光纖傳感技術比較.45 表 6 主流新型顯示技術路線對比.47 表 7 國內外通感一體化光網絡標準及研究進展.59 表 8 光子集成與集成電路技術比較.65 表 9 不同靶材在光顯示中的典型應用.70 表 10 硅基微顯示技術對比.71 表 11 光子與電子物理特性比較.79 信息光子技術發展與應用研究報告（2024 年）1 一、信息光子技術總體發展態勢（一）信息光子是光子學與信息科學交叉領域

11、（一）信息光子是光子學與信息科學交叉領域 上世紀 70 年代，荷蘭科學家首次提出“Photonics”概念，并將其定義為研究“以光子作為信息載體”和“以光子作為能量載體”的科學；我國在 1994 年香山會議上明確了“光子學”定義，是研究作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”是光子學中信息相關部分，是光子學與信息科學的交叉領域，將光子作為載體，通過操控光子實現信息的獲取、傳遞、處理和呈現。來源：中國信息通信研究院 圖 1 信息光子涵蓋范疇 橫向包含四個細分領域。信息光子貫穿信息生命周期全過程，已泛化為信息技術全域的硬件基礎技術，包括光采集、光連接、光算存和光呈現四大分支，

12、是信息基礎設施和感知基礎設施的重要構成部分。光采集包含光傳感、光探測等，采用光作為信息及參量的載體進行感知與探測。光連接包含光通信、光互連等，采用光信號進行信息的傳輸。光算存包含光計算、光存儲等，其中光計算是利用光的物理特性將信息映射至光域進行處理或數據運算的新型計算方式；光存儲通過信息光子技術發展與應用研究報告（2024 年）2 激光與介質相互作用、使介質物理性質發生變化來實現信息的存儲。光呈現包含光顯示、光成像等，采用光信號進行信息的顯示與成像。來源：中國信息通信研究院 圖 2 信息光子泛化為信息技術全域的硬件基礎技術 來源：Photonics211,SPIE2,中國信息通信研究院 圖 3

13、 信息光子賦能各類業務及應用、價值鏈不斷延伸 縱向價值鏈向四個層次延伸。光連接、光算存、光采集和光呈現四大分支領域均包含核心光子芯片器件和材料、模塊級產品、系統級產品，并進一步賦能上層各類業務及應用，價值鏈不斷延伸。由于篇 1 Photonics21 European Technology Platform,Insights into the dynamic photonics market(20192022)European prowess,emerging trends,and the path towards global photonics advancements,Photonics

14、 Industry and Market Data Report 2024,2024.2 SPIE,Optics&Photonics Industry Report,2022.信息光子技術發展與應用研究報告（2024 年）3 幅有限，本報告對光連接、光采集、光呈現、光存儲的研究分析重點聚焦于核心光子芯片器件和材料、模塊級產品層面；光計算為新興發展方向，也是未來產業重點布局方向之一，為全面闡述其最新進展與發展態勢，研究分析進一步擴展至系統級產品。（二）全球主要經濟體高度重視光子能力構建（二）全球主要經濟體高度重視光子能力構建 我國及美國、歐洲、日本、韓國等均圍繞包含信息光子在內的光學與光子技術產

15、業發展進行了系統部署，包括出臺戰略政策、制定發展規劃、實施國家專項推動技術研發與平臺建設、培育產業生態等。1.美國 國家戰略層面，1991 年成立光電子產業發展協會，旨在提升全球光電子市場競爭力；1998 年國防部將光子學列為美國 20 項關鍵技術之一；2013 年國家研究委員會發布“光學和光子學：對本國至關重要的技術”報告，將光學和光子技術視為戰略性底層支撐技術。技術研發、平臺建設和生態培育層面，2014 年成立“國家光子計劃”產業聯盟，支持基礎研究與早期應用研究計劃開發；2015 年成立集成光子制造研究所（AIM Photonics），聚集包含 IBM、英特爾、思科、Global Foun

16、dries、Synopsys、Cadence、麻省理工、斯坦福等在內的產業鏈各方、學術界和行業協會等百余家機構，共同推進產業鏈建設與光子集成工藝發展，面向原型制造和試產，AIM 目前已具備磷化銦、硅基光電子全套制造封裝能力；2021年成立“國家光學與光子學”核心小組，信息光子技術發展與應用研究報告（2024 年）4 提高技術人員數量、提升基礎創新與制造能力。巨頭企業層面，由谷歌、英特爾、思科、英偉達等行業巨頭主導，在芯片級光互連、光電融合等新興方向自驅式發展，以期在新一代技術中持續引領。2.歐盟 國家戰略層面，2007 年“FP7”和 2013 年“地平線 2020”科技框架計劃均將光子技術作

17、為重點投資領域；2019 年歐洲國家電子元件和系統領導地位聯合執行體年度戰略計劃將多項光子技術作為重點研究方向；2020 年發布歐洲新工業戰略，支持發展包含光子技術在內的對歐洲未來工業有重要戰略意義的關鍵使能技術。技術研發、平臺建設和生態培育層面，通過項目協調機制“自上而下”推動產業鏈與生態系統構建，力爭在集成制造領域占據主導地位。具體來看，2015 年啟動制造光子庫和技術項目，打造硅基光電子產業鏈；2016 年啟動 JePPIX、PIX4Life、PI-SCALE、MIRPHAB 等項目，開展磷化銦（InP）和氮化硅（SiN）光子集成、柔性有機發光二極管（OLED）、中紅外圖像傳感平臺建設與

18、技術研究；2017 年啟動 PIXAPP 項目，建設光子集成封裝平臺；2018 年啟動 OIP4NWE 項目，研究通過制造設備創新降低生產缺陷率和不穩定性，從而縮短生產周期；2021 年啟動INSPIRE 項目提升微轉印技術成熟度；2023 年啟動 Photonix FAB 項目布局硅基光電子和異質集成技術，為規模制造確立清晰路徑。3.日本 信息光子技術發展與應用研究報告（2024 年）5 日本起步較早，通過產業聯盟、國家項目、長期規劃等方式，重點布局上游元器件與材料、儀器裝備等產業基礎環節和光電融合等新興方向。具體來看，從十九世紀末即開始布局光子產業，研究光學涂層、精密光學組件等光學器件；1

19、980 年成立光產業技術振興協會（OITDA）；2010 年實施光子融合系統基礎技術開發計劃（PECST），作為日本內閣府支持的尖端研究開發資助計劃之一，其目標為實現“片上服務器”和“片上數據中心”；2019 年啟動“登月型”研發項目，提出面向 2050 年的研發目標；2020 年電信巨頭 NTT 等公司組建創新光學與無線網絡聯盟（IOWN），2024 年日本政府計劃為其“光電融合”技術下一代半導體開發項目提供補貼。4.韓國 韓國大力布局光顯示技術產業，發展速度和規模擴張較快，并通過政策引導推動“光融合”技術發展。具體來看，2019 年制定“光融合技術綜合發展計劃”，部署光通信、顯示、精密光學

20、儀器、能源照明、激光加工、生物醫療、安全防衛、光學測量、光學原材料與零部件、下一代光子技術等重點方向；2010 年發布“國家光技術路線圖”；2023 年發布“未來顯示器研究開發推進戰略”和“顯示產業創新戰略”，開發沉浸感、新一代自由形態、融合顯示、復合顯示、OLED 等優勢技術，并提出 2027 年反超中國的總體目標；2024 年發布“顯示產業重點支撐項目清單”，推動環保變色量子點材料和圖案化工藝、高效長壽命 OLED 藍色磷光發光材料與器件、紅綠藍（RGB）OLED信息光子技術發展與應用研究報告（2024 年）6 發光材料與精確干法蝕刻工藝等開展研發。（三）市場規模穩定增長，發展階段各有差異

21、（三）市場規模穩定增長，發展階段各有差異 全球光子技術市場規模超九千億美元。根據 Photonics21 等數據測算，2023 年全球光子市場規模（包含信息及能量，核心芯片器件及材料、模塊級、系統級產品等）約 9200 億美元，其中光算存市場規模約數十億美元，光連接市場約數百億美元，光采集和光呈現市場約數千億美元。未來幾年人工智能（AI）將拉動產業的持續增長，2027年市場規模預計可達 12000 億美元。來源：Photonics213，中國信息通信研究院 圖 4 全球光子產業市場規模 信息光子各細分領域處于不同發展階段。一是傳統方向持續演進，光通信、光采集、光呈現、光存儲等領域已實現規模應用

22、，并持續向更高性能、更多場景應用等下一代方向發展演進，在拉動有效投資、促進信息消費、賦能千行百業方面作用凸顯。二是新興方向創新活躍，3,Photonics21 European Technology Platform,Insights into the dynamic photonics market(20192022)European prowess,emerging trends,and the path towards global photonics advancements,Photonics Industry and Market Data Report 2024,2024.信息光

23、子技術發展與應用研究報告（2024 年）7 光計算、芯片級光互連、新型存儲等新興方向不斷涌現，構建新范式、開辟新賽道。三是細分領域交叉融合，如“計算+互連”融合、“存內計算”、“通感一體”、“感算融合”等正處于前沿研究、產品研發或應用探索初期發展階段。來源：中國信息通信研究院 圖 5 信息光子發展階段與成熟度 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展訴求（一）高速率是光連接領域最核心的發展訴求 速率迭代周期縮短，數據/智算中心應用主導驅動芯片需求。近年來人工智能快速發展，以 ChatGPT 為代表的大模型開發和應用取得巨大進展。大模型訓練推理需高性能計算支撐，單一計算設

24、備已無法滿足持續增長的算力需求，分布式架構通過多個節點并行訓練，不同節點之間需頻繁同步模型參數，對光連接性能提出大帶寬、低時延、信息光子技術發展與應用研究報告（2024 年）8 無丟包等更高挑戰。同時，數據/智算中心內部網絡架構趨向扁平化，連接密度及交換容量大幅增長。在數據流量激增和網絡架構演進雙重驅動下，光連接技術持續向高速率、大容量、高可靠、低能耗、低時延、智能化等方向發展演進，其中高速率是最核心發展訴求。高速率早期由城域和干線電信網絡引領驅動，但迭代速度較慢，約 10 年更新一代；當前，數據/智算中心互聯已成為最主要應用場景，市場規模約為電信網絡的 1.52 倍，早期為 34 年更新一代

25、，AI 影響下迭代周期將進一步縮短。來源：中國信息通信研究院 圖 6 光連接高速率發展趨勢 直調直檢光模塊采用非歸零（NRZ）或四電平脈沖幅度調制（PAM4）碼型，通常應用于數十公里及以內的中短距離，典型場景包括數據/智算中心內部的服務器與交換機之間，以及電信網絡的客戶側連接。當前，數據中心交換容量正由 51.2Tb/s 向 102.4Tb/s 過渡，400Gb/s 光模塊已實現規模部署，逐步向 800Gb/s 演進；智算中心先信息光子技術發展與應用研究報告（2024 年）9 進智算芯片和服務器容量提升，驅動 800Gb/s 光模塊成為主流，并向1.6Tb/s 及更高速率邁進。在技術方案方面，

26、基于單通道 100Gb/s 的800Gb/s 光模塊基本成熟，800G VR8（30m/50m）、SR8（100m）、DR8（500m）、DR8+（2km）、2 FR4（2km）、2 LR4（10km）等規格均已實現量產，優先實現對 400Gb/s 光模塊的平滑替代。其中，800G VR8、SR8 以多模砷化鎵（GaAs）VCSEL 方案為主；800G DR8、800G DR8-2 以 InP 外調制激光器（EML）方案為主，硅基光電子方案采用共享光源，功耗優于 InP EML 方案，但耦合工藝相對復雜；800G 2 FR4/LR4 方案可充分復用 400G FR4/LR4 產業鏈，成熟度較高

27、，采用數字信號處理（DSP）芯片集成模擬驅動可進一步降低功耗?；趩瓮ǖ?200Gb/s 的 800Gb/s、1.6Tb/s 光模塊加速研發，相比基于單通道 100Gb/s 的 8 100Gb/s 方案，由于通道數量減半，成本和功耗更具優勢，未來將成為 800Gb/s 光模塊主流方案。其中，800G VR4/SR4 規格 GaAs VCSEL 方案具有低功耗優勢，傳輸距離和可靠性正在優化和論證中，預計 20252026 年可初步實現商用；800G DR4/DR4+/FR4/LR4 規格即將量產，FR4-500 規格已在 IEEE802.3 完成標準立項。1.6T DR8/DR8+同樣基于單通道

28、 200Gb/s，國內外主流光模塊廠商即將實現量產；美國光模塊頭部廠商 Coherent 計劃推動波長間隔為10nm 的 1.6T FR8 樣品；1.6T LR8 規格由于受色散、四波混頻等影響，技術方案尚未收斂。信息光子技術發展與應用研究報告（2024 年）10 表 1 直調直檢光模塊主流技術方案 模塊類型模塊類型 傳輸距離傳輸距離 速率速率 主流技術方案主流技術方案 狀態狀態 8 100G 800G VR8 30m/50m 53.125GB PAM4 VCSEL 量產 800G SR8 60m/100m VCSEL 量產 800G DR8 500m EML+PIN、硅光 量產 800G D

29、R8+2km EML+PIN 量產 800G 2 FR4 2km EML+PIN 量產 800G 2 LR4 10km EML+PIN 量產 4 200G 800G VR4/SR4 TBD 106.25GB PAM4 VCSEL 論證中 800G DR4 500m 直驅 EML 樣品，即將量產 800G FR4-500 500m 直驅 CWDM EML 標準已立項 800G DR4+2km 113.4375GB PAM4 直驅 EML+PIN 樣品，即將量產 800G FR4 2km 直驅 CWDM，EML+PIN 樣品，即將量產 800G LR4 10km 直驅 LWDM，EML+PIN 樣

30、品，即將量產 8 200G 1.6T VR8/SR8 100m 106.25GB PAM4 VCSEL 論證中 1.6T DR8 500m 直驅 EML+PIN 樣品，即將量產 1.6T DR8+2km 113.4375GB PAM4 直驅 EML+PIN 樣品，即將量產 1.6T 2 FR4 2km 直驅 CWDM，EML+PIN 樣品，即將量產 1.6T FR8 2km 直驅 CWDM-10，EML+PIN 樣品，量產時間待定 1.6T LR8 10km EML 論證中 來源：中國信息通信研究院 相干光模塊采用正交相移鍵控（QPSK）或正交振幅調制（QAM）碼型，通常應用于數十公里及以上較

31、長傳輸距離，典型場景包括干線網絡、城域網絡和數據/智算中心之間互聯等。在干線和城域網絡中，100Gb/s QPSK 仍是當前廣泛應用的主流速率，2024 年是國內400Gb/s QPSK/16QAM 開啟規模部署的元年，下一代 800Gb/s 和1.6Tb/s 則成為業界標準推動和產品研發的熱點。當前，800Gb/s 相信息光子技術發展與應用研究報告（2024 年）11 干光模塊已包含兩代產品，第一代基于 100GBd 64QAM，主要面向數據中心之間（DCI）中短距應用；第二代基于 140GBd 16QAM，可與 400Gb/s 超長距共產業鏈，為業界技術研究和產品研發重點，主要面向 DCI

32、 互聯和城域網絡。1.6Tb/s 相干光模塊整體處于預研階段，領先廠商如美國 Ciena 已發布產品，主流方案包括基于 200GBd 32/64QAM 結合概率星座整形、基于 240GBd 16QAM 等，面向 DCI互聯和城域網絡。根據市場需求及技術成熟度，1.2Tb/s 相干光模塊或將作為過渡型產品優先于 1.6Tb/s 實現商用，第一代產品基于140GBd 64QAM 碼型，與 800Gb/s 共產業鏈，傳輸距離數十公里；未來基于 200GBd、240GBd 相干 DSP，可由 1.6Tb/s 向下兼容至1.2Tb/s 速率，實現更遠傳輸距離，應用場景向城域網絡擴展?；A光電芯片角度，無

33、論直調直檢或相干光模塊，其接口速率均遠超于光電芯片器件本身的波特率，通常采用多通道復用和高階調制方式提升速率。例如，基于 50/60GBd 量級的光電芯片平臺可支持單通道 50Gb/s NRZ、100Gb/s PAM4、400Gb/s DP-16QAM，四通道400Gb/s PAM4，八通道 800Gb/s PAM4，為當前應用主流。通道數量決定光模塊的尺寸、功耗和成本，業界將始終瞄準最少通道的技術方向，已開始向 100GBd 及以上光電芯片平臺演進升級。除新型編碼調制技術和先進信號處理算法的進步外，光電芯片的波特率主要取決于材料帶寬特性，III-V 族、硅基光電子、薄膜鈮酸鋰等競相發展，光子

34、集成、先進封裝技術快速演進，均為帶寬提升提供有力支撐。信息光子技術發展與應用研究報告（2024 年）12（二）多樣化技術方案助力傳輸交換容量提升（二）多樣化技術方案助力傳輸交換容量提升 頻譜擴展是短期內提升系統容量的有效方式，需底層材料協同創新。在干線和城域網絡中，隨著單通道速率由100Gb/s提升至400Gb/s，頻譜寬度相應擴展，相當于高速公路單車道寬度增加、車道數量相應減少。為實現 400Gb/s 速率 80 通道配置要求，系統頻譜需從傳統 C波段（6THz）擴展至 C+L 波段（12THz），即加寬高速公路，以實現系統容量（單通道速率 通道數量）的有效提升。多波段一體化光電芯片器件是近

35、期推進重點，要求各類光電芯片器件在不同波段范圍內具備優異性能，需要底層芯片及材料技術、系統級自動均衡技術等協同創新。例如，C+L 波段一體化需新型鉺鉍共摻光纖放大器，S 波段需新型摻銩光纖放大器；激光器、調制器和探測器方面，InP 材料適合單波段，硅基光電子波段擴展能力較強、但帶寬提升空間有限，薄膜鈮酸鋰兼具高帶寬和波段擴展優勢。未來，預計頻譜將進一步向 E、S、U 等波段擴展，實驗室研究中 E+S+C+L 多波段系統單纖容量已達301Tb/s，傳輸距離 150km，但成熟商用仍有諸多難點需要克服。來源：中國信息通信研究院 圖 7 多技術助力傳輸和交換容量提升 信息光子技術發展與應用研究報告（

36、2024 年）13 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可行路徑?？辗謴陀霉饫w方面，2023年中國信息通信科技集團利用19芯單模多芯光纖實現總傳輸容量4.1Pb/s光傳輸系統。同年，日本情報通信研究機構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22.9Pb/s光傳輸系統4?？招竟饫w方面，具備超寬頻段（1000nm）、超低時延（由5us/km下降至3.46us/km）、低非線性（降低34個數量級）、低損耗等諸多優勢，具有重塑產業范式的巨大潛力。2024年微軟與南安普頓大學聯合宣布已實現雙層嵌套管結構空芯光纖的損耗低于0.11dB/km，突破0.14dB/km傳

37、統光纖損耗極限5。新型光纖的實際應用還需要配套光電芯片器件，業界正在開展相關產品研發與標準推動，仍有部分關鍵問題尚未解決。來源：中國信息通信研究院 圖 8 新型光纖需要光電芯片器件配套使用 波長選擇開關、陣列光開關等全光交換技術以大顆粒交換提升系 4 https:/www.nict.go.jp/en/press/2023/11/30-1.html 5 Y,Chen,et al.,Hollow Core DNANF Optical Fiber with 0.11 dB/km LossC,OFC,2024,Th4A.8.信息光子技術發展與應用研究報告（2024 年）14 統容量。波長選擇開關（WS

38、S）核心器件為硅基液晶（LCOS），通過像素控制實現波長選路，目前32維已成熟商用，逐步向48維、64維、80維和120維，以及多波段一體化路徑演進。陣列光開關（OCS）包含MEMS、LCOS、硅基光電子三類方案，MEMS方案的矩陣規模更大、插入損耗更低，但重構時間較長；硅基光電子方案的重構時間最短，但在矩陣規模和插入損耗方面有待優化。谷歌智算中心已規模部署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，減少電光轉換帶來的時延和功耗；英偉達也正在開展相關試驗。（三）產業規模持續增長，應用場景不斷泛化（三）產業規模持續增長，應用場景不斷泛化 全球光器件市場規模將顯著增長，我國企

39、業與美國平分秋色。根據 Omdia 數據，2023 年全球光連接用光器件（包含光模塊及芯片）市場規模約 124.07 億美元，在數據/智算中心互聯等需求驅動下，2024年市場規模將顯著增長。從區域分布來看，增長動力主要來源于北美，谷歌、英偉達在人工智能集群中已規模部署 800Gb/s 光模塊、即將邁入 1.6Tb/s 時代；亞馬遜、Meta 即將部署 800Gb/s 光模塊。我國已開始 400Gb/s 光模塊批量部署，800Gb/s 應用尚處探索階段。在全球光模塊器件企業市場份額方面，我國企業與美國平分秋色，多家企業位列全球 TOP10。光連接由傳統長距傳輸技術泛化為 ICT 全尺度連接技術。

40、陸地光通信由電信網絡、行業專網和數據中心互聯等傳統領域向智算/超算互聯、算間互聯、工業互聯網等領域拓展，并進一步由陸地向空間、信息光子技術發展與應用研究報告（2024 年）15 水下、車內、以及芯片級等范圍延伸，助力構建空天地海一體化協同網絡，應用領域和連接范圍不斷擴展。在空間，激光通信可為星-星、星-地之間提供高指向性、高帶寬連接手段；在水下，可見光通信將成為繼聲波、射頻之后的又一重要水下連接技術；在車內，車載光總線將成為車輛電子化、智能化連接技術極具競爭力的選擇。來源：中國信息通信研究院 圖 9 光連接應用場景不斷擴展 衛星光通信是衛星星座間和星地間互聯的必然選擇。衛星光通信技術正處于起步

41、并加速發展階段，當前主要應用于衛星互聯網星座的星間鏈路構建，并將進一步向星地鏈路拓展，應用于衛星遙感數據回傳等場景。美大型互聯網星座研究和產業化進展領先，以星鏈為代表的衛星互聯網項目規模不斷擴大，目前已實現100Gb/s星間鏈路商用，并持續向更高速相干方案演進。受衛星間距離遠和激光束散角小等限制，激光通信終端間的快速穩定跟瞄是保障星間穩定建鏈的關鍵，涉信息光子技術發展與應用研究報告（2024 年）16 及光學、信號處理、機械等多環節，技術復雜度高，是待解決的核心技術難點之一。此外，為降低星座發射與建設成本、提升穩定性，要求激光通信終端及內部各類芯片器件具備較強的集成化小型設計與高可靠空間適應性

42、?？梢姽馔ㄐ偶夹g取得多項進展，水下可見光通信成新熱點。傳統的可見光通信基于375780nm波段范圍，兼具照明、通信和控制定位等功能，易與現有基礎照明設施相融合，具有不受無線電干擾、無電磁輻射、高度保密性等優勢，應用于無法使用傳統無線通信的場景。業界通過采用氮化鎵（GaN）等新型材料研制的大帶寬窄脊短腔激光器，已能夠將高速可見光光源帶寬從1GHz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450550nm藍綠光作為通信載體，目前實驗系統最高傳輸速率達15Gb/s，可應用于海底資源探索、海洋環境監測等領域。自動駕駛時代車機通信為車載光通信提供發展契機

43、。車載通信正從分布式架構轉向基于中央計算的集中式架構，對車機總線提出三方面需求：一是由于引入大量傳感器、AI處理器，帶寬需求達到10Gb/s級別、傳輸時延及確定性需求達到s量級；二是車輛向新能源、智能化、自動駕駛方向演進過程中需要車機總線盡可能降低重量，滿足集成化、可靠性要求；三是電子組件的增加需考慮電磁干擾影響，避免其干擾車內電子控制單元，以上需求對車載光通信發展帶來契機。目前，車載光通信存在基于IEEE 802.3cz的光纖以太網和基于無源光網信息光子技術發展與應用研究報告（2024 年）17 絡（PON）技術的全光網兩種方案，后者傳輸效率更高，但車規級光模塊器件規范化問題有待解決，耐高溫

44、、高響應度、高速率的車規級激光器、探測器、跨阻放大器等光電芯片器件供應鏈亦需構建。（四）片間和片上芯片級光互連成為研究熱點（四）片間和片上芯片級光互連成為研究熱點 1.片間光互連 來源：中國信息通信研究院根據公開信息整理 圖 10 片間光互連典型應用場景 片間光互連以光電合封（CPO）和光輸入輸出（OIO）為研究熱點。芯片級光互連成為信息技術發展的重要方向，與電布線相比，光連接功耗更低，尤其在高頻（10GHz）和長距情況下優勢更加明顯。交換網絡場景中的片間光互連聚焦 CPO 技術，將光芯片與交換芯片封裝在一起，與外部其他芯片之間形成連接，以期對可插拔光模塊的替代。算存網絡場景中的片間光互連聚焦

45、 OIO 技術，將光芯片與計算/存儲芯片封裝在一起，與外部其他芯片之間形成連接，是新型通用輸入/輸出（I/O）解決方案，以期對傳統電 I/O 的替代。CPO 和 OIO信息光子技術發展與應用研究報告（2024 年）18 分別從實現方式和功能角度提出概念，當前均以異構集成方式為主，均可實現集成度、帶寬密度的提升，以及比特能耗下降。CPO 低能耗特性助力數據中心綠色升級。傳統技術采用可插拔光模塊實現交換機之間高帶寬數據傳輸，交換機面板端口密度是限制帶寬提升的重要因素之一；同時，當信道速率達到112Gb/s及以上時，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增加。CPO 技術可提供高

46、帶寬、高能效和低延遲解決方案，根據博通數據，CPO 系統功耗相較可插拔光模塊可降低 50%以上；有仿真表明全對全通信模式下，CPO 系統通信完成時間最多可減少 40%。硅基光電子集成方案成為 CPO 主流路線。從光芯片器件硬件角度，CPO 包含 VCSEL 陣列和硅基光電子集成兩種方案。其中，硅基光電子集成方案具有無需氣密封裝、高帶寬、易集成等優勢，為當前研究熱點和業界主流路線，相關研究持續開展。VCSEL 陣列方案在短距信號互連場景中成本與功耗優勢較為明顯，基于該方案 IBM 在2023 年實現了基于 56Gb/s NRZ 信號的 16 通道 CPO，發射端功耗為2.7pJ/bit，接收端理

47、論仿真值為 1.5pJ/bit，系統整體功耗 4.2pJ/bit6；英特爾于 2024 年發布了基于 64Gb/s NRZ 信號的 4 通道 CPO 發射機樣機，整體鏈路功耗為 1.3pJ/bit7。6 Kuchta D M.Developments of VCSEL-based transceivers for Co-PackagingC/Optical Fiber Communication Conference.Optica Publishing Group,2023:M4E.6.7 Mondal S,et al.18.2 A 4x64Gb/s NRZ 1.3 pJ/b Co-Packa

48、ged and Fiber-Terminated 4-Ch VCSEL-Based Optical TransmitterC/2024 IEEE International Solid-State Circuits Conference.IEEE,2024,67:340-342.信息光子技術發展與應用研究報告（2024 年）19 CPO 產業鏈由交換機巨頭牽引。CPO 由于與交換機強綁定，技術實現需全面的硬件平臺和工藝設計能力，從可插拔光模塊到 CPO的轉換對企業研發實力提出較高要求。當前，CPO 產業鏈包含設計、激光器與光引擎等光芯片器件商、交換機廠商、制造代工廠等環節，思科、博通等交換機巨

49、頭具有較強話語權。產品研發方面，2020 年以來 CPO 樣機相繼發布、容量不斷提升，當前聚焦于 51.2 Tb/s 交換機，例如博通在 2024 年展示了 51.2Tb/s CPO 交換機及 6.4Tb/s FR4 光引擎。CPO 大量商用時間節點預計在未來 35 年，根據 Yole 預測，CPO全球市場規模到 2033 年將增長至 2.87 億美元8。CPO 國內外標準體系初步建立。標準化進展與技術產業發展程度密切相關。國際方面，光互連論壇（OIF）、板載光學聯盟（COBO）、聯合開發基金會（JDF）、國際光電委員會（IPEC）等國際組織針對CPO 進行了系列部署。國內方面，中國計算機互連

50、技術聯盟 2023 年發布團體標準半導體集成電路光互連接口技術要求，中國通信標準化協會已立項行業標準光電合封用外置光源模塊。整體來看，當前 CPO 框架、外置光源、接口、測試規范等關鍵標準已發布或在研，標準體系初步建立。OIO 成為算存架構中的重要互連方案。高性能計算工作負載不斷推動現有系統架構極限，隨著規模持續擴大，計算芯片之間需建立更高帶寬密度的連接。針對高性能計算系統，業界認為未來 46 年內影 8 https:/ 年）20 響最大的技術為光互連，其能力將在未來兩年內迅速提升至 10Tb/s 以上，比當前電互連提升 10 倍。根據 Lockheed Martin 數據，相比于傳統商業解決

51、方案，OIO 可將數據傳輸帶寬提升 7 倍，功耗降低為 1/5，尺寸降低為 1/12，大幅提升互連性能，滿足高性能計算場景需求，為資源池化提供保障。OIO 產業鏈由計算巨頭牽引。OIO 產業鏈包含設計、光芯片器件商、計算/存儲芯片商、服務器廠商和制造代工廠等環節，英特爾等計算巨頭具有較強話語權。Ayar Labs 在該領域積累深厚，2023 年演示了與英特爾 FPGA 集成的 OIO 解決方案，可實現雙向 4Tb/s 數據傳輸；英特爾 2024 年發布了與中央處理器（CPU）3D 共封的 OIO 芯粒，雙向帶寬 4Tb/s；國內企業 2023 年發布了適用于外設組件互連快速總線（PCIe）和計

52、算快速連接（CXL）協議的光互連產品。整體來看，OIO 當前已有小批量出貨，業界相關專家認為其互連能力將在未來 2 年內增長至 10Tb/s 以上，相比電互連實現 10 倍提升。根據咨詢機構 Yole 預測，OIO 全球市場規模到 2033 年將增長至 23 億美元9；預計其商業生態完全爆發時間在 5 年以后。OIO 標準研制尚處初期。OIO 的標準化工作剛剛啟動，目前主要基于電互連領域向光學方向拓展，標準體系框架尚未形成。連續波波分復用多源協議（CW-WDM MSA）組織定義了一組 O 波段波長網格，以實現激光器之間的互操作。外設組件互連特別興趣組（PCI-SIG）9 https:/ 年）2

53、1 2023 年宣布成立 PCIe 光學工作組，研究為 PCIe 規范引入光學傳輸接口的可能性，或將開發適用于光學接口的新外形尺寸。通用芯?；ミB快速總線（UCIe）規范對物理層、適配層、協議層以及晶粒到晶粒接口進行定義，制造商可基于 UCIe 實現芯粒間的光互連。CXL 規范規定了內存緩存一致性，允許 CPU 和加速器之間共享內存資源，有效支撐計算與存儲資源的池化解耦。OIF 2023 年啟動節能接口項目，對 CW-WDM 以及 PCIe、UCIe、CXL 等光學接口啟動研究。CW-WDM MSA、PCIe、UCIe 以及 CXL 等協議對物理層和軟件層的標準化將助力實現不同硬件和軟件框架間的

54、無縫集成，但現有協議框架對光學接口的適配性有待進一步研究，如接收端探測、光電信號不一致等問題，OIO 融入現有電互連鏈路仍存諸多挑戰有待攻克。2.片上光互連 大規模集成電路需要高密度、長距離布線，引發帶寬、能耗、時延等瓶頸問題，片上光互連是重要解決思路，可支撐實現大量長距通道，若擴展至整個晶圓，則可實現晶圓級光互連網絡。研究重點包括光子器件、交換機制、拓撲結構和路由算法等。激光器、調制器和探測器是光互連系統的重要單元器件，可利用多種復用方式，如波分復用、偏振復用、模分復用等進一步拓展帶寬，而多種復用方式的綜合運用，如波長、偏振、模式混合復用等也是片上光互連的重要發展趨勢。此外，互連架構不僅決定

55、片上網絡中不同節點的互連方式，同時影響路由器的端口和網絡鏈路數量，進而影響網絡信息光子技術發展與應用研究報告（2024 年）22 的時延、功耗和可靠性等性能。因此，選擇和設計合適的片上拓撲結構，對性能提升具有重要意義。片上光互連尚處于發展早期階段。學術產業界持續開展片上光互連研究，呈現多項標志性成果，例如美國加州伯克利大學 2015 年研制出片上微處理器，使用光實現處理與存儲單元間的雙向互連通信，每個方向可提供 2.5Gb/s 帶寬10。國內企業 2023 年發布相關產品，通過硅基光電子芯片上的 U 型波導傳輸信號，可實現電芯片上 64 核間全通道廣播。Openlight 2024 年發布 5

56、3Gb/s 光互連鏈路成果，其中發射機采用 Tower Semiconductor 異質集成工藝，將 III-V 族芯片粘合至硅基光電子晶圓，接收機采用 Global Foundries 光電單片集成工藝11。片上光互連將逐步向晶圓級邁進。晶圓級光互連為新興前沿技術，可連接幾十個異構處理器單元（XPU）或高帶寬內存（HBM），帶寬密度、能效和延遲性能更優，與晶圓級電互連相比可覆蓋更長布線距離。歐洲 IMEC 在該領域積極探索，一是面向未來的晶圓級多 XPU計算系統，提出用于 300mm 晶圓的超低損耗 SiN 波導技術，測試結果顯示 1310nm 波長下長達 56cm 的環回波導損耗僅為 0.

57、15dB/cm；二是實現了頂部光芯片與底部晶圓之間的低損耗倏逝耦合，1310nm波長下損耗低于 0.5dB。10 Sun C,Wade M T,Lee Y,et al.Single-chip microprocessor that communicates directly using lightJ.Nature,2015,528(7583):534-538.11 Szczerba K,Piels M,Guzzon R,et al.53 Gbps Optical Link with Co-designed DSP and Integrated EAM Driver,Heterogeneousl

58、y-Integrated Transmitter,and Monolithically-Integrated ReceiverC/2024 IEEE Silicon Photonics Conference(SiPhotonics).IEEE,2024:1-2.信息光子技術發展與應用研究報告（2024 年）23（五）未來十年功能性能與應用范疇日益拓展（五）未來十年功能性能與應用范疇日益拓展 應用場景方面，隨著數據/智算中心的快速發展以及 5G-A/6G 持續推進，光連接需求不斷增長，并逐步由模塊或板卡極光互連向片間/片上光互連演進，應用范疇也由陸地向衛星、車載、水下等領域延伸。在高速率方面，直

59、調直檢光連接當前處于 800Gb/s 速率，預計未來 12年進入 1.6Tb/s 速率，2030 年 3.2Tb/s 將走向規模應用。干線網絡相干光連接當前處于單波 400Gb/s，預計 2030 年主流應用將達到單波800Gb/s，2035 年后進一步向單波 T+b/s 挺進。同時，相干技術由干線/城域向百km及以內中短距應用下沉，預計2030年將達單波T+b/s。在大容量方面，未來 23 年，WSS 將實現 32 維 C+L 波段一體化、OCS 將實現 300500 端口；未來 5 年，WSS 將實現 48/64 維、OCS 來源：中國信息通信研究院 圖 11 光連接未來五至十年發展趨勢

60、信息光子技術發展與應用研究報告（2024 年）24 將實現 1000 端口。同時，12THz C+L 即將邁入規模部署，未來 510年將進一步通過更寬頻譜拓展、空分復用系統和空芯光纖等方式實現傳輸容量提升。三、光算存領域研究與應用進展（一）光電混合架構占據主流，算法不斷優化（一）光電混合架構占據主流，算法不斷優化 光計算是采用光作為信息處理的基本載體，基于光學單元構建光學系統，并通過光電特性等光學操作來實現信息處理或數據運算的新型計算方式。廣義上的光計算基于光的波動性和粒子性特性，包含光經典計算和光量子計算在內；狹義上的光計算特指基于光的波動性進行信息處理或數據運算，本報告側重于狹義光計算研究

61、。光計算按照所處理的數據形態可分為通用數字光計算和專用模擬光計算，后者為熱點方向。數字光計算基于非線性單元中的非線性效應形成經典的邏輯門，構建類似傳統數字電子計算原理的計算系統，通過光邏輯門的組合執行基本或復雜的計算功能，例如：二進制加法、減法、解碼、編碼等。常用的非線性單元有半導體光放大器、高非線性光纖、色散位移光纖、光子晶體光纖、周期性極化反轉鈮酸鋰波導等。數字光計算的優點是通用性強、精度高，缺點是占用大量底層硬件資源、容錯能力低。模擬光計算利用干涉、折射等物理特性，呈現“傳輸即計算，結構即功能”的計算架構，采用相對較少的單元即可完成計算任務，可節省大量硬件資源、容錯能力更強，但物理結構通

62、常為特定且專用，計算的通用性差、精度較低。如圖 12 所示，光計信息光子技術發展與應用研究報告（2024 年）25 算的技術體系包括基本原理層、硬件層、工具框架層、功能層和應用層等，整體框架和內部構成仍在進一步完善過程中。來源：中國信息通信研究院 圖 12 光計算技術體系框架 來源：中國信息通信研究院 圖 13 基于光電混合架構的光計算系統 光電混合架構的光計算是當前主流。光計算系統一般將光計算單元與微電子單元集成在一起，部分控制、存儲等操作需在微電子單元中實現?；诠怆娀旌霞軜嫷墓庥嬎阆到y如圖 13所示，光計算單元：信息光子技術發展與應用研究報告（2024 年）26 利用光執行核心運算；存儲

63、器結構：片上存儲器和片外存儲器用于存儲數據和參數；電子處理和控制單元：控制操作以及配合光計算進行一些輔助計算；數據轉換器：用于光和電之間接口的模數/數模轉換。該架構結合光與電的雙重優勢，將現有電計算的靈活性與光的帶寬和速度相結合，并一定程度上保留光的低能耗特性。算法結合光子集成技術進步創新優化。光計算的應用創新和優勢體現與算法息息相關，當前研究熱點包括光神經網絡和光子搜索等算法。光神經網絡算法通過光學卷積、光學線性矩陣乘法、光學非線性函數等基本算子，可實現光脈沖/光學循環/光學卷積/可擴展回路神經網絡、光學多層感知機等。光神經網絡訓練方法主要包括三種：一是硬件感知異地訓練，在數字計算機上訓練，

64、同時模擬光學硬件行為；二是物理網絡訓練，使用實際光學硬件進行前向傳播，使用數字模型進行反向傳播；三是原位訓練，即在線訓練，直接在光學硬件上執行完整訓練。光神經網絡算法的典型應用包括圖像識別、圖像邊緣檢測、醫療圖像分類、元音識別、光學邏輯門計算、光纖非線性補償等。光子搜索算法包括遺傳算法、粒子群算法、模擬退火算法、梯度優化算法、直接二元搜索算法等，用于解決各種優化問題。同時，基于光子集成和制造工藝進步，實時訓練能力提升，收斂速度加快、識別準確率更高，算法的集成度和實用性大幅改進，推動光計算應用落地。神經網絡推理與訓練為光計算當前研究熱點。人工神經網絡作為AI 最重要的模型之一，因具有良好的泛化能

65、力和魯棒性而被廣泛應信息光子技術發展與應用研究報告（2024 年）27 用于各類應用場景。光神經網絡技術研究包含前饋神經網絡、循環神經網絡、以及脈沖神經網絡三種典型結構?；谇梆伾窠浘W絡進行的光計算研究主要集中在光學線性加權總和、光學線性卷積、光學非線性激活函數和光學系統上的在線訓練等方面。線性計算的主流方案包括馬赫-曾德干涉（MZI）、波分復用（WDM）和平面光轉換（PLC）三種，其中，MZI/WDM 方案，在集成度、可重構性和擴展性方面更具優勢；PLC 方案的輸入為空間光信號，在吞吐量方面明顯占優，更有可能實現高并行性的大規模光學線性計算。當前，受設計和制造等限制，高速高效光學非線性激活函

66、數的實驗方案較少，一般采用光-電-光轉換方式進行替代。在線訓練需要在物理結構上執行學習和推理過程，對器件要求較為嚴苛，介于離線訓練和在線訓練之間的過渡方法如物理感知訓練方法等受到關注12。循環神經網絡的典型代表之一是蓄水池神經網絡，基于蓄水池神經網絡的光計算研究主要集中在全光學類的蓄水池計算和光電類的蓄水池計算方向。脈沖神經網絡的訓練和物理實施方面還存在較多困難，暫未得到廣泛應用。大多數關于脈沖神經網絡的研究工作仍然集中在理論分析和簡單結構的驗證上，包括脈沖神經網絡的訓練算法和光學硬件實現等。光計算在硬件和算法層面均存技術挑戰。硬件層面，設計成熟度低：當前的設計思路大多基于光電分立式設計，且相

67、關設計也大多集 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.信息光子技術發展與應用研究報告（2024 年）28 中于器件而非系統層面。集成難度大：光計算涉及異質集成、三維集成、光電混合集成等多種先進集成方式，需要大規模集成光電技術支撐。系統規模?。簽橹С志哂袛凳畠|個參數的人工智能模型，需要構建更大的神經網絡模型并對架構進行精心設計，將操作高效映射到光學硬件。算法層面，適合特定算法：光芯片時鐘主頻較高但模擬計算精度低，適用于數據依賴性高，時間序列相關、語義信息深但精度要求低、低比特模型的計算。片上訓練問題：光學神經網絡的高效、穩定片上訓練仍不成

68、熟。軟件堆棧問題：需開發針對光子人工智能硬件優化的編譯器和編程模型。表 2 光計算與電計算、量子計算對比 分類分類 計算架構計算架構 原理原理 處理方式處理方式 計算能力計算能力 處理速率處理速率/算算 力提升方式力提升方式 適用領域適用領域 電計算 馮 諾依曼 電子流動 串行 中 增加邏輯門數量等 通用數字 光計算 非馮 諾依曼 光波動性 并行 強 增加矩陣規模、復用維度等 專用模擬 量子計算 非馮 諾依曼 物質粒子性 并行 很強 增加量子比特數 量并提升保真度等 專用模擬 來源：中國信息通信研究院 光計算與電計算、量子計算既有關聯性又有差異性。光計算與電計算的架構分別為非馮 諾依曼和馮 諾

69、依曼架構，處理方式、適用領域和計算能力各不相同，光計算更適合專用模擬計算，其相對于電計算的優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。光計算與電計算的關聯性方面，光計算通常在特定場景中應用，可作為協處理器為電計算提供“補充、加速”。另一方面，光計算與量子計信息光子技術發展與應用研究報告（2024 年）29 算均基于非馮 諾依曼架構，同樣面向特定場景的專用計算。廣義的光計算包含基于波動性的光經典計算和基于粒子性的光量子計算，系統結構基本類似，均包括光發射、光處理、光探測等部分。差異性方面，光計算與量子計算在原理、算力提升方式等方面存在不同。（二）應用需找準定位，實用領域將不斷擴展（二

70、）應用需找準定位，實用領域將不斷擴展 應用需揚長避短找準定位。光計算在短期內仍定位為電計算的“輔助”，可視作低精度計算“積木”。通用數字光計算受非線性器件材料等因素影響發展緩慢，而專用模擬光計算無法支持浮點數，即使對于定點數，當精度超過 8 比特時，在能耗方面的優勢會減弱，因此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，無法完全脫離開電子技術而獨立存在?；诠?、電計算特點，用光計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，在處理神經網絡推理、組合優化、科學計算、密碼等涉及大量運算工作負載、且不需要精確解的特定任務時，可借助大規模并行和低時延優勢，超越經典電子計算

71、。光計算多領域應用前景廣闊。光計算可以在人工智能、圖像處理、生物醫藥、金融投資等多個應用領域發揮重要作用。人工智能領域，光子技術十分適合用于以并行方式進行的矩陣乘法運算。在大模型人工智能蓬勃發展的時代，光子技術與人工智能的深度融合將為高性能算力探索新模式、新架構。清華大學報道的“太極”光計算芯片能夠實現自然場景千類對象識別、跨模態內容生成等人工智能復雜任務。信息光子技術發展與應用研究報告（2024 年）30 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、去噪、邊緣檢測和邊緣增強等，能夠實現對光學圖像和生物樣本（如染色體分子、洋蔥細胞和口腔表皮細胞等）不同的放大倍數和空間分辨率的處

72、理操作。生物醫藥領域，光計算對于生物醫藥領域的潛在影響主要體現在提高設計效率、提升現有材料性能、縮短上市時間以及節約研發成本等方面。光計算已可用于基因序列比對，Optalysys 光協同處理技術在基因測序方面具有極高靈敏度，已于 2017 年展示其首款商用產品，該產品的數據處理能力相比于現有的電子計算能力有較大提升。金融投資領域，光計算可應用于風險價值計量和銀行賬戶欺詐識別等金融業務場景，已有結果表明光計算風險價值計量模型的推理速度比采用傳統 CPU 蒙特卡洛算法得到相似結果快數百倍，欺詐識別問題轉化成的光子伊辛問題求解算法比傳統圖形處理器（GPU）展現出上百倍的速度優勢。光計算未來有望進一步

73、發揮其“賦能增量”作用。應用方面，光計算在神經網絡推理、組合優化、科學計算以及密碼學等算力應用領域可基于低端電芯片獲得較高算力甚至部分代替電計算，從而減輕對于高端電芯片的需求程度。供應鏈方面，光芯片特征尺寸一般為百納米量級，對于先進工藝制程的要求不高，且可與其他信息光子產業共享產業鏈。光計算有望發揮賦能增量作用，為傳統計算提供“渦輪增壓”，進而實現更好的整體性能。信息光子技術發展與應用研究報告（2024 年）31（三）產業生態尚不成熟，布局重點出現轉移（三）產業生態尚不成熟，布局重點出現轉移 市場規模增速可觀但產業鏈成熟度仍需進一步提高。根據Yole數據，2034 年光計算市場將達 30 億美

74、元，2027-2034 年復合增長率超過 50%13。光計算所用單元器件與光連接類似，可基于傳統光連接芯片器件產業基礎，但仍存一定差異，光連接芯片器件產業鏈各環節發展相對成熟，參與競爭的企業數量眾多，技術成熟度已滿足批量生產需求；光計算涉及光電融合等問題，技術難度高，且需由光計算企業全程把關產業鏈相對封閉，成熟度有待進一步提升。當前階段，光計算的產業主體包括初創企業和行業巨頭，初創企業側重技術層面，通過構建相關光學系統，實現卷積、向量乘法、矩陣乘法等算子的光域加速；行業巨頭從需求出發，重點發力業務發展中特定問題計算。來源：中國信息通信研究院 圖 14 光計算產業鏈 產業分布主要位于美國、歐洲、

75、中國等。美國方面，Lightmatter、Luminous Computing、Fathom Computing 等初創企業積極進行光計算 13 Optical Computing 2024,Yole inteligence,September 2024.信息光子技術發展與應用研究報告（2024 年）32 成果商業轉化；微軟推出了用于純模擬域迭代的光電混合計算系統AIM，以解決大量資金交易的追蹤問題。歐洲方面，英國 Optalysys 和法國 Lighton 基于相關高校研究成果，較早入局。我國亦有多家初創企業加入國際光計算產業競爭行列。整體來看，光計算處于發展初期階段，我國與美歐進度基本一致

76、。表 3 美歐光計算企業及產品情況 國家國家 企業企業 產品類型產品類型 產品名稱產品名稱 商用情況商用情況 商用時間商用時間 美國 Lightmatter 可編程光互連芯片 Passage 已商用 2022 年 Fathom Computing 基于分立器件的光計算原型機/樣品階段/Luminous Computing 光學 AI 芯片/樣品階段/歐洲 Optalysys 光學處理器 FT:X 2000 已商用 2019 年 全同態加密加速器 Enable 研發階段/LightOn 光學協處理器/集成于 Jean Zay 超級計算機 2021 年 云平臺 LightOn Cloud 已商用

77、2018 年 本地軟件 LightOn Appliance 已商用 2018 年 來源：中國信息通信研究院 布局重點向光互連領域轉變或拓展。由于當前光計算應用未大范圍鋪開，技術層面仍存在一定挑戰，近兩年產品推出節奏放緩。例如Optalysys 原計劃 2023 年發布互補金屬氧化物半導體（CMOS）硅光集成計算芯片，但截至目前尚無更新進展；Lighton 則從光計算領域轉向為生成式 AI 構建商業化基礎模型。仍處活躍狀態的公司布局重點向光互連領域轉變或拓展，瞄準生成式 AI 大模型訓練/推理時的數據傳輸瓶頸問題。例如，Luminous Computing 從光計算向芯片間光互信息光子技術發展與

78、應用研究報告（2024 年）33 連轉變，Lightmatter 和部分國內企業由單純光計算向光互連延伸。（四）存儲性能不斷提升，距離實用道阻且長（四）存儲性能不斷提升，距離實用道阻且長 鑒于光子的玻色子性質，光子之間的相互作用較弱（受控的量子級條件除外），光存儲需依賴光與物質的相互作用來存儲信息。傳統光存儲是通過激光與介質相互作用，使介質的物理性質發生變化的方式進行信息存儲，包括視頻高密光盤（VCD）、數字化視頻光盤（DVD）、藍光光盤等形式，已經得到規模商用。光存儲與硬盤、磁帶等其他商用存儲方式相比容量較小，目前最高單盤可達 500Tb，但能耗低、壽命長、安全性高，適合低訪問頻次、高重要性

79、數據存儲。在計算機 I/O和路由領域，內存瓶頸已經成為在存儲領域引入光技術的主要驅動力，光子集成技術的快速發展以及芯片級光互連的滲透進一步推動了對光隨機存取存儲器等可集成到計算體系中的新型光存儲器的研究，新型光存儲是本部分的研究重點。如圖 15所示，新型光存儲技術體系。來源：中國信息通信研究院 圖 15 光存儲技術體系框架 信息光子技術發展與應用研究報告（2024 年）34 包括基本原理層、硬件層、工具框架層、功能層、應用層等，整體框架和內部構成仍在進一步完善過程中。新型光存儲性能不斷提升，發展速度快于電存儲。新型光存儲具有超快讀出、多路復用、非線性響應和模擬/神經形態計算場景中超高帶寬等諸多

80、優勢，展現出超越當前數字存儲的巨大潛力。新型光存儲研究已取得較大進展，例如 1995 年到 2019 年期間，光存儲器尺寸下降了 12 個數量級，而同期內電存儲器尺寸僅下降 3 個數量級；光存儲器能耗下降了 5 個數量級，從 pJ/bit 下降到 fJ/bit，同時訪問時間減少，而電存儲器難以實現訪問時間和能量效率的同步優化。（a）光/電存儲元件的尺寸對比（b）光/電存儲元件的存儲器訪問時間與能量效率對比 來源：Optical RAM and integrated optical memories:a survey14 圖 16 光存儲與電存儲對比 新型存儲多技術方案競相發展，尚未實現商用化。

81、基于可擴展光子集成技術，得到實驗證明的新型光存儲實例不斷增加，包括基于相變材料的非易失性存儲、其他非易失性存儲、易失性存儲、光機械存儲等。新型光存儲發展勢頭正猛，但各技術方案均存在一定挑戰，當 14 Theoni Alexoudi,et al.Optical RAM and integrated optical memories:a surveyJ.light:science&applications,2020,article number:91 信息光子技術發展與應用研究報告（2024 年）35 前處于實驗室研究階段，尚未商用化。易失性和非易失性光存儲器各有優勢，二者的性能對比如圖 17 所

82、示，非易失性單元在位數和能量方面表現較好，易失性單元在頻率、重復次數、面密度方面表現較好。來源：Photonic(computational)memories:tunable nanophotonics for data storage and computing15 圖 17 易失性和非易失性光存儲器的性能對比 15 Lian,C.et al.Photonic(computational)memories:tunable nanophotonics for data storage and computingJ.Nanophotonics,2022,11:38233854.https:/do

83、i.org/10.1515/nanoph-2022-0089 類型類型 技術方案技術方案 挑戰限制挑戰限制 基于相變材料的非易失性存儲 W/Ti 加熱器集成光學回路 加熱器尺寸大 全光纖存儲器件 制造與規模擴大較為復雜 波導集成超表面 網絡規模擴展受限于方向耦合器效率 PIN 加熱器集成光開關 開關速度慢 P+摻雜硅電阻加熱器光開關 相變材料區域加熱器占比大，增加功耗及尺寸 單脈沖可編程存儲單元 開關區域有限擴展復雜，不適用于透明相變材料 其他非易失性存儲 基于鐵電 BTO 的存儲器件 只能作為相移器，尺寸大 電荷俘獲光存儲器件 尺寸大、功耗大 易失性存儲 耦合光放大器開關 掩埋 InGaAs

84、P 光子晶體 需要偏置以及穩定的溫度控制 光機械存儲 基于激發布里淵散射的光存儲 信息存儲易失，最大保留時間幾十 ns 雙穩態光機械懸臂 最終開關速度受限于機械諧振頻率 信息光子技術發展與應用研究報告（2024 年）36 應用潛力巨大但仍存較多挑戰。對大規模集成、新型材料平臺、制造水平以及存內計算等方面的持續研究，將推動新型光存儲在電存儲不擅長的一些特定場景得到應用。例如，用于實時決策的高速并行神經形態計算，以及用于補償光網絡中非線性失真的超快速信號處理等。此外，光存儲器的引入能夠減少光電轉換過程，因此一些需要光輸入信號的場景，如激光雷達、圖像處理、光通信和光計算等也將獲益。然而，新型光存儲距

85、離實用仍面臨諸多挑戰，光 I/O 和電路元件是限制帶寬的主要因素，因此最大化光存儲器的帶寬優勢還需進一步開發相關的無源和有源器件；另一個挑戰是器件尺寸較大，波導受導光機理限制比電子元件的尺寸大得多，需通過復用更多波長、采用多級存儲和更高維數的納米光子結構等提高存儲密度。（五）未來將向集成、融合、泛在等趨勢演進（五）未來將向集成、融合、泛在等趨勢演進 光算存技術趨于集成化、智能化。過去五年，光神經網絡、光學加密研究以及新型光存儲機理研究取得了長足進步；當前光神經網絡算法研究、光電集成計算芯片與光存儲器件研制成為熱點。預計五年后將在計算芯片架構優化、光存儲器件優化等方面取得突破，未來逐步邁向大規模

86、光電融合計算系統，聚焦可重構平臺開發以及大規模光存儲陣列研制等方向。光算存產業趨于融合化、多元化。未來幾年，光計算矩陣規模將不斷擴大，從最初的 7 8 有望進入 256 256 時代；同時，光計算產品類型不斷增加，產品化計算板卡已實現初步部署，基于相變材料的計信息光子技術發展與應用研究報告（2024 年）37 算產品即將進入商業化。未來，光計算將與光互連、光存儲進一步融合，以實現光計算互連存儲一體機為發展目標。光算存應用趨于泛在化、大眾化。光計算當前初步落地在能夠體現其優勢的應用場景，如在人工智能、數據中心等場景中基于光計算實現推理和圖形渲染等。預計五年后將進入金融和能源電力等需要更多芯片協同

87、、更大規模計算場景的市場。未來，隨著硬件和軟件體系更加成熟，或將切入車載計算、移動互聯網等既對算力有高需求，同時也對功耗、可靠性、軟件生態等有高要求的大眾市場。傳統光存儲將在政務災備、公安檔案、金融債券、醫療備份等領域繼續發揮優勢，并在存儲密度、讀寫速度等方面持續提升性能；新型光存儲預計將應用于高速并行神經形態計算系統、超快速信號處理系統以及激光雷達、圖像處理等與光信息處理緊密相關的場景。來源：中國信息通信研究院 圖 18 光算存未來五至十年發展趨勢 信息光子技術發展與應用研究報告（2024 年）38 四、光采集領域研究與應用進展（一）光采集技術向集成化與分布式方向演進（一）光采集技術向集成化

88、與分布式方向演進 光采集是用于收集和處理光信號實現對目標物探測或物理量感知測量的技術。根據工作原理的不同，光采集可分為光電探測、激光傳感和光纖傳感三類。光電探測利用光電效應將光信號轉換為電信號，實現對光強度或照度、距離、位置和速度等各種物理參數的測量，典型的光電傳感器包括光敏電阻器、光電二極管、光電三極管、光電子管和光電開關等。激光傳感通過發射激光束并接收其反射或散射回來的光，測量目標物體的距離、速度等參數，按照功能的不同可分為激光雷達、激光位移傳感器、激光測距儀、激光速度傳感器、激光干涉儀等，核心部件激光器可按照工作介質的不同分為固體激光器、氣體激光器、液體激光器和半導體激光器等。光纖傳感采

89、用光纖作為傳感單元，將溫度、壓力、位移和應變等物理量通過光纖內散射、干涉和反射轉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、準分布式和分布式。應用需求多樣化，集成式、分布式多向演進?；诙嘣膽脠鼍?，隨著微電子、光子及納米技術的不斷進步，三類光采集技術逐步向大規模、多功能、高精度、微型化、低成本、高可靠的集成式和分布式多向演進。具體而言，激光傳感和光電傳感通常面向小范圍、高精度測量場景，集成式是重要演進趨勢，在減小系統體積的同時，可實現成本降低和可靠性提升。與激光傳感和光電傳感不同，光纖傳信息光子技術發展與應用研究報告（2024 年）39 感多面向長距離、大跨度感知場景，基于單根

90、光纖即可實現光纖沿線空間和時間上高精度與大動態范圍的分布式傳感，低成本、長距離分布式測量是光纖傳感獨有的技術優勢。此外，集成式與分布式并非相互對立的兩種趨勢，為交叉包含關系，例如分布式光纖傳感系統中端側收發芯片器件亦呈現集成化趨勢。表 4 為三種光采集技術在工作原理、傳感介質、轉換參量、固件形態和演進趨勢方面的典型差異。表 4 光采集技術典型分類與比較 分類分類 激光傳感激光傳感 光電探測光電探測 光纖傳感光纖傳感 技術原理 主動激光探測 被動光-電轉換 光纖內散射、干涉、反射等 傳感介質 激光器（空間+光纖）光-電探測/轉換芯片 光纖 轉換參量 激光強度、相位、光 譜等 電流 光強度、偏振、

91、相位、時延等 固件形態 光源 點探測+集成陣列 分布式+點探測 典型應用場景 中短距應用場景 中短距或線性長距應用場景 來源：中國信息通信研究院 光采集技術在持續迭代更新下不斷催化新應用。目前，各類光傳感器件與系統在信息通信、工業自動化、醫療健康、環境監測、電子儀器儀表、航天航空、物聯網與智慧城市、能源與基礎設施等眾多領域展現出廣闊應用前景和巨大發展潛力。根據 Yole 預測，僅以硅基光電子為例，激光雷達、光學陀螺儀、消費健康、免疫測定等傳感類新型應用，未來幾年的市場規模均呈現快速增長態勢。由于光采集領域產品種類眾多，本部分主要選取當前業界研發熱度較高的車載激光雷達、生物醫療光傳感和分布式光纖

92、傳感作為研究重點。信息光子技術發展與應用研究報告（2024 年）40（二）車載激光雷達路徑多元化集成趨勢明顯（二）車載激光雷達路徑多元化集成趨勢明顯 車載激光雷達是光采集在集成化發展方向的典型代表。車載傳感器中，激光雷達的環境感知精度較高，可獲取目標的距離、角度、反射強度、速度等參數，協同配合攝像頭、超聲波雷達、毫米波雷達等其他傳感器，可有效感知路面、車流、行人等外界信息，是實現智能駕駛的關鍵基礎。為適配車規級標準，車載激光雷達對小尺寸、低功耗、低成本和高可靠需求迫切，隨著線數增加集成趨勢日益明顯，業界正基于 III-V 族、硅基光電子、氮化硅等集成平臺開展產品研發。來源：中國信息通信研究院

93、圖 19 車載激光雷達的原理和系統結構分類 車載激光雷達包含發射、掃描、探測、處理模塊，涉及不同芯片器件。發射模塊的激光器按結構可分為邊發射激光器（EEL）、垂直腔面發射激光器（VCSEL）及光纖激光器。掃描模塊的掃描部件按結構可分為機械式、混合固態式和固態式，當前混合固態式主要有轉鏡式、棱鏡式、微機電系統（MEMS）或振鏡式三種方案，固態式主要有掃信息光子技術發展與應用研究報告（2024 年）41 描式的光學相控陣（OPA）和泛光面陣式（FLASH）兩種技術方案。接收模塊按探測器類型可分為 P-I-N 型光電二極管（PIN）、雪崩光電二極管（APD）、單光子雪崩二極管和硅光電倍增管（SiPM

94、）等?？刂颇K的信息處理芯片可分為現場可編程門陣列（FPGA）、應用特定集成電路（ASIC）和系統級芯片（SoC）等，如圖 19 所示。車載激光雷達按測距原理包含兩種技術路線。時間飛行法（TOF）通過直接測量發射激光與回波信號的時間差來計算目標物體的距離信息，具有低成本和結構簡單等優勢，是車載中長距激光雷達市場的主流方案。調頻連續波法（FMCW）采用相干探測技術，相比 TOF 具有更高的信噪比和更強抗干擾能力，但對掃頻激光器的性能要求較高，信號解調和非線性掃描補償算法復雜，規模商用需要集成化助力實現性能提升與成本降低。從現階段技術和產業發展趨勢來看，乘用車載激光雷達短期內將以 TOF 和混合固

95、態掃描作為主流方案，并逐步向FMCW 和固態掃描方案發展，未來預計將向純固態方向演進。市場規?？焖僭鲩L，我國企業占據優勢地位。隨著性能提升和成本降低，激光雷達應用于乘用車輔助駕駛的規模將快速增長，同時在無人駕駛出租車、無人駕駛卡車等 L4、L5 級別自動駕駛場景中深化應用。根據 Yole 預測，2029 年全球車載激光雷達市場將從 2023 年的5.38 億美元增長至 36.32 億美元，年復合增長率 38%16，國內多家廠商在乘用車和自動駕駛出租車激光雷達領域占據主要市場份額。16 https:/ 年）42（三）生物醫療光傳感前沿方向正在廣泛探索（三）生物醫療光傳感前沿方向正在廣泛探索 集成

96、式光傳感和柔性光傳感在生物醫療領域得到廣泛關注。集成式光傳感可用于檢測化學和生物目標的光譜、折射率、溫度及濃度等傳感，不僅滿足小尺寸、無損介入要求，且生物兼容可植入，在現代醫療輔助領域得到廣泛關注。隨著硅基光電子及多材料異質異構集成技術的發展演進，將高密度光子器件與微電子電路集成在一個模塊甚至芯片內，可進一步增強檢測功能、實現傳感器尺寸縮小和成本降低。柔性光傳感具備優異的光學和生物力學性能，不僅可集成于仿生手、機械臂上，提供不同手指運動的觸覺映射，賦予機器人觸覺感知能力，還可作為可穿戴設備貼敷于皮膚表面進行健康監測，以及植入生物體內進行醫療診斷和治療，兼具高精度、抗電磁干擾和生物相容等優勢，可

97、進一步拓展光子技術的應用范疇。學術和產業界正深入探索生物醫療光傳感前沿方向。一是生物光子探針17，如基于病毒、細胞、活體組織等不同生命體的生物光子探針，利用高生物兼容性的光子器件可實現在活細胞及復雜生物體內對生物信號及過程進行實時檢測。二是光纖生物傳感器18，使用特殊處理的光纖對生物樣本進行檢測，例如采用黑磷單層涂覆層的神經元特異性烯醇化酶標識物生物傳感器，可應用于超敏感癌癥診斷。三是表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的共振角 17 https:/ 18 https:/doi.org/10.1016/j.bios.2024.116088 19 https:/doi.org

98、/10.1016/j.bios.2019.111505 信息光子技術發展與應用研究報告（2024 年）43 度變化來檢測生物分子，具備高靈敏度和實時性。四是智能感知20，結合人工智能、大數據等技術，光傳感器被賦予智能感知和處理能力，未來將有力推動生物檢測、器官芯片、非藥物調控等領域的高速發展。（四）分布式光纖傳感是長距場景的理想方案（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。當光纖受到外界環境（如溫度、應力、磁場、電場、震動等）影響時，光纖內光信號的物理參數（如強度、相位、偏振態等）會受到相應調制，調制后的光信號可由探測系統解調出被測物理量

99、。具體而言，基于光纖彈光效應、倏逝場效應、熱光/熱膨脹效應、法拉第旋光效應、泡克爾斯/克爾效應和散射效應可分別對外界應力、折射率、溫度、磁場、電場、震動等進行感知。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。點式光纖傳感利用光纖材料的光敏特性，對小范圍內監測選定點附近的參量變化進行傳感，典型的點式光纖傳感技術包括光纖氣體傳感器、光纖三維形狀傳感器、光纖陀螺儀、光纖光柵、光纖表面等離激元共振傳感等。準分布式光纖傳感將空間上呈一定規則分布的光纖傳感器耦合到一根或者多根光纖總線上，通過尋址、解調，檢測出被測量的指標及空間分布，光纖總線僅起到傳輸光的作用，典型的準分布式光纖傳感技術包括陣列

100、光纖光柵、陣列光纖氣體傳感器等。分布式光纖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 https:/doi.org/10.1002/aisy.202100067 信息光子技術發展與應用研究報告（2024 年）44 感，光纖既是傳感單元又是信息傳輸通道，可獲得被測量沿光纖在空間和時間上變化的分布信息。點式光纖傳感和準分布式光纖傳感技術通常涉及光纖微納結構或特種光纖的應用，適合小范圍中短距高精度傳感，例如高溫、高壓、高輻射等特殊環境下的物理參量測量。分布式光纖傳感可直接基于普通單模光纖實現長距離多參數測量，其優勢是可基于光纖現網實現低成本、大范圍、高精度測量，同時支持光網絡的

101、通感一體化，提升網絡質量和運維效率。分布式光纖傳感基于不同工作原理，可感知不同參量。分布式光纖傳感根據原理的不同，可分為基于瑞利散射、拉曼散射、布里淵散射和偏振態檢測的傳感21。具體到應用場景，在光網絡智能運維方面多采用光時域反射法（OTDR）實現對光纖鏈路的損耗、斷點、缺陷和失效檢測；在油氣管線監測、地震監測、智慧交通及周界安防等領域，通常采用相位型光時域反射法（-OTDR，又稱分布式聲波傳感，DAS）；橋梁隧道等土木結構應力應變檢測多采用布里淵光時域反射法（BOTDR，又稱分布式溫度應力傳感，DTSS）；火災預警、工業極端溫度測量等多采用拉曼光時域反射法（ROTDR，又稱分布式溫度傳感，D

102、TS）；偏振態檢測法主要適用于海底光纜地質環境探測。布里淵光時域分析法（BOTDA）、光頻域反射法（OFDR）以及布里淵光學相關分析法（BOCDA）由于系統相對復雜或核心元器件成本高昂，現階段暫未成熟商用。此外，還有一類特殊的光纖傳感技術稱為光學 21 https:/ 信息光子技術發展與應用研究報告（2024 年）45 干涉法，利用多路光進行干涉從而將相位信息轉換為強度信息進行探測，可感知環境溫度、壓力、振動、應變、彎曲和扭轉等參量變化，具有結構簡單、靈敏度高、成本低等諸多優點。常見的光學干涉系統有馬赫-澤德干涉儀（MZI）、邁克爾遜干涉儀（MI）、法布里珀羅干涉儀（FPI）和薩格納克干涉儀（

103、SI）等22。各類技術比較詳見表 5。表 5 分布式光纖傳感技術比較 類型類型 光學參量光學參量 典型系統典型系統 傳感參量傳感參量 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-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

104、來源：中國信息通信研究院根據公開信息整理 我國是全球光纖傳感器的主要應用市場。產業化方面，根據 QY Research 預測，2024 至 2030 年全球光纖傳感器的年復合增長率為11.3%，我國已成為最主要應用市場。產業鏈上游主要包括光收發芯片器件、特種光纖、配套器件等。OTDR、DAS 等傳感設備的關鍵器件多家國內外企業均可實現量產，不存在明顯技術障礙。22 https:/www.science.org/doi/10.1126/science.aat4458 信息光子技術發展與應用研究報告（2024 年）46（五）未來十年關鍵指標與成熟程度不斷提升（五）未來十年關鍵指標與成熟程度不斷提升

105、 來源：IPSR-I Roadma202423,中國信息通信研究院 圖 20 光采集未來五至十年發展趨勢 光采集在各類場景中的應用將不斷拓展深化，相關性能要求和演進趨勢與應用需求息息相關。圖 20 展示了智能汽車、生物醫療和光纖傳感三大典型應用場景或技術方案中，光采集技術未來五至十年的發展趨勢。車載激光雷達作為自動駕駛智能感知的關鍵傳感器之一，產品形態將由半固態向全固態式發展，有效探測距離逐步增加，光源方案不斷升級，在性能不斷提升的同時成本進一步降低。隨著新能源汽車市場快速增長，激光雷達在乘用車前裝搭載的比例將逐步提升。生物醫療光傳感技術將廣泛應用于內窺成像、無損檢測及遠程醫療等場景。其集成材

106、料平臺由硅基光電子向 III-V 族半導體、聚合物、二維材料等延伸拓展，支持多波段探測，靈敏度和分辨率也將顯著提高，為醫療診斷提供更為精準的數據支持。光纖傳感技術將持續提升精度、23 MIT,PhotonDelta.Integrated Photonics System Roadmap International(IPSR-I Roadmap),2024 信息光子技術發展與應用研究報告（2024 年）47 分辨率和傳感距離，陣列光纖光柵、AI+分布式傳感、特種光纖傳感等新型方案有望規模商用，未來應用場景也將逐步擴展到智慧城市、環境監測、光網絡通感一體化等領域。五、光呈現領域研究與應用進展（一）

107、新型顯示領域多條技術路線并行發展（一）新型顯示領域多條技術路線并行發展 新型顯示多主流技術路線并行發展。顯示技術是通過圖像顯示系統，將計算機存儲、運算的中間過程或最終結果以圖像的形式進行呈現，涉及圖像的輸出與可視化，應用于顯示面板和顯示屏等。早期顯示技術以陰極射線顯像管電顯示為主，后續逐漸被 LED 光顯示所替代，現階段已進入以液晶顯示（LCD）、OLED 顯示、Micro-LED 顯示、激光顯示、電子紙顯示等為代表的新型顯示時代，幾種主流新型顯示技術路線各具優劣勢，處于并行發展態勢。表 6 主流新型顯示技術路線對比 對比項目對比項目 LCD 液晶顯示液晶顯示 OLED 顯示顯示 Micro-

108、LED 顯示顯示 激光顯示激光顯示 電子紙顯示電子紙顯示 技術成熟度 能源效率 畫質 分辨率 色域 對比度 最大亮度 來源：中國信息通信研究院根據公開信息整理 LCD 液晶顯示發展成熟度高成本低，技術創新有效支撐顯示性信息光子技術發展與應用研究報告（2024 年）48 能持續提升。LCD 液晶顯示技術從上世紀七十年代初發展至今已經歷長足發展，具備高清晰度大屏幕顯示能力、以及制造工藝成熟和低成本等優勢，在當前全球顯示面板市場中占比最高。LCD 液晶顯示已在手機、電視機、筆記本電腦等領域實現廣泛應用，為適配新型應用需求技術方案不斷演進，如 Mini-LED 背光技術、曲面 LCD 顯示技術、UB

109、Cell 顯示屏技術、異形/輕薄化/窄邊框外觀技術、透明 LCD顯示技術等已進入規模量產或工程研發階段。LCD 液晶顯示在分辨率、刷新率等關鍵性能方面持續突破，在多分區 Mini-LED 背光和量子點等新型技術加持下，畫質也將進一步提升。預計在未來相當長一段時間內，LCD 液晶顯示仍將是新型顯示領域的主流方案。OLED 顯示向全尺寸滲透，蒸鍍工藝為當前主流，新型印刷工藝適需演進。OLED 顯示基于自發光技術，具有高對比度、快響應速度、低能耗和輕薄化等優勢，在透明屏、柔性屏等領域具有應用前景，市場占有率僅次于 LCD。OLED 顯示包含蒸鍍和印刷兩類工藝，其中，蒸鍍工藝較為成熟，又細分為白光（W

110、O）LED 和精細金屬掩膜版（FMM）-OLED 兩種技術方案，大尺寸應用傾向 WOLED 蒸鍍方案，采用白光 OLED 作為發光元件；中小尺寸應用傾向 FMM-OLED 蒸鍍方案，通過FWM將各層功能性材料采用全蒸鍍工藝進行像素級成膜。印刷工藝為新型工藝技術，采用噴墨打印方式將功能層材料通過墨水的形態精確輸送至對應像素，實現全彩顯示，適用于各種尺寸應用，產品結構和制備工藝相對簡單。OLED 蒸鍍工藝的核心設備為蒸鍍機，信息光子技術發展與應用研究報告（2024 年）49 價值較高并主要由日本企業壟斷；印刷工藝可避開蒸鍍設備，我國正在該領域進行技術、專利等布局積累，并已形成一定優勢。Micro-

111、LED 顯示性能優異備受關注，但制造工藝要求嚴苛成熟度較低。Micro-LED 顯示是以微米量級為周期，在薄膜場效應晶體管（TFT）或 CMOS 背板上高密度組裝像素的 LED 演進技術，具有發光效率高、亮度高、響應時間短和可靠性好等優勢，預計將成為繼LCD和 OLED 顯示之后的下一代主流顯示技術。Micro-LED 顯示技術研究始于 2000 年左右，2014 年后熱度提升，國內外頭部企業紛紛布局。由于需要使數百萬甚至數千萬顆微米級 LED 晶粒保持長期穩定可靠工作，Micro-LED 顯示對產業鏈各環節均提出嚴苛技術要求，制造工藝面臨全新挑戰，巨量轉移、背板、驅動芯片以及檢測修復等關鍵技

112、術正在攻關中、有待進一步成熟。激光顯示大屏應用優勢顯著，三基色光源和混合光源雙路線同步發展。激光具備有方向性好、單色性好、亮度高等特性，用于光顯示可實現大尺寸、超高清、寬色域、高觀賞舒適度和高保真的圖像再現。激光顯示基于漫反射顯示原理，模擬人眼觀測自然萬物、接收光為屏幕反射光而非直射光；同時激光顯示為全像素反射，像素之間無邊緣效應，有效降低單位面積光強，對人眼傷害程度較小。根據光源的不同，激光顯示包含三基色激光光源和混和光源兩種技術路線，前者是基于紅、綠、藍三基色激光，結合投影或平板技術的路線；后者是激光與非相干光組合構成顯示用三色光源，又包括激光+熒光光源、激信息光子技術發展與應用研究報告（

113、2024 年）50 光+LED 光源等方案。電子紙顯示效果與傳統紙張類似，包含多技術路徑具備低碳護眼優勢。電子紙顯示即反射式顯示，通過反射環境光實現圖像顯示，無需背光源和自發光，擁有類似傳統紙張的觀閱體驗。電子紙顯示的主要技術路徑包括電泳、電潤濕、電漿、膽固醇液晶、反射式液晶等，其中，電潤濕是當前唯一可兼容彩色視頻主流信息播放的技術路徑，有望實現電子紙黑白準靜態到彩色動態顯示的轉變。電子紙顯示能耗極低，根據相關統計，電泳顯示、電潤濕顯示在單色刷新時的功耗分別為1.03mW/inch、2.66mW/inch，在彩色刷新時的功耗分別為16.58mW/inch、17.66mW/inch。（二）數字時

114、代新型顯示應用場景不斷拓展（二）數字時代新型顯示應用場景不斷拓展 數字化時代，“萬物皆有屏、萬物皆顯示”，新型顯示已成為信息交互的重要端口，應用場景從電視機、顯示器、智能手機、筆記本電腦四大傳統領域日益向車載、可穿戴、虛擬現實和生物醫療等延伸拓展，改變人類信息獲取方式，重塑溝通、學習與娛樂體驗。車載顯示屏幕技術不斷升級迭代。車內空間作為現代生活的“第三空間”，對提升生活質量具有顯著影響。車載顯示是“人車交互”的重要接口，可應用于車載娛樂和智能駕駛輔助系統，正伴隨智能化浪潮加速到來，逐步向多屏化、大屏化、個性化等趨勢發展，通過 LCD、Micro-LED、激光顯示等實現折疊屏、卷曲屏、隱藏顯示屏

115、、透明顯示、抬頭顯示等新型車載顯示屏幕，帶來不斷升級的應用體驗。信息光子技術發展與應用研究報告（2024 年）51 多形態柔性顯示屏適配可穿戴設備。智能可穿戴設備集成了多媒體、傳感器和無線通信等技術，可實現用戶交互、生活娛樂、健康監測等豐富功能，按照產品形態包含智能耳機、智能眼鏡、智能手表、智能手環、智能頭盔等。LCD、OLED 柔性顯示技術基于柔性材料，可將顯示屏制作成彎曲、可折疊、滑卷等多種形式，以適配不同智能可穿戴設備的個性化、多樣化需求。近眼顯示技術是實現虛擬現實的關鍵。沉浸感是虛擬現實的核心體驗之一，高性能顯示技術可提供高分辨率、高幀率和低延遲的圖像，對于創建逼真虛擬環境至關重要。近

116、眼顯示技術通過 Micro-LED、Micro-OLED 等實現立體視覺，可改善用戶使用虛擬現實設備的觀看真實感與舒適性體驗，對虛擬現實技術發展水平具有重要影響。醫療顯示器在醫療健康域作用凸顯。醫療顯示器是專用于醫學圖像顯示的設備，需具備高分辨率、高對比度、精準色彩還原等特性，為診斷過程中準確、清晰呈現醫學圖像提供保障。影像診斷方面，醫療顯示器可用于 X 射線片、計算機斷層掃描、磁共振成像等；手術導航方面，醫生可通過實時影像顯示，確保手術的精準性與安全性；醫學教育方面，學生可通過醫療顯示器學習解剖結構、病變特征等。（三）新型顯示市場空間廣闊我國保持領先（三）新型顯示市場空間廣闊我國保持領先 新

117、型顯示具有千億級市場規模，人工智能將進一步拉動增長。近二十余年來，全球新型顯示面板市場經歷了互聯網（PC/TV）和移動互聯網（手機/平板）時代，并逐步進入后移動互聯網時代（新型手機信息光子技術發展與應用研究報告（2024 年）52/虛擬現實/智能汽車等），全球市場幾度波動，并在 2021 年達到最高點。近兩年，受宏觀經濟下行和消費需求萎縮影響市場規模呈下降趨勢，2023 年約為 1210 億美元。隨著人工智能快速發展，在數據分析、圖像和語音識別、自然語言處理等方面對新型顯示賦能，拓展應用場景、提升交互體驗，預計未來兩年將成為拉動市場增長的主要動力。來源：Omdia24，中國信息通信研究院 圖

118、21 全球顯示市場規模 美日歐長期主導產業鏈上游，韓國在產業鏈中游與我國旗鼓相當。產業鏈上游技術壁壘和行業集中度高，美日歐占據先發優勢和主導地位。美國 UDC、康寧、3M 等掌握有機發光材料、玻璃基板、增亮膜等國際話語權；日本 Canon Tokki 壟斷全球 OLED 蒸鍍設備；高端液晶以德國 Merck、日本 Chisso、DIC 和 ADK 等為主；小分子 OLED材料的核心專利由美國 Kodak 掌握，高分子 OLED 材料的核心專利由英國 CDT、美國 Uniax 掌握。產業鏈中游全球主要顯示面板供應商集中于中韓，我國企業在 LCD 市場占據優勢，在中小尺寸 OLED 市 24 ht

119、tps:/ 年）53 場與韓國企業激烈競爭市場份額接近25。我國新型顯示技術實現領跑，并加速構建完整產業鏈條。我國已成為全球新型顯示最重要的研發和生產基地，除了較成熟的 LCD 和OLED 技術外，積極布局新興方向，在全球 Micro-LED 顯示專利申請量 Top15 創新主體中數量過半，激光顯示專利申請量全球第一，電子紙顯示領域擁有多家頭部企業。同時，在產業鏈上游液晶材料、玻璃基板、偏光片、OLED 顯示發光材料、柔性顯示材料等關鍵原材料，以及蒸鍍機、面板后道檢測設備、自動光學檢測儀等制造裝備領域加大研發力度，并已取得一定進展。（四）成像技術從多維度突破人類視覺極限（四）成像技術從多維度突

120、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換的技術，涉及圖像的捕獲、轉換和處理，應用于照相機、望遠鏡、顯微鏡等領域。光成像技術的本質是在靈敏度、分辨率、空間、時間、光譜等維度擴展人眼視覺極限，其中基礎光子材料和光電芯片器件對成像技術實現和性能提升具有關鍵作用。光電成像技術在靈敏度方面提升人眼夜視能力。微光成像技術可在低照度條件下實現人眼夜間隱蔽觀察，在夜間偵查瞄準、輔助駕駛、導航制導等軍事應用具有重要作用26。微光成像技術的核心構成部分是圖像增強器，通過光電倍增技術實現信號增強，包含真空像增強器 25 Omdia,OLED Display Market Tracker

121、 1Q24 Analysis 26 陳錢.先進夜視成像技術發展探討J.紅外與激光工程,2022,51(02):9-16.信息光子技術發展與應用研究報告（2024 年）54 和固態像增強器。實現高靈敏度、高分辨率成像是微光成像技術發展的主要趨勢，未來微光成像技術將通過結合光電轉換的光強直接成像，與基于計算成像的信號反演成像不斷優化性能。光電成像技術在空間方面拓展人眼視見范圍。非視域成像技術可對人眼視線范圍之外的場景進行成像，極大拓展傳統成像的空間范圍，在軍事、醫療等領域具有廣闊應用前景。被動非視域成像使用消費級成像設備采集光學信息；主動非視域成像主要基于條紋相機、單光子雪崩二極管（SPAD）、增

122、強電荷耦合器件（ICCD）、飛行時間相機等成像設備開展研究27，具有精度高、分辨率高、對環境魯棒性強和能夠進行三維重建等優勢，是業界探索研究最廣泛的技術方向。光電成像技術在分辨率方面超越人眼分辨能力。人眼的分辨率極限為 100m 左右，超分辨成像技術可打破光學衍射限制實現納米級分辨能力，助力探索微觀世界。典型的超分辨成像技術包括受激發射損耗顯微鏡、結構光照明顯微鏡和單分子定位顯微鏡等。高數值孔徑物鏡、激發光源、可調諧光學元件、高靈敏探測器（如電子倍增電荷耦合器件 EMCCD、科學互補金屬氧化物半導體 sCMOS 相機）、光束整形器件、非線性光學晶體、光柵或衍射光學元件等光學元器件，有效支撐了超

123、分辨成像技術發展，滿足各類科學研究和工業應用需求。光電成像技術在時間方面超越人眼速度局限。超高速攝像機基于先進的 CMOS 光學探測器，具有高感光靈敏度和快速成像能力，能 27 肖涵.非視域成像系統的研究進展J.Applied Physics 應用物理,2023,13(05),213-222 信息光子技術發展與應用研究報告（2024 年）55 夠以每秒數千甚至數萬幀的速度捕捉圖像，遠超人眼每秒數十幀的動態圖像感知速度。高速攝像機可用于記錄快速發生的事件或在極短時間內的變化過程，例如記錄子彈飛行、爆炸發生、液體滴落等瞬間，在科學和軍事等領域發揮價值。光電成像技術在光譜方面突破可見光范圍。人眼只能

124、看至約380nm780nm 范圍的光，非可見光成像技術基于光學探測器，可捕捉可見光波段以外的輻射，在不同場景中實現應用。例如，紫外光能量較高，可引起物體內部粒子激發、電離或能級躍遷，從而產生特定信號，為成像提供依據，可應用于材料缺陷、裂紋和異物檢測、醫學成像等領域；紅外成像通過將物體發射的熱輻射轉換為電信號來生成圖像，可應用于夜視、環境監測等領域；X 射線可穿透物體并通過成像揭示內部結構，可應用于醫學影像等領域。（五）未來五到十年（五）未來五到十年 LCD 和和 OLED 仍為主線仍為主線 光顯示技術未來五到十年的技術發展預計仍將以 LCD 和 OLED兩大技術路徑為主線，LCD 進一步向芯片

125、微縮化、顯示全彩化和場景泛在化等方向演進，OLED 進一步向尺寸擴大和綠色低碳方向演進。應用場景方面，光顯示目前已覆蓋眾多行業，呈現“萬物皆顯示”趨勢，未來五到十年將由需求牽引一是持續向適人化和三維化方向發展，通過輕、薄、可撓曲的柔性顯示等技術適配任意形態產品，實現多元化外型；二是與 AR/VR 功能集成的集成顯示技術，提供真實、沉浸視覺效果，加速元宇宙等新型應用生態構建；三是業界學術界將不斷信息光子技術發展與應用研究報告（2024 年）56 探索能夠提供真實三維呈現效果的新興顯示技術。光成像技術發展經歷了基于透鏡、反射鏡等光學元件的傳統光學成像方式，到基于電荷耦合器件（CCD）、電荷注入器件

126、（CID）和 CMOS 等感光元件的數字化成像演變過程，逐步向智能化方向發展。未來五到十年，將重點聚焦計算光學成像、元成像、自適應光學成像等新型成像方式，持續向無損、多模態等趨勢演進。來源：IDC28，Omdia29，中國信息通信研究院 圖 22 光呈現未來五至十年發展趨勢 六、跨領域交叉融合研究與應用進展（一）連接（一）連接+計算計算+存儲新范式推動算力擴展存儲新范式推動算力擴展 存儲瓶頸可從連接和計算兩方面彌補。近年來，處理器和存儲器的性能發展速度嚴重不均衡，存儲器訪問速度無法與 CPU 數據處理速度相匹配，從處理單元外的存儲器提取數據，搬運時間通常比運算 28 https:/ https

127、:/ 年）57 時間長 23 個數量級，消耗大量能源，“內存墻”、“功耗墻”問題嚴重制約了計算系統整體性能提升。存儲的本質是以對空間的使用換取計算時間的縮短，在算力、運力大幅提升的情況下，利用計算和連接能力彌補存儲能力的不足是重要發展方向，光計算+光互連、存算一體（含近存儲運算）等新型解決方案應運而生。光互連引領高性能計算進入新時代。一方面，片上光互連可使光計算模塊與電計算芯片有效協同，提升單節點算力。另一方面，片間光互連支持可重構解耦架構的數據中心資源池化與橫向擴展，提升多節點算力，助力大規模高效算力網絡實現。多家國內外光計算企業已考慮為其計算產品引入光互連，業務范圍由單純光計算向光互連延伸

128、拓展。例如，將 CXL 與光互連技術結合，實現服務器作為主機讀寫掛載于 CXL 2.0 交換機后的內存資源，突破傳統 CXL 互連方案中銅纜傳輸距離有限的瓶頸。未來，利用光互連將計算系統與更多內存單元有效連接，可進一步提高資源共享效率。存算一體適用于大數據量和大規模并行場景。存算一體架構是將存儲器靠近處理器或存儲器內置處理器進行數據處理或計算，這種計算與存儲融合方式能夠減少傳輸和 I/O 操作，優化計算與存儲間的協同工作，從而消除馮 諾依曼架構的“內存墻”瓶頸，在深度學習神經網絡等大數據量和大規模并行應用場景中較為適用。光存儲器可用于數字域或模擬域的計算架構。在數字域中，二進制相變存儲器可用于

129、數字計算的非易失性光存儲，其全光或電光方案均已得到證明，形成信息光子技術發展與應用研究報告（2024 年）58 處理和存儲更為緊密的計算架構，緩解數據搬運瓶頸。在模擬域中，具有多電平或連續可調響應的模擬存儲器，允許在同一單元中同時存儲和執行算術和/或邏輯操作，通過存內計算方式突破相關瓶頸。（二）通感一體化光網絡協同架構正在構建（二）通感一體化光網絡協同架構正在構建“通感”一體化高效協同架構體系和產業生態正在構建。光纖是光通信網絡信息傳輸的關鍵介質，鋪設區域和密集度快速增長。光纖除構建通信網絡外，兼具多參量的狀態感知能力，將光纖傳感與通信相結合，可實現大規模、高密度的通感一體化光網絡。同時，基于

130、本地計算獨立感知的傳感系統已無法支撐各類新型應用對感知的極致需求，光網絡具有高帶寬、長距離、低時延和高可靠的數據傳輸能力，可有效輔助實現多節點協作感知，拓寬感知廣度，從而形成大帶寬低時延通信、實時狀態感知的通感一體化高效協同、互惠增強架構。通感一體化技術已在多領域展現巨大應用潛力。例如，在電信領域，通感一體化技術助力智能運維，實現對網絡中光纖光纜資源的物理損傷、環境變化等監測，降低運維成本、提升服務質量；在油氣管道和電網行業等能源領域，實現對管道泄漏、腐蝕、非法入侵等監測，以及電網線路覆冰、風舞、雷擊等預警，保障能源安全。另一方面，依托已廣泛部署的光網絡資源，可實現地震、海嘯等地質環境災害預警

131、和城市車流、道路故障等城市動態監測。光網絡通感一體化包括基于分布式光纖傳感和基于相干信號DSP 解調兩種主流技術方案。分布式光纖傳感方案在組網方面可通過信息光子技術發展與應用研究報告（2024 年）59 波分復用、頻分復用（FDM）、空分復用（SDM）等技術整合到已部署運營的相干網絡中，或通過載波調頻方式整合到基于直調直檢技術的現網中，實現通信信號與傳感信號的共傳。相干信號 DSP 解調方案可充分利用系統設備中的 DSP 芯片，在同一波長上實現通信業務和感知業務共存，既有網絡架構無需進行額外調整，是通感一體化光網絡的理想解決方案，但特征提取算法復雜度高、對 DSP 芯片提出新型要求，學術界和產

132、業界正在研究攻克。表 7 國內外通感一體化光網絡標準及研究進展 分類分類 標準化組織標準化組織 標準名稱標準名稱 國際 標準 ITU SG15 Q6 G.dfos 用于地面光傳輸系統的分布式光纖傳感系統(Distributed fibre optic sensing system for terrestrial optical transmission system)ITU SG15 Q8 G.9730.1 專用科學觀測海纜系統(Dedicated scientific sensing submarine cable system)G.9730.2 科學觀測和可靠通信海纜系統(Scientif

133、ic monitoring and reliable telecommunications submarine cable systems)ITU SG15 Q2 G.sup.VHSP 點對多點無源光接入系統要求和每波長 50 Gbit/s 以上的傳輸技術以及傳感考慮（Point to multipoint passive optical access system requirements and transmission technologies above 50 Gbit/s per wavelength and sensing considerations）IPEC 通感一體光傳輸系統

134、（The integrated sensing and optical transmission system）國內 標準 CCSA TC6 WG1 通感一體化光網絡架構及關鍵技術研究課題 CCSA TC6 WG3 光纖光纜線路維護技術 第 3 部分：基于光傳感技術的光纜識別標準項目 CCSA TC6 WG4 通信傳感用光模塊研究課題 通信傳感一體用集成相干接收組件研究課題 通信傳感一體用窄線寬集成激光器組件標準項目 通感一體用光器件研究研究課題 來源：中國信息通信研究院 信息光子技術發展與應用研究報告（2024 年）60 通感一體國內外標準化工作有序開展。ITU-T、國際光電委員會（IPEC

135、）、中國通信標準化協會（CCSA）等國內外標準組織正在針對光網絡通感一體化開展標準研究，已立項系列標準和標準類研究課題。目前，成熟光纖傳感產品通?；?1550nm 波長，與光網絡結合后，需重新規劃傳感信號和光網絡波分復用系統的波長分配，傳感產品的波長范圍需進行改變，窄線寬光源、光放大器件及波分復用器等芯片器件均需進行相應的研發優化。（三）感算融合全光智能技術研究正在開展（三）感算融合全光智能技術研究正在開展 傳感和計算由分離范式向一體化方向演進。傳統端側視覺智能技術大多為感算分離范式，光感知和電計算在硬件上相互獨立，先通過光傳感器采集信號，轉換為電信號后再進行計算，一方面處理速度低，較難滿足

136、實時圖像處理需求；另一方面系統尺寸和功耗較大，應用場景受限。美國和日本提出了“視覺芯片”概念，集圖像采集、并行傳輸和并行處理能力于一體，可采用硅通孔技術將采集、處理和存儲芯片以垂直堆疊方式進行連接，實現先進的三維集成視覺芯片。清華大學 2024 年進一步提出“感算一體全光智能計算架構”30，研制并行化全光感算陣列芯片，以“光入-光出”實現全光機器視覺，處理速度提升至納秒量級，支持每秒千億像素規模的自然光場處理。其工作原理為在光域內直接對圖像處理和分析，圖像在傳輸過程中始終保持光的 30 Wei Wu,Tiankuang Zhou,and Lu Fang.Parallel photonic ch

137、ip for nanosecond end-to-end image processing,transmission,and reconstruction J.Optica,2024,11(6):831-837.信息光子技術發展與應用研究報告（2024 年）61 形式，無光電轉換，避免信息的損失和誤差；且光子技術的并行能力可同時傳輸和處理大量數據，從而提高處理速度。七、材料工藝共性基礎研究與產業進展（一）光子材料多體系并存且處于不同成熟階段（一）光子材料多體系并存且處于不同成熟階段 光子材料可分為化合物半導體、無機晶體和有機物半導體三類，處于多體系并存狀態?；衔锇雽w方面，磷化銦（InP）適

138、合制作高性能邊發射激光器（EEL）、探測器和調制器，并被視為光有源和無源芯片集成的最佳平臺，缺點是成本高、外延工藝復雜、標準化程度較低。GaAs 在光子領域適合短波長應用，如制作 VCSEL、泵浦激光器、LED 等，具有高頻、低能耗特性，但功率特性較差。GaN 的禁帶寬度大、擊穿電壓高，適合制造高電壓、高功率器件，缺點是異質外延工藝復雜。硅基光電子在硅基襯底上利用微納工藝制作光器件，具備小尺寸、高集成優勢，缺點是發光效率低、耦合工藝復雜。SiN 具有低損耗、小尺寸和高集成優勢，適合制作光波導等無源器件。二氧化硅（SiO2）/玻璃具有低損耗、工藝簡單和低成本優勢，是平面光波導分路器、陣型波導光柵

139、的主要材料，缺點是尺寸大、器件種類少且以無源為主。無機晶體方面，體材料鈮酸鋰在 100Gb/s 長距相干光調制器中已獲得廣泛應用，薄膜鈮酸鋰（TFLN）將傳統體材料鈮酸鋰薄膜化，兼具優異的電光調制特性和集成化優勢，是高帶寬、低損耗、高集成調制器的新型平臺和熱門方案。有機物半導體方面，聚合物具有高熱光/電光系數、高帶寬、低功耗、工藝簡單等優勢，適合制作光調信息光子技術發展與應用研究報告（2024 年）62 制器件，缺點是損耗大、穩定性差。來源：中國信息通信研究院 圖 23 光子材料分類與典型應用領域示例 硅基光電子和 InP 在應用領域、功能單元全面性方面占優。每種光子材料的物理特性和適合制作的

140、芯片器件種類不盡相同，目前尚無一種材料能夠低成本、高性能地實現全部芯片器件達到技術收斂，且未來相當長時間內仍將處于多體系并存狀態。其中，硅基光電子和 InP橫跨連接、算存、采集多應用領域，覆蓋豐富的芯片器件種類，InP 具備更優異性能，硅基光電子可基于成熟 CMOS 工藝、利于規模制造和成本降低，與其他硅基材料的兼容性更好。根據應用需求，如追求單一性能更優的分立功能單元，可選擇特定材料；若將更多功能單元集成，硅基光電子和 InP 是較好選擇。光子材料處于成熟期、成長期和培育期不同發展階段。III-V 族、II-VI 族、SiO2/玻璃、體材料鈮酸鋰、液晶、有機高分子/小分子等處于成熟期，目前已

141、實現規模商用，并在同類產品中占據主流。硅基光信息光子技術發展與應用研究報告（2024 年）63 電子、薄膜鈮酸鋰等處于成長期，硅基光電子雖已有部分量產化產品，但在同類產品中尚未成為主流；薄膜鈮酸鋰預計于未來 12 年進入商用。鈣鈦礦（如鈦酸鋇薄膜）、二維材料/超材料等新型材料可進一步實現光信號的靈活控制與高效轉換等，當前處于培育期，以實驗室研究驗證為主。由于成熟期和成長期光子材料的潛力仍未充分發掘，新型材料的產業路徑尚不清晰。來源：中國信息通信研究院 圖 24 光子材料處于不同成熟階段 配套電芯片材料主要包括硅基、鍺硅（SiGe）和 GaAs 等。光子芯片器件通常需要電芯片配合才能正常工作，如

142、驅動器、跨阻放大器、線性放大器等模擬電芯片，以及數字信號處理、數據時鐘恢復等數字電芯片。硅基材料基于集成電路 CMOS 工藝，具有低功耗、高集成、低成本優勢，但高頻損耗和噪聲較大，適合制作數字電芯片和中低速模擬電芯片；GaAs 適合制作模擬電芯片，具有寬禁帶、高頻、抗輻射和耐高壓等特性；SiGe 基于 BiCMOS 工藝，適合制作高速模擬電芯片，具備高功率、低噪聲優勢，但功耗較高集成度低。信息光子技術發展與應用研究報告（2024 年）64（二）光子集成正處于轉向規模發展的關鍵節點（二）光子集成正處于轉向規模發展的關鍵節點 光子集成當前正處于轉向規模發展的關鍵節點。光子集成（PIC）是將相同或不

143、同功能的分立光芯片器件集成在一起，目前中小規模PIC技術已經成熟并取得廣泛商用；大規模PIC集成度在實驗室研究中可達104105，但在光源、工藝兼容、規模制備等方面仍存在諸多挑戰，且由于市場規模、技術代價和經濟效益等因素尚未實現規模商用。隨著大數據、人工智能、萬物感知和新型顯示時代的到來，光連接、光算存、光采集和光呈現四大應用領域對更高性能、更小型化、更低功耗和更優成本的需求日益迫切，將驅動PIC快速發展，形成技術進步與市場規模提升相互促進的正反饋模式。與上世紀六十年代傳統電子向微電子過渡的情況相似，PIC當前正處于轉向規模發展的關鍵節點。早期的PIC平臺以InP為主，近年來硅基光電子在更高集

144、成度、CMOS兼容大規模制造和低成本方面優勢凸顯，未來以硅基光電子為基礎平臺，聚合不同材料體系的異質異構集成極具發展前景。來源：Roadmapping the Next Generation of Silicon Photonics31 圖 25 主流材料體系的集成度 31 Sudip Shekhar,et al.Roadmapping the Next Generation of Silicon PhotonicsJ.Nat Commun,2024,15(1):751.信息光子技術發展與應用研究報告（2024 年）65 與微電子集成電路 CMOS 工藝相比，光子集成在工藝流程和復雜程度上相似

145、，但在功能結構單元、材料體系、標準化程度、發展規律和提升維度等方面存在明顯差異，如表 8 所示。表 8 光子集成與集成電路技術比較 光子集成光子集成 集成電路集成電路 原理特性 側重光子與物質、光子與電子之間的互相作用，例如：光源（受激/自發輻射）：電子-空穴復合產生光子，是否發光及波長范圍與材料能帶結構相關；光探測（受激吸收）：吸收光子產生電子-空穴對，轉換為電壓/電流信號；光調制：利用電光效應、電吸收效應、等離子色散效應等實現光信號強度、相位、偏振等調制；光波導：利用材料折射率差異控制光信號導行方向，實現對光傳輸路徑的控制。側重電子之間的互相作用：通過電壓控制電流，完成基礎邏輯處理；通過邏

146、輯門布局、控制和走線，實現電芯片功能。功能和結構單元 類別較多：包含光源、調制、探測、波導等不同基礎功能單元，采用不同材料、組份、物理效應等實現；為低成本適配不同應用場景，同一基礎功能單元有多種結構類型，如光源有 EEL、VCSEL、LED 等，調制有 MZI、微環等；探測有 PIN、APD 等。單元統一：晶體管為基礎單元，相同基礎單元利于規模集成。材料體系 多樣化：III-V 族、硅基材料、鈮酸鋰、聚合物等。相對統一：硅基、鍺硅。標準工藝 標準化程度低：不同材料和功能單元制造方法不一、工藝兼容性差，標準單元庫尚不完善。標準化程度高：標準單元庫可直接調用。發展規律 不遵循摩爾定律：受衍射極限等

147、限制，較難通過先進工藝制程實現集成度提升和尺寸縮減。遵循摩爾定律。工藝 提升維度 設計環節：包含能帶結構、器件結構、載流子輸運、光場與電場協同調控等諸多物理層因素，不同功能單元設計的側重點不同；制造環節：以激光器速率提升為例，需高質量外延、高精度加工工藝、高可靠性集成方法，并可通過多次外延、側面外延、控制外延片導帶深度和減薄程度、控制腔長或面積等多種方式實現。設計環節：側重功能需求空間、單元間聯結方法、與復雜算法的協同、低功耗等；制造環節：側重工藝制程提升。來源：中國信息通信研究院（三）集成制造和先進封裝是光子集成布局重點（三）集成制造和先進封裝是光子集成布局重點 設計軟件將向光電協同、多芯片

148、和系統級仿真設計路線演進。光信息光子技術發展與應用研究報告（2024 年）66 子集成的產業鏈條包含設計工具、制造工藝、封裝工藝、測試驗證、原材料及裝備儀表等環節。其中，光芯片設計工具電子光子設計自動化（EPDA）是在電子 EDA 基礎上融合光學仿真與工藝設計套件（PDK）而形成，設計思路與流程仿照 EDA，目前已可實現集成光路自動化布線，其發展不存在明顯的技術或成本障礙，未來五年將向光電協同、多芯片和系統級仿真設計的路線演進。產業化方面，國外多為 EDA大廠通過收并購布局 EPDA，可提供端到端流程；國內 EPDA 企業數量相對較少，通過不斷探索已可支持芯片級到系統級仿真，但在物理仿真尤其有

149、源仿真方面成熟度相對較低。來源：中國信息通信研究院根據公開信息整理 圖 26 重點光子集成制造與先進封裝工藝 集成制造和先進封裝工藝是光子集成的布局重點，本報告選取其中十項重點工藝及材料進行介紹：信息光子技術發展與應用研究報告（2024 年）67 1.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勢，在光子領域占據重要地位。InP 材料以數據通信和電信應用為主，GaAs 材料以數據通信和射頻（RF）器件為主，兩者逐步向 3D 傳感、激光雷達等領域延伸，應用范圍不斷拓展；GaN 材料在 Mini/Micro-LED 顯示、RF 和功率器件方面具有廣泛應用。外延為難度之首、

150、非標準化工藝持續適需優化，日歐美企業占據優勢。III-V 族襯底晶圓以 6 英寸及以下為主，為提高規模生產效率，大尺寸為發展趨勢。III-V 族芯片的工藝制程為百納米量級，核心環節包括外延、光刻、刻蝕、沉積、退火、研磨拋光、減薄等，其中外延為難度之首。外延的核心是生長不同材料的層結構，生長過程中需對每層材料的厚度及均勻性、組分摻雜水平、應力結合力等進行精確控制，并對溫度環境、機臺設備和特氣穩定性等進行有效控制與反復適配。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細節、良率等在不同廠家、不同類型的產品中均存在差異，較大程度依賴“Know-How”經驗。2.硅基光電子芯片工藝 硅

151、基光電子融合微電子與光子優勢，市場規模提升應用領域拓展。硅基光電子具備微電子的超大規模制造、高集成度、低成本，以及光子的超高速率、超低能耗等雙重優勢，開辟“芯”賽道，美國、歐洲等高度重視、并投入大量資金開展硅基光電子研究。硅為間接帶隙材信息光子技術發展與應用研究報告（2024 年）68 料，不利于制作光源，通常用于光波導等無源器件，通過其他材料摻雜可制作調制和探測有源器件，與 III-V 族材料相比，硅基光電子調制和探測器在集成度、線性度、反射、增益帶寬積等方面具備優勢。根據 Lightcounting 數據，硅基光電子芯片的市場規模將從 2023 年的8億美元增長至2029年的30億美元以上

152、，當前應用場景以數據中心、電信網絡為主，未來將逐步向芯片級光互連、光計算芯粒、集成傳感等更寬領域拓展。硅基光電子基于CMOS工藝改進優化但制造水平仍有提升空間。硅基光電子的制造工藝盡量趨同標準 CMOS 工藝，但存在必要的改動，例如襯底采用絕緣體上硅（SOI），頂硅厚度更厚；增加了部分刻蝕、Ge 外延生長和光窗成型等工藝步驟；并對部分參數進行了優化，包括增加/優化處理工藝以減小側壁粗糙度，面向不規則圖形定制化設計圖形修正方案，針對不同材料/器件高度分別優化金屬電極接觸等。整體而言，硅基光電子制造工藝與標準 CMOS 工藝的復雜程度基本相當，關鍵工藝技術已初步攻克，但規模制造水平仍有提升空間，尤

153、其在 PDK 構件、版圖驗證、工藝可重復性及產量、封裝生態等方面，與標準 CMOS 工藝仍存在明顯差距。我國硅基光電子制造與先進水平存在差距。硅基光電子產業競爭格局正在圍繞多類型參與者構建形成，包括垂直整合廠商、Fabless 初創企業、代工廠、研究機構等，產業鏈關鍵環節包括設計、襯底、外延、制造、芯片器件、模塊、系統等。其中，制造以代工模式為主，信息光子技術發展與應用研究報告（2024 年）69 國外領先代工廠已可實現12英寸晶圓平臺，先進工藝節點達到45nm，具備異質異構集成、以及光電單片集成解決方案，兼具鍺硅、氮化硅等材料的工藝能力，我國硅基光電子制造與先進水平存在差距。3.氮化硅芯片工

154、藝 氮化硅低損耗特性顯著，助力共建“大硅光”平臺。氮化硅適合制作光波導等無源器件，具有低損耗特性，易與硅基光電子、薄膜鈮酸鋰、鈦酸鋇（BTO）薄膜等材料集成。氮化硅光波導包含低壓力化學氣相沉積（LPCVD）和等離子增強化學氣相沉積（PECVD）兩種主流沉積工藝路線，其中，LPCVD 路線通過高溫沉積可產生標準化學計量比的 Si3N4，性能穩定、波導表面光滑，傳輸損耗低；PECVD路線的沉積溫度要求低于 LPVCD，工藝兼容性更好、沉積速度快，但傳輸損耗較大。在與其他材料異質集成時，需綜合考慮工藝流程及兼容性、波導性能和制造效率等因素。產業化方面，氮化硅整體處于商用初期階段，全球代工平臺包括比利

155、時 IMEC、新加坡 IME、荷蘭LioniX、瑞士LiGenTec、美國AIM、法國CEA-Leti 等。4.鈮酸鋰薄膜及芯片工藝 國內外薄膜鈮酸鋰芯片制備平臺以研發線為主。鈮酸鋰薄膜的典型制造工藝包括離子注入、鍵合、退火剝離、研磨拋光等，分為 LNOI、SOI 兩種襯底類型，均可實現高帶寬，其中 LNOI 具有更大帶寬拓展空間，SOI 具有更大規模集成優勢。晶圓尺寸以 3/4 英寸為主，少數領先企業已在 6/8 英寸等更大尺寸薄膜制備環節取得突破，薄膜的典信息光子技術發展與應用研究報告（2024 年）70 型厚度約 300nm1200nm，對厚度均勻性要求較高。由于材料化學穩定性高、刻蝕困

156、難，學術和產業界正在提出和驗證多種波導類型與工藝方案，傳輸損耗等關鍵指標仍在優化，規模應用有待成熟。多家國內外企業和研究機構紛紛布局，開展相關工藝與 PDK 研發，并已實現高帶寬強度和相位調制器等系列樣品。5.高端靶材工藝 靶材用于濺射鍍膜改善顯示性能，全球競爭格局日韓領先。光顯示面板制造工藝中，通過濺射鍍膜技術將靶材物質濺射到顯示器表面，形成均勻緊密的薄膜，在氧化銦錫（ITO）玻璃/彩色濾光片鍍膜和觸控屏面板鍍膜環節中，靶材質量可直接影響屏幕的色彩飽和度及亮度。根據中信證券數據，全球平面顯示靶材的市場規模超過五百億元，其中 ITO 靶材全球市場由日本日礦、三井礦業、東曹、韓國三星，以及德國和

157、美國少數企業壟斷；日礦和三井礦業幾乎占據高端 TFT-LCD市場用 ITO 靶材的絕大部分市場，以及下游觸摸屏面板市場。表 9 不同靶材在光顯示中的典型應用 靶材靶材 應用應用 特點特點 ITO 透明導電薄膜 透明性好、導電性高 鉻 薄膜電路和屏蔽層 導電性高、機械穩定性好 鉬 液晶和 OLED 顯示中用于電極和連接層 耐高溫、化學穩定性強 鋁 反射層和導電層 反射率優異、電阻率低 鋁銅 增強導電薄膜的機械性能和熱穩定性 保持良好導電性的同時提供額外的機械強度 鋁鈧 提升導電性能和穩定性 在傳統鋁靶材基礎上提供改進的電學特性 銅 形成導電層，尤其用于高端顯示器件 導電性高、熱穩定性好 來源：中

158、國信息通信研究院根據公開信息整理 信息光子技術發展與應用研究報告（2024 年）71 6.硅基微顯示 硅基微顯示技術結合 CMOS 工藝減少功耗與體積，并提升顯示性能。硅基微顯示技術以硅基材料作為背部驅動板，包括像素電路、行列驅動、數據轉換等功能模塊。核心優勢在于可利用成熟的 CMOS工藝，實現在更小尺寸上集成顯示單元，提升像素點密度，甚至進一步集成信息處理和存儲等功能單元。典型的硅基微顯示產品包括硅基OLED、硅基 Micro-LED 和 LCOS 等，對比如表 10 所示。硅基微顯示技術由于具備高分辨率、低功耗、小型化和高亮度等特性優勢，在增強現實（AR）眼鏡、頭戴式顯示器、高端大屏投影、

159、全息成像、車載抬頭顯示、大容量交換調度等領域極具發展前景。表 10 硅基微顯示技術對比 硅基微顯示技術硅基微顯示技術 成熟度成熟度 亮度亮度 對比度對比度 功耗功耗 設備尺寸設備尺寸 壽命壽命 硅基 OLED 中 中 高 低 小 中 硅基 Micro LED 低 高 高 低 小 長 硅基液晶 LCOS 高 高 中 中 大 中 來源：中國信息通信研究院根據公開信息整理 7.異質集成工藝 硅基異質集成是光子集成發展終極目標。每種光子材料均有各自的局限性，且單一材料體系性能提升速度緩慢，光子集成開始由單材料集成向多材料異質集成演進。以硅基光電子為基礎平臺，與 III-V族、氮化硅、薄膜鈮酸鋰，以及鈣

160、鈦礦、石墨烯等新型材料異質集成，可充分發揮各種材料的優異特性，實現整體性能最優。異質集成包含晶圓級鍵合和異質外延生長兩種主要方式。晶圓級鍵合將兩塊同質/信息光子技術發展與應用研究報告（2024 年）72 異質晶圓通過化學物理作用、光刻對準等方式緊密結合在一起，再制造芯片結構，主要挑戰為晶圓尺寸不匹配、表面處理要求高、無法選用已知良品芯片等，預計為中短期內主流技術路線。異質外延生長是在已制作好的晶圓上，選區外延生長其他材料后再制造芯片結構。硅基異質外延生長是最接近傳統 CMOS 工藝的異質集成路線，為長期發展目標，但實現難度較大，需材料、結構、工藝等系列基礎性創新突破，預計仍需十年以上走向成熟。

161、8.異構集成/混合集成工藝 異構/混合集成為重要發展方向。異構/混合集成包括光芯片與電芯片之間的集成，以及光芯片與光芯片之間的集成。如圖 27（a）所示，光芯片與電芯片之間的連接方式由傳統引線鍵合逐步向 2.5D 芯片倒裝、3D 硅通孔（TSV）/TOV 演進，2.5D/3D 集成均可縮短光電芯片間電學互聯長度、減小封裝尺寸和寄生效應，實現更高性能與集成度，其中 3D 集成將光電芯片在垂直方向上堆疊，可實現更短互聯長度、更高集成密度和更優高頻性能，但由于散熱問題尚未解決，當前階段以 2.5D 集成為主，臺積電、英特爾等較早布局了 2.5D/3D 集成。如圖 27（b）所示，光芯片與光芯片之間的

162、異構/混合集成主要用于解決 III-V 族激光器和硅基光電子芯片的連接問題，集成結構亦由平面轉向立體，包含多種 2.5D/3D 集成封裝方式，其中 3D 倒裝為當前主流技術方案。信息光子技術發展與應用研究報告（2024 年）73 （a）光芯片與電芯片之間 （b）光芯片與光芯片之間 來源：Roadmapping the Next Generation of Silicon Photonics32 圖 27 異構/混合集成技術路線比較及演進趨勢 9.光電單片集成工藝 光電單片集成挑戰諸多仍處探索階段。光電單片集成具有低功耗、易封裝、高可靠等優勢，是未來發展趨勢和理想解決方案，但實現難度大開發成本高

163、，相關工藝研究及優化雖已得到多次驗證，但仍處早期發展階段，預計短期內不會大量應用。光子與電子物理特性的差異會導致兩者在單片集成協同設計時顧此失彼，針對這一問題美國 AIM 32 Sudip Shekhar,et al.Roadmapping the Next Generation of Silicon PhotonicsJ.Nat Commun,2024,15(1):751.信息光子技術發展與應用研究報告（2024 年）74 等已啟動構建“設計、制造、封測一體化”工藝平臺，開發包含布線、模型、設計規則檢查和原理圖等在內的 PDK，建立有源中介層平臺以支持打線、光纖貼裝、倒裝芯片 CMOS/球柵

164、陣列封裝（BGA）和 2.5D激光器貼裝等封裝工藝，提供測量設計套件及測試服務。10.巨量轉移與微轉印 巨量轉移是 Micro-LED 走向規模量產的關鍵工藝之一。巨量轉移技術用于將大量微米量級的 LED 芯粒從生長基板高效、精確地轉移到目標驅動基板上，以構建高密度顯示陣列。由于涉及數十萬甚至上千萬顆芯粒的轉移，且轉移精度需滿足 0.5um，典型轉移效率2萬片/秒，典型轉移良率不低于 99.9999%，對像素錯誤的容忍度極低，工藝挑戰性較高。巨量轉移工藝追求效率與成本的雙重優化，目前業界主流技術路線包括大尺寸印章轉移和激光類轉移等。微轉印技術類同巨量轉移，兼具芯片倒裝和晶圓級鍵合優勢。微軟印技

165、術可規模并行取放不同材料、不同工藝節點和技術方案的芯粒，在硅基光電子晶圓上實現芯粒堆疊，兼具芯片倒裝（良品可選、后端集成）和晶圓級鍵合（高產能、高效耦合）兩者優勢，歐洲 X-Celeprint已啟動研發。微轉印技術的主要挑戰在于對芯粒和基底表面處理要求非常高，針對部分特殊材料和結構工藝仍有待改進，需達到0.5m對準精度、每掩膜板數千器件、耦合效率0.5dB/接口的高要求，目前產業鏈尚不完善。信息光子技術發展與應用研究報告（2024 年）75 (a)Micro-LED 巨量轉移 (b)微轉印 來源：Yole33，INSPIRE project&OFweek34 圖 28 巨量轉移與微轉印技術示意

166、（四）垂直整合、細化分工等多種制造模式并存（四）垂直整合、細化分工等多種制造模式并存 光子材料的工藝制造包含垂直整合（IDM）、細化分工或通用代工（Fabless+Foundry）、以及介于兩者之間的 Fab-lite 三種典型模式。InP、鈮酸鋰、SiO2/玻璃、有機物等材料體系以垂直整合模式為主。該類材料市場需求量相對有限、制造標準化程度低，核心制造工藝較大程度決定芯片器件性能。以 InP 材料為例，美日 IDM 頭部企業通過引領高端產品研發建立市場優勢，并通過系列并購重組強化產業鏈垂直整合能力。但隨著需求規模和制造難度的不斷上升，InP 亦呈現出向大尺寸晶圓拓展的趨勢、以及向標準制造工藝

167、通用代工模式轉變的可能性。硅基光電子、SiN、GeSi 等材料體系以通用代工模式為主，產線建設成本高、投入大，傳統集成電路代工廠可兼容硅基光電子芯片制造。GaAs、GaN 等材料體系采用 Fab-lite 模式，除光子產品外，該類材料與射頻 RF 和功率器件等共產業鏈，市場需求量大可支撐通 33 https:/ https:/ 信息光子技術發展與應用研究報告（2024 年）76 用代工廠專注于工藝研發；同時，部分企業自身聚焦關鍵或可完成的環節，其他環節委外加工，該模式兼具輕資產化和自主掌控產業鏈關鍵環節的優勢。未來，大規模異質異構集成、光電單片集成階段，預計將以通用代工模式為主。來源：中國信息

168、通信研究院 圖 29 不同光子材料的典型制造模式（五）各材料體系與異質異構集成工藝同步演進（五）各材料體系與異質異構集成工藝同步演進 III-V 族雖為成熟材料體系，為滿足各類新型應用需求，業界仍將不斷挖掘和優化其制造工藝，對外延生長厚度及均勻性、光刻與刻蝕均勻性、粗糙度等提出更加苛刻的指標要求。未來 510 年，InP 工藝平臺的刻蝕深度均勻性預計將提高至0.5%，側壁粗糙度提高至2nm，刻蝕槽窄至 50nm，介質厚度均勻性提高至0.5%；激光器線寬和波長調諧范圍到 2030 年提升至 2kHz、100nm 量級，2035 年之后進一步向1kHz、150nm 量級挺進。硅基光電子的工藝要求方

169、面，從 5 年前的 8 英寸晶圓 130nm 節點演進至當前的 12 英寸晶圓 90nm 節點，預計 2030 年將普遍達到 12信息光子技術發展與應用研究報告（2024 年）77 英寸晶圓 45nm 節點，之后工藝節點可能會進一步升級，如 2035 年達到 12 英寸晶圓 28nm 節點。器件帶寬方面，從 5 年前的15GHz40GHz 演進到當前的 50GHz 以上，未來通過大帶寬配套電芯片拉動或異質集成還將進一步提升帶寬。產品與應用方面，5 年前硅基光電子主要用于電信和數據中心領域，典型產品如 100Gb/s 可插拔光模塊。當前智算中心和高性能計算應用興起，帶動 400/800Gb/s

170、可插拔光模塊、光計算芯粒和 CPO/OIO 等新產品出現。預計 2030 年可插拔光模塊速率將發展至 1.6/3.2Tb/s，片上光互連網絡更加成熟，同時用戶健康領域新型傳感產品如智能手環將取得應用，光計算互連一體化特征明顯。2035 年車載傳感和生物醫療領域代表產品如激光雷達和光譜檢測將進入應用階段，晶圓級光互連網絡開始成熟。未來傳感領域極具潛力，片上實驗室將是重要發展方向。氮化硅的工藝要求更加優化，厚度均勻性和側壁粗糙度將分別從5 年前的 3%、幾個 nm 提升到 2035 年的 0.5%、小于 0.5nm。預計2035 年，波導損耗降低到小于 0.001dB/cm，比五年前優化 2 個數

171、量級。應用方面從研發中試、小規模光連接到未來的大規模多領域應用，生物醫療是重要潛在發展方向。薄膜鈮酸鋰芯片器件當前帶寬為 70100GHz，預計 2030 年將提升至 150200GHz，2035 年提升至 150200GHz；發展階段將由目前的研發中試邁向實用，預計兩年內優先在光連接領域實現小規模商用，五年內實現大規模商用，并逐步向光計算和光采集等領域拓展。信息光子技術發展與應用研究報告（2024 年）78 硅基光電子結合異質異構集成技術可大幅提升集成規模與器件性能。預計將從 2.5D/3D 集成、中等規模異質異構集成發展到 2035年的大規模異質異構集成，并進一步實現中等規模光電單片集成。

172、來源：IPSR-I Roadmap 202435，中國信息通信研究院 圖 30 基礎工藝未來五至十年發展趨勢 八、光電融合研究進展與產業影響（一）光子與電子技術呈現協同互補融合關系（一）光子與電子技術呈現協同互補融合關系 光子與電子作為信息技術的兩大基礎性支撐，物理特性存在明顯差異、各具優劣勢。光子在粒子特性上屬于波色子，不帶電荷、無靜止質量，具有高帶寬、低能耗、并行性、低串擾和抗電磁干擾等優勢，但難以實現信息領域所需的全部功能；電子在粒子特性上屬于費米子，帶有負電荷和非零的靜止質量，具有靈活性好、數字能力強和集成度 35 MIT,PhotonDelta.Integrated Photonic

173、s System Roadmap International(IPSR-I Roadmap),2024 信息光子技術發展與應用研究報告（2024 年）79 高等優勢，但面臨帶寬、功耗和易受電磁干擾等挑戰。表 11 光子與電子物理特性比較 比較內容比較內容 電子電子 光子光子 粒子特性 費米子 波色子 靜止質量 m0 0 運動質量 me hr/c2 電荷-e 0 粒子間作用 強 弱 處理方式 串行 并行 傳播特性 不能在自由空間傳播 可在自由空間傳播 時間特性 有時間不可逆性 有一定類時間可逆性 來源：光通信研究36 來源：華中科技大學37 圖 31 光電融合帶來范式轉變 融合是光子和電子技術發

174、展需求的雙向奔赴。從時間脈絡來看，光子技術的發展晚于電子技術，雖然在部分領域實現了對電子的替代，但兩種技術不是“非此即彼、代際演進”的完全替代關系，近年來呈現出越來越強的融合趨勢。如圖 31 所示，光子和電子技術由早期單 36 張新全，肖希，余少華.信息光電子微電子化技術進展和發展探討J.光通信研究,2023,240(06).37 https:/ 年）80 向靜態、精顆粒度、黑盒子的“分離范式”，向多向動態、更多顆粒度和更多信息的“融合范式”演進。光電融合可充分發揮光子、電子各自優勢，共同推動系統級性能（速率、帶寬、算力、能效等）提升，已成為信息技術創新發展和持續演進的重要路徑。（二）光電融合

175、包含功能協同和硬件一體維度（二）光電融合包含功能協同和硬件一體維度 光電融合包含功能和硬件兩個維度38，早期光電融合以功能協同、硬件分立為主，即光子和電子以相對獨立的硬件形態實現功能上的相輔相承；當前階段，光電融合在功能協同方面持續深化，同時硬件一體成為研發熱點，并逐步向“功能+硬體”深度融合趨勢演進39。功能協同化方面，早期的光電融合為淺層次松散協同。例如，一是光連接率先在數百及上千公里城域和干線、百公里數據中心之間互聯、數十公里及以內數據中心內部互聯等領域替代銅纜電連接，實現長距離大帶寬傳輸。二是全光交換一方面可實現波長級大顆粒調度，與小顆粒電交換分場景部署，實現系統最優的成本與功耗；另一

176、方面通過光線路側性能改善，可降低收發端側電信號的處理要求，實現“非摩爾補摩爾”；三是激光雷達對目標輪廓的捕捉較為精確，但易受氣候、光照、探測距離等因素影響，傳統傳感器具有探測距離遠、全天候全天時等優勢，但成像效果不佳，兩者結合可在目標信息獲取方面 38 張新全，肖希.集成電路發展與光電融合探討J.光通信研究,2024.39 Min Tan，et.al.,Circuit-level convergence of electronics and photonics:basic concepts and recent advancesJ.Frontiers of Optoelectronics,20

177、22,15(2):16.信息光子技術發展與應用研究報告（2024 年）81 實現互補。四是光纖分布式傳感在部分線性、長距、多參量應用場景替代了傳統點式傳感器，提供更高測量精度和更長測量距離，推動感知基礎設施能力和范圍全面提升。五是光盤存儲具備壽命長、安全性高、能耗低等優勢，但存儲容量較小，適合低訪問頻次、高重要性數據，可與電、磁存儲分場景按需配合使用。近年來，光電融合逐步向深層次緊密協同發展。一方面，光連接由宏入微，從 100m 及以上距離逐步進入機架間、板卡間、板卡內、封裝內和芯片內，連接媒質由光纖向光波導延伸，突破銅線電互連物理性能局限，驅動算力由服務器到服務器轉向芯片到芯片40；另一方面

178、，光計算推動計算架構向非馮-諾伊曼拓展，以光電神經網絡為例，由馬赫-增德干涉儀構成的基本計算單元組合成為光信號處理陣列，通過相位控制可實現任意幺正矩陣運算，輔以放大器和衰減器等可實現任意矩陣運算，在 AI 等領域作為協處理器對電計算“補充、加速”，共同完成計算任務。來源：中國信息通信研究院 圖 32 功能維度光電融合 40 張新全，肖希.集成電路發展與光電融合探討J.光通信研究,2024.信息光子技術發展與應用研究報告（2024 年）82 硬件一體化是光電融合基礎與關鍵。光電融合在催生新一代功能應用蓬勃發展的同時，也成為驅動新一代制造技術創新演進的源動力。硬件一體化是指通過有效的設計和工藝，將

179、光、電芯片單元集成在同一封裝內或同一襯底上，技術路徑包括異構/混合集成、光電單片集成。其中光電單片集成是光電融合硬件一體化的理想解決方案，但技術難度大、成本高，2.5D/3D異構集成預計可更快走向實用。硅基將成為光電融合的主流集成平臺和重要技術路徑。當前，微電子技術已實現大規模集成化，光子技術仍處于中小規模集成化階段，為實現光電融合硬件一體化，光子集成技術需在集成度、標準化和大規模低成本制造等方面充分借鑒微電子技術的發展經驗41。材料平臺方面，光子集成雖有多種材料體系，但考慮硅基材料與集成工藝在微電子領域已有數十年發展基礎，且硅基光電子可在同一襯底上實現大部分光子器件、集成度目前已達 1041

180、05，隨著光電異構/混合集成、多材料異質集成等先進工藝的日益成熟，可解決光源、光放大、高帶寬等問題，集成度將進一步提升，故硅基將成為光電融合的主流集成平臺和重要技術路徑。國際頭部企業積累深厚已掌握部分先進工藝，并成功驗證相關產品，具備光電融合的基礎條件。主要技術方案包括先進集成封裝、RFSOI+硅光單片集成、GeSi BiCMOS+硅光單片集成。具體來看，TSMC 開發光子引擎 COUPE 平臺，覆蓋可見光、近紅外和紅外波段，41 張新全，肖希.集成電路發展與光電融合探討J.光通信研究,2024.信息光子技術發展與應用研究報告（2024 年）83 利用芯片堆疊技術將光電芯片3D集成，并將于20

181、26年集成至CoWoS封裝；提出用于計算+通信的集成光互連系統 iOIS，采用中介層作為高性能計算和網絡應用的集成平臺。Global Foundries 推出 GF Fotonix硅基光電子平臺，布局 90WG、45CLO 工藝，基于 12 英寸晶圓制造和工藝控制，可實現模擬與數字電芯片、硅光器件的單片集成。此外，Tower Semiconductor、英特爾、IHP 等也著力布局開發基于硅基的光電融合集成工藝。光電融合涉及產業鏈環節更廣，除制造工藝外，協同設計也將成為克服光電融合芯片設計復雜性的關鍵之一。未來，光電融合將向“功能+硬體”深度協同的方向發展演進。硬件上可通過異構/混合集成、光電

182、單片集成等實現一體化，同時功能上也在同一封裝或芯片內實現協同化，如片上或晶圓級光互連、光電深度融合計算架構等。國內外多家頭部企業和知名研究機構正積極開展相關研究，例如，2023 年 10 月清華大學面向低能耗人工智能關鍵問題，提出光電深度融合計算架構，研究成果發表于國際頂級期刊Nature42；2024 年 1 月日本電信運營商 NTT 與美國英特爾宣布合作開發基于光電融合技術的半導體產品等。（三）后摩爾時代重要趨勢深遠影響產業格局（三）后摩爾時代重要趨勢深遠影響產業格局 光電融合是后摩爾時代重要趨勢，以系統優勢滿足信息產業新型應用需求。自上世紀六十年代以來，微電子集成電路技術快速發展，晶體管

183、尺寸遵循摩爾定律預測的軌跡持續縮減，助力實現更高集成度 42 https:/dolorg101038/s41586-023-06558-8 信息光子技術發展與應用研究報告（2024 年）84 和更低功耗，目前特征尺寸已達3nm及以下。然而受物理極限和經濟因素等限制，晶體管尺寸的進一步縮減面臨極大挑戰，后摩爾時代已然到來，其思想是將集成電路與其他技術相結合，另辟蹊徑實現更豐富的功能性能。IEEE發布的國際集成電路發展路線圖（IRDS）43，提出光子技術是超越摩爾、系統與架構、系統外互聯等方面的重要方向。光電融合是后摩爾時代重要超勢，將光子技術與集成電路相結合，可充分發揮光子電子兩者優勢，滿足信息

184、產業不斷提升的應用需求。超越CMOS方向為光電融合發力重點。光電融合可在功耗、帶寬、時延等多方面為集成電路提供助力，不僅在當前業界著力的擴展摩爾方向鋒芒初露，在超越CMOS方向亦存在諸多可能性，為未來發力重點。擴展摩爾方向，通過異質異構集成引入光子技術，預計早期以光互連切入，未來進一步引入光計算等，有望實現處理器芯片、存儲芯片、光芯片的“巨集成”44，整合更多功能、更大帶寬、更低時延和功耗。超越CMOS方向，通過引入光子技術，將在新材料、新結構、新機理等多方面帶來功能性能的顛覆性突破創新。光電融合將分階段推進，并在系統架構、產業格局等多方面產生深遠影響。第一階段（未來 35 年），光子技術市場

185、規模將呈現數量級躍升，集成制造環節仍執產業鏈“牛耳”，光電融合以電為基礎、將光融入，業界已具備一定基礎條件，傳統集成電路工藝平臺更容易掌 43 https:/irds.ieee.org/images/files/pdf/2022/2022IRDS_WP-MtM.pdf 44 張新全，肖希.集成電路發展與光電融合探討J.光通信研究,2024.信息光子技術發展與應用研究報告（2024 年）85 握光電融合芯片制造能力。第二階段（未來 58 年），隨著融合程度不斷加深，不僅停留于芯片層面，系統架構、設計工藝等多層面均需適應性調整。第三階段（未來 810 年），引入新材料、新結構、新器件、新原理、新系

186、統等創新方案以推動持續發展。例如，業界正在研發試驗石墨烯、過渡金屬硫族化合物、二維光子晶體、超表面材料等多種新型材料，以持續優化關鍵性能、簡化集成復雜度。來源：國家信息光電子創新中心45，中國信息通信研究院 圖 33 光電融合發展階段 九、信息光子技術與應用前景展望（一）細分領域發展迅速應用場景進一步拓展（一）細分領域發展迅速應用場景進一步拓展 以光采集、光連接、光算存、光呈現為代表的光子技術具備萬億級市場空間，貫穿信息生命周期全過程，對提升國家科技實力、促進產業轉型升級和推動經濟社會發展具有重要戰略意義。在人工智能、6G、生物醫療等各類新興業務及應用需求牽引驅動下，以及新型光子材料與先進制造

187、封裝工藝有效支撐下，光子技術迭代將明顯加速，滿足更多元化場景需求，市場規模也將持續增長。45 張新全，肖希.集成電路發展與光電融合探討J.光通信研究,2024.信息光子技術發展與應用研究報告（2024 年）86 光連接持續向更高性能、更多場景迭代延伸。高性能方面，以人工智能為代表的等各類業務應用驅動光連接持續向高速率、大容量、高可靠、低能耗、低時延等方向發展演進，在新材料、新設計、新工藝、新波段的協同創新推動下，光連接速率即將邁進 T+b/s 時代，并通過更寬頻譜拓展和新型光纖路徑實現單纖 100+Tb/s 傳輸容量。多場景方面，芯片級光互連、衛星光通信、水下可見光、車內光網絡等新興應用不斷涌

188、現，推動光連接逐步泛化為由宏入微的全尺度連接技術，在信息化全域的重要性日益凸顯。光算存持續向集成式、一體化路線發展?；诠杌怆娮悠脚_的集成光計算系統具有 CMOS 工藝兼容、集成度高等優勢，將成為光計算主流技術路線，計算能力及優勢已得到多次實驗證明。隨著異質異構集成技術進一步成熟，一方面能夠大幅提高計算系統集成度，另一方面通過集成基于其他材料的電芯片/存儲器等，可助力構建光計算存儲互連一體化系統。展望未來，光算存技術需要在材料、結構、機理等多方面積極創新，提高產業鏈成熟度、培育健康產業生態，充分挖掘其在金融、能源、車載計算、移動互聯網等新領域的應用潛力，由技術產業應用協同推動光算存蓬勃發展。

189、光采集持續向集成化、分布式路徑演進。集成化方面，隨著激光器、探測器、數據處理器等集成技術發展，集成光傳感器進一步向高精度、高靈敏度、小尺寸、低功耗、低成本趨勢演進，并衍生出微納光傳感、柔性光纖傳感、多維形狀傳感等多種新形態，在汽車電子、信息光子技術發展與應用研究報告（2024 年）87 生物醫療、工業智造、資源探測等領域得到更廣泛應用。分布式方面，提升空間分辨率、響應時間、傳感距離等關鍵性能參數的同時，光傳感還將實現多場景多功能融合，如通感算一體化、多機理多參數融合傳感、智能感知與數據處理一體化將推動其向電力系統監控、地質資源勘探、智慧城市建設等領域加速深化部署應用。光呈現持續向提升人類視覺體

190、驗方向升級。光顯示方面，更高分辨率、更廣色域和色彩準確度、更高動態范圍和對比度、更快刷新率和響應時間等顯示性能持續提升；光成像方面，成像精度、空間分辨率、時間分辨率和光譜分辨率不斷提升，信息維度日益豐富；顯示與成像技術的結合將實現更具沉浸、真實和交互感的呈現體驗。光呈現技術的升級迭代依賴材料、工藝、裝備等多環節協同進步，與傳統CMOS 工藝相結合，可進一步提升光呈現器件的集成密度、縮小像素點距，從而實現更復雜、更清晰的呈現系統。交叉融合方面，一是信息光子各細分領域的跨域融合交叉創新趨勢凸顯，“計算+連接”、“存內計算”、“通感一體”、“感算融合”等新范式不斷構建，滿足分立領域無法支撐的極致需求

191、，加速系統級創新與新應用裂變。二是光電融合成為后摩爾時代重要選項，預計將由集成電路巨頭引領發展，并在擴展摩爾和超越 CMOS 方向重點發力。信息光子各領域之間、以及光電之間的融合協同處于初步研究或應用探索階段，預計未來幾年將逐步滲透深化。信息光子技術發展與應用研究報告（2024 年）88 來源：中國信息通信研究院 圖 34 信息光子各細分領域呈現交叉融合趨勢（二）技術產業發展需要政產學研用協同推動（二）技術產業發展需要政產學研用協同推動 信息光子分支領域眾多，五十余年以來傳統方向持續演進、新興方向不斷涌現，整體處于成熟與新興技術、傳統與未來產業交織融合的多樣化發展階段。在全球技術產業發展中，美

192、、歐、日、韓等主要經濟體均高度重視光子能力構建，圍繞包含信息光子在內的光學與光子技術產業發展進行了系統部署，包括出臺戰略政策、推動技術研發、建設工藝平臺、培育產業生態等。美國在高速光電芯片、硅基光電子工藝平臺、鍺硅工藝平臺、先進封裝與異構集成、制造裝備、有機發光材料等產業基礎環節，以及芯片級互連、衛星光通信、高性能光傳感、光電融合等新興方向占據主導地位。經過長期努力，我國在信息光子領域已取得跨越式發展，未來五到十年，仍需結合國內外發展態勢把握窗口期，推動多方要素形成合力，“政產學研用”各類主體共同打造融合式創新，實現信息光子技術產業的協同發展。加強戰略研究與統籌規劃，整體謀劃系統布局我信息光子

193、技術發展與應用研究報告（2024 年）89 國信息光子科技攻關和產業發展，制定全面的發展規劃、目標與路線圖。立足“固本拓新、走實向深”，持續強化鍛造我國在信息光子傳統及新興方向的發展優勢。提升創新能力與產業基礎，加強基礎研究與協同攻關能力，推動關鍵技術突破、加速創新成果轉化，夯實共性基礎支撐，顯著提升國際競爭力。深化生態建設與應用牽引，推動信息光子技術在各行業的廣泛應用與深度融合，持續通過應用場景打造牽引形成新質生產力、進一步賦能千行百業，為加速推進新型工業化和中國式現代化建設提供新模式、新引擎。中國信息通信研究院 地址：北京市海淀區花園北路 52 號 郵編：100191 電話：010-62305024 傳真：010-62304980 網址：