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(2024年)前 言（（成像等目 錄一、信息光子技術(shù)總體發(fā)展態(tài)勢 1（一）信息光子是光子學(xué)與信息科學(xué)交叉領(lǐng)域 1（二）全球主要經(jīng)濟(jì)體高度重視光子能力構(gòu)建 3（三）市場規(guī)模穩(wěn)定增長，發(fā)展階段各有差異 6二、光連接領(lǐng)域研究與應(yīng)用進(jìn)展 7（一）高速率是光連接領(lǐng)域最核心的發(fā)展訴求 7（二）多樣化技術(shù)方案助力傳輸交換容量提升 12（三）產(chǎn)業(yè)規(guī)模持續(xù)增長，應(yīng)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(diǎn) 17（五）未來十年功能性能與應(yīng)用范疇日益拓展 23三、光算存領(lǐng)域研究與應(yīng)用進(jìn)展 24（一）光電混合架構(gòu)占據(jù)主流，算法不斷優(yōu)化 24（二）應(yīng)用需找準(zhǔn)定位，實(shí)用領(lǐng)域?qū)⒉粩鄶U(kuò)展 29（三）產(chǎn)業(yè)生態(tài)尚不成熟，布局重點(diǎn)出現(xiàn)轉(zhuǎn)移 31（四）存儲性能不斷提升，距離實(shí)用道阻且長 33（五）未來將向集成、融合、泛在等趨勢演進(jìn) 36四、光采集領(lǐng)域研究與應(yīng)用進(jìn)展 38（一）光采集技術(shù)向集成化與分布式雙向演進(jìn) 38（二）車載激光雷達(dá)路徑多元化集成趨勢明顯 40（三）生物醫(yī)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(guān)鍵指標(biāo)與成熟程度不斷提升 46五、光呈現(xiàn)領(lǐng)域研究與應(yīng)用進(jìn)展 47（一）新型顯示領(lǐng)域多條技術(shù)路線并行發(fā)展 47（二）數(shù)字時代新型顯示應(yīng)用場景不斷拓展 50（三）新型顯示市場空間廣闊我國保持領(lǐng)先 51（四）成像技術(shù)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(lǐng)域交叉融合研究與應(yīng)用進(jìn)展 56（一）計(jì)算+連接+存儲新范式推動算力擴(kuò)展 56（二）通感一體化光網(wǎng)絡(luò)協(xié)同架構(gòu)正在構(gòu)建 58（三）感算融合全光智能技術(shù)研究正在開展 60七、材料工藝共性基礎(chǔ)研究與產(chǎn)業(yè)進(jìn)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(zhuǎn)向規(guī)模發(fā)展的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn) 64（三）集成制造和先進(jìn)封裝是光子集成布局重點(diǎn) 65（四）垂直整合、細(xì)化分工等多種制造模式并存 75（五）各材料體系與異質(zhì)異構(gòu)集成工藝同步演進(jìn) 76八、光電融合研究進(jìn)展與產(chǎn)業(yè)影響 78（一）光子與電子技術(shù)呈現(xiàn)協(xié)同互補(bǔ)融合關(guān)系 78（二）光電融合包含功能協(xié)同和硬件一體維度 80（三）后摩爾時代重要選項(xiàng)深遠(yuǎn)影響產(chǎn)業(yè)格局 83九、信息光子技術(shù)與應(yīng)用前景展望 85（一）細(xì)分領(lǐng)域發(fā)展迅速應(yīng)用場景進(jìn)一步拓展 85（二）技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展需要政產(chǎn)學(xué)研用協(xié)同推動 88圖目錄圖1信息光子涵蓋范疇 1圖2信息光子泛化為信息技術(shù)全域的硬件基礎(chǔ)技術(shù) 2圖3信息光子賦能各類業(yè)務(wù)及應(yīng)用、價值鏈不斷延伸 2圖4全球光子產(chǎn)業(yè)市場規(guī)模 6圖5信息光子發(fā)展階段與成熟度 7圖6光連接高速率發(fā)展趨勢 8圖7多技術(shù)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(yīng)用場景不斷擴(kuò)展 15圖10片間光互連典型應(yīng)用場景 17圖光連接未來五至十年發(fā)展趨勢 23圖12光計(jì)算技術(shù)體系框架 25圖13基于光電混合架構(gòu)的光計(jì)算系統(tǒng) 25圖14光計(jì)算產(chǎn)業(yè)鏈 31圖15光存儲技術(shù)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(fā)展趨勢 37圖19車載激光雷達(dá)的原理和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分類 40圖20光采集未來五至十年發(fā)展趨勢 46圖21全球顯示市場規(guī)模 52圖22光呈現(xiàn)未來五至十年發(fā)展趨勢 56圖23光子材料分類與典型應(yīng)用領(lǐng)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(diǎn)光子集成制造與先進(jìn)封裝工藝 66圖27異構(gòu)/混合集成技術(shù)路線比較及演進(jìn)趨勢 73圖28巨量轉(zhuǎn)移與微轉(zhuǎn)印技術(shù)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(chǔ)工藝未來五至十年發(fā)展趨勢 78圖31光電融合帶來范式轉(zhuǎn)變 79圖32功能維度光電融合 81圖34光電融合發(fā)展階段 85圖35信息光子各細(xì)分領(lǐng)域呈現(xiàn)交叉融合趨勢 88表目錄表1直調(diào)直檢光模塊主流技術(shù)方案 10表2光計(jì)算與電計(jì)算、量子計(jì)算對比 28表3光計(jì)算企業(yè)及產(chǎn)品情況 32表4光采集技術(shù)分類與比較 39表5分布式光纖傳感技術(shù)比較 45表6主流新型顯示技術(shù)路線對比 47表7國內(nèi)外通感一體化光網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)及研究進(jìn)展 59表8光子集成與集成電路技術(shù)比較 65表9不同靶材在光顯示中的典型應(yīng)用 70表10硅基微顯示技術(shù)對比 71表光子與電子物理特性比較 79一、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70Photonics1994圖1信息光子涵蓋范疇

來源：中國信息通信研究院激光與介質(zhì)相互作用、使介質(zhì)物理性質(zhì)發(fā)生變化來實(shí)現(xiàn)信息的存儲。光呈現(xiàn)包含光顯示、光成像等，采用光信號進(jìn)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(shù)全域的硬件基礎(chǔ)技術(shù)來源：Photonics211,SPIE2,中國信息通信研究院圖3信息光子賦能各類業(yè)務(wù)及應(yīng)用、價值鏈不斷延伸1Photonics21–EuropeanTechnologyPlatform,Insightsintothedynamicphotonicsmarket(2019–2022)Europeanprowess,emergingtrends,andthepathtowardsglobalphotonicsadvancements,PhotonicsIndustryandMarketDataReport2024,2024.2SPIE,Optics&PhotonicsIndustryReport,2022.（二）全球主要經(jīng)濟(jì)體高度重視光子能力構(gòu)建美國20（IMonisIBoalSynopsysCadence1歐盟2007年“FP720132020”科技框架計(jì)劃均將光子技術(shù)作為重點(diǎn)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(jì)劃將多項(xiàng)光子技術(shù)作為重點(diǎn)年啟動JePPIXPIX4LifePI-SCALEMIRPHAB（n）和氮化硅（Si）光子集成、柔性有機(jī)發(fā)光二極管（年啟動PIXAPP年啟動OIP4NWE年啟動INSPIRE2023Photonix項(xiàng)日本層、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（I10PCS作為日本內(nèi)閣府支持的尖端研究開發(fā)資助計(jì)劃之一，其目標(biāo)為實(shí)現(xiàn)2192050NTT（I，04韓國0年發(fā)布“未來顯示器研究開發(fā)推進(jìn)戰(zhàn)略”和“顯示產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新戰(zhàn)OLED等20272024OLED發(fā)光材料與精確干法蝕刻工藝等開展研發(fā)。（三）市場規(guī)模穩(wěn)定增長，發(fā)展階段各有差異Photonics21等數(shù)據(jù)（）920012000來源：Photonics213，中國信息通信研究院圖4全球光子產(chǎn)業(yè)市場規(guī)模3,Photonics21–EuropeanTechnologyPlatform,Insightsintothedynamicphotonicsmarket(2019–2022)Europeanprowess,emergingtrends,andthepathtowardsglobalphotonicsadvancements,PhotonicsIndustryandMarketDataReport2024,2024.來源：中國信息通信研究院圖5信息光子發(fā)展階段與成熟度二、光連接領(lǐng)域研究與應(yīng)用進(jìn)展（一）高速率是光連接領(lǐng)域最核心的發(fā)展訴求/ChatGPT/10年更/1.5~23~4圖6光連接高速率發(fā)展趨勢

來源：中國信息通信研究院直調(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(jī)之間，以及電信網(wǎng)絡(luò)的客51.2Tb/s102.4Tb/s過渡，400Gb/s800Gb/s800Gb/s1.6Tb/s100Gb/s的80/s0GR（0/50S（8（00、R8（k、2F4（2k、2R4（k）等規(guī)格均已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，優(yōu)先實(shí)現(xiàn)對400Gb/s光模塊的平滑替代。其中，800GVR8SR8DR8800GDR8-2以InP共享光源，功耗優(yōu)于InPEML方案，但耦合工藝相對復(fù)雜；800G400GFR4/LR4200Gb/s800Gb/s1.6Tb/s100Gb/sb/s800Gb/sVR4/SR4規(guī)GaAsVCSEL和論證中，預(yù)計(jì)2025~2026年可初步實(shí)現(xiàn)商用；800GDR4/DR4+/FR/R4R400規(guī)格已在I2.3DR8/DR8+200Gb/s將實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)；美國光模塊頭部廠商Coherent計(jì)劃推動波長間隔為10nm1.6TFR8樣品；1.6TLR8表1直調(diào)直檢光模塊主流技術(shù)方案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(xiàng)800GDR4+2km113.4375GBPAM4直驅(qū)EML+PIN樣品，即將量產(chǎn)800GFR42km直驅(qū)CWDM，EML+PIN樣品，即將量產(chǎn)800GLR410km直驅(qū)LWDM，EML+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×FR42km直驅(qū)CWDM，EML+PIN樣品，即將量產(chǎn)1.6TFR82km直驅(qū)CWDM-10，EML+PIN樣品，量產(chǎn)時間待定1.6TLR810kmEML論證中來源：中國信息通信研究院（QAM）/QPSK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Tb/s800Gb/s相100GBd64QAM140GBd400Gb/sDCI1.6Tb/s領(lǐng)先廠商如美國Ciena已發(fā)布產(chǎn)品，主流方案包括基于200GBd32/64QAM240GBd16QAMDCI1.2Tb/s或?qū)⒆鳛檫^渡型產(chǎn)品優(yōu)先于1.6Tb/s實(shí)現(xiàn)商用，第一代產(chǎn)品基于140GBd64QAM800Gb/s未來基于200GBd、240GBd相干DSP，可由1.6Tb/s向下兼容至1.2Tb/s50/60GBd通道50Gb/sNRZ、100Gb/s、400Gb/sDP-16QAM，四通道400Gb/s800Gb/s100GBd（二）多樣化技術(shù)方案助力傳輸交換容量提升100Gb/s提升至400Gb/s，400Gb/s80C（6+L（2通道數(shù)量）的有效提升。多波段一體化光電波段InP材料適、SUE+S+C+L150km來源：中國信息通信研究院圖7多技術(shù)助力傳輸和交換容量提升以空分復(fù)用和空芯光纖為代表的新型光纖成為單纖容量倍增的194.1Pb/s38芯3模的空分復(fù)用光纖，可實(shí)現(xiàn)22.9Pb/s光傳輸系統(tǒng)4?？招竟饫w方面，具備超寬頻段（>0n（由sk下降至34sk（降低3~4個數(shù)量級2024年微軟與南安普頓大學(xué)聯(lián)合宣布已實(shí)現(xiàn)雙層嵌套管結(jié)構(gòu)空芯光纖的損耗低于0.14dB/km5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(guān)、陣列光開關(guān)等全光交換技術(shù)以大顆粒交換提升系4https://www.nict.go.jp/en/press/2023/11/30-1.html5Y,Chen,etal.,HollowCoreDNANFOpticalFiberwith<0.11dB/kmLoss[C],OFC,2024,Th4A.8.（S（C32維已成熟商用，逐步向48維、6480維和包含MEMSLCOS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)模部署端口陣列光開關(guān)，以解決集群靈活配置、擴(kuò)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Omdia數(shù)據(jù)，2023）市場規(guī)模約407800Gb/s1.6Tb/sMeta800Gb/s400Gb/s800Gb/s列全球。ICT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/超算星圖9光連接應(yīng)用場景不斷擴(kuò)展

來源：中國信息通信研究院100Gb/s求激光通信終端及內(nèi)部各類芯片器件具備較強(qiáng)的集成化小型設(shè)計(jì)與375~780nm1GHz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(diǎn)，采用450~550nm藍(lán)綠光作為通信載體，目前實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)最高傳輸速率達(dá)15Gb/s，可應(yīng)用于海底資源探索、海洋環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域。AI10Gb/sμsIEEE802.3cz（四）片間和片上芯片級光互連成為研究熱點(diǎn)片間光互連來源：中國信息通信研究院根據(jù)公開信息整理圖10片間光互連典型應(yīng)用場景（CPO）（OIO）（＞0CPOOIO輸入/輸出（I/O）I/O的替代。CPOOIO分別從實(shí)現(xiàn)方式和功能角度提出概念，當(dāng)前均以異構(gòu)集成方式為主，均可實(shí)現(xiàn)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(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CPO數(shù)據(jù)，CPOCPO40%。CPOVCSELVCSELIBM在202356Gb/sNRZ16CPO202464Gb/sNRZ4CPO發(fā)射機(jī)樣1.3pJ/bit7。6KuchtaDM.DevelopmentsofVCSEL-basedtransceiversforCo-Packaging[C]//OpticalFiberCommunicationConference.OpticaPublishingGroup,2023:M4E.6.7MondalS,etal.18.2A4x64Gb/sNRZ1.3pJ/bCo-PackagedandFiber-Terminated4-ChVCSEL-BasedOpticalTransmitter[C]//2024IEEEInternationalSolid-StateCircuitsConference.IEEE,2024,67:340-342.CPOCPOCPO年以CPO51.2Tb/s交換機(jī)，202451.2Tb/sCPO6.4Tb/sFR4光引CPO3~520332.878。CPO國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)體系初步建立。標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展與技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展程（CB聯(lián)合開發(fā)基金會（F、國際光電委員會（PC）等國際組織針對CPO2023年CPOOIO4~610Tb/s以10倍。根據(jù)LockheedMartinO7/，OIOOIO/Labs2023年演示FPGAOIO4Tb/s數(shù)據(jù)傳2024（CPU）3DOIO芯2023210Tb/s10預(yù)測，OIO203323億美元9；5OIOOIO（-MMS組織定義了一組O以實(shí)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）2023PCIePCIeUCIeCXL規(guī)范CPUOIF2023PCIeUCIeCXLMSAPCIeUCIe以及CXLOIO片上光互連2015年研制出片上微處理器，使用光實(shí)現(xiàn)處理與存儲單元間的雙向互連通信，2.5Gb/s102023U64核間Openlight202453Gb/sSemiconductorIII-V族芯片粘合至GlobalFoundries11。（P（BIMECXPU300mmSiN1310nm56cm0.15dB/cm；二是實(shí)現(xiàn)了頂部光芯片與底部晶圓之間的低損耗倏逝耦合，1310nm波0.5dB。10SunC,MLeeetal.Single-chipmicroprocessorthatcommunicatesdirectlyusinglight[J].Nature,2015,528(7583):534-538.11SzczerbaK,PielsM,GuzzonR,etal.53GbpsOpticalLinkwithCo-designedDSPandIntegratedEAMDriver,Heterogeneously-IntegratedTransmitter,andMonolithically-IntegratedReceiver[C]//2024IEEESiliconPhotonicsConference(SiPhotonics).IEEE,2024:1-2.（五）未來十年功能性能與應(yīng)用范疇日益拓展應(yīng)用場景方面，隨著數(shù)據(jù)/智算中心的快速發(fā)展以及5G-A/6G持續(xù)推進(jìn)，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/800Gb/s1~21.6Tb/s20303.2Tb/s400Gb/s2030T+b/s城域向百km2030年將達(dá)單波T+b/s。2~3年，WSS32C+L300~5005年，WSS48/64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(fā)展趨勢1000C+L5~10三、光算存領(lǐng)域研究與應(yīng)用進(jìn)展（一）光電混合架構(gòu)占據(jù)主流，算法不斷優(yōu)化光計(jì)算按照所處理的數(shù)據(jù)形態(tài)可分為通用數(shù)字光計(jì)算和專用模12圖12光計(jì)算技術(shù)體系框架

來源：中國信息通信研究院來源：中國信息通信研究院圖13基于光電混合架構(gòu)的光計(jì)算系統(tǒng)13////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)括馬赫曾德干涉（MI、波分復(fù)用（M）和平面光轉(zhuǎn)換（PC）電-光轉(zhuǎn)換方式進(jìn)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12光計(jì)算在硬件和算法層面均存技術(shù)挑戰(zhàn)。硬件層面，設(shè)計(jì)成熟度低：當(dāng)前的設(shè)計(jì)思路大多基于光電分立式設(shè)計(jì)，且相關(guān)設(shè)計(jì)也大多集12張楠等.光計(jì)算和光電智能計(jì)算研究進(jìn)展[J].中國激光,2024，51(18):1800003.表2光計(jì)算與電計(jì)算、量子計(jì)算對比原理處理方式計(jì)算能力處理速率算力提升方式適用領(lǐng)域分類計(jì)算架構(gòu)電計(jì)算馮·諾依曼電子流動串行中增加邏輯門數(shù)量等通用數(shù)字光計(jì)算非馮·諾依曼光波動性并行強(qiáng)增加矩陣規(guī)模、復(fù)用維度等專用模擬量子計(jì)算非馮·諾依曼物質(zhì)粒子性并行很強(qiáng)專用模擬來源：中國信息通信研究院諾依曼和馮算的優(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(yàn)證。（二）應(yīng)用需找準(zhǔn)定位，實(shí)用領(lǐng)域?qū)⒉粩鄶U(kuò)展應(yīng)用需揚(yáng)長避短找準(zhǔn)定位。光計(jì)算在短期內(nèi)仍定位為電計(jì)算的8圖像處理領(lǐng)域，通過全光卷積運(yùn)算進(jìn)行多種卷積操作，如空間微分、（如光協(xié)2017CPU（三）產(chǎn)業(yè)生態(tài)尚不成熟，布局重點(diǎn)出現(xiàn)轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)，2034302027-203450%13圖14光計(jì)算產(chǎn)業(yè)鏈

來源：中國信息通信研究院、LuminousComputingFathomComputing13OpticalComputing2024,Yoleinteligence,September2024.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(jì)算系統(tǒng)Optalysys和Lighton表3美歐光計(jì)算企業(yè)及產(chǎn)品情況國家企業(yè)產(chǎn)品類型產(chǎn)品名稱商用情況商用時間Lightmatter可編程光互連芯片Passage已商用2022年美國FathomComputing基于分立器件的光計(jì)算原型機(jī)/樣品階段/LuminousComputing光學(xué)AI芯片/ /歐洲OptalysysLightOn光學(xué)處理器2000 已商用2019年全同態(tài)加密加速器Enable /光學(xué)協(xié)處理器集成于JeanZay/超級計(jì)算機(jī)2021年云平臺LightOnCloud 已商用LightOn 已商用Appliance2018年2018年來源：中國信息通信研究院2023（CMOS）硅光Lighton則從光計(jì)算領(lǐng)域AIAI/Computing連轉(zhuǎn)變，Lightmatter和部分國內(nèi)企業(yè)由單純光計(jì)算向光互連延伸。（四）存儲性能不斷提升，距離實(shí)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)光式進(jìn)（C（藍(lán)光I/O和路由集成技術(shù)的快速發(fā)展以及芯片級光互連的滲透進(jìn)一步推動了對光隨15圖15光存儲技術(shù)體系框架

來源：中國信息通信研究院/199520191235pJ/bit下降到（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：OpticalRAMandintegratedopticalmemories:asurvey14圖16光存儲與電存儲對比14TheoniAlexoudi,etal.OpticalRAMandintegratedopticalmemories:asurvey[J].light:science&applications,2020,articlenumber:9117類型技術(shù)方案類型技術(shù)方案挑戰(zhàn)限制基于相變材料的非易失性存儲W/Ti加熱器集成光學(xué)回路加熱器尺寸大全光纖存儲器件制造與規(guī)模擴(kuò)大較為復(fù)雜波導(dǎo)集成超表面網(wǎng)絡(luò)規(guī)模擴(kuò)展受限于方向耦合器效率PIN加熱器集成光開關(guān)開關(guān)速度慢P++摻雜硅電阻加熱器光開關(guān)相變材料區(qū)域加熱器占比大，增加功耗及尺寸單脈沖可編程存儲單元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易失性存儲耦合光放大器開關(guān)掩埋InGaAsP光子晶體需要偏置以及穩(wěn)定的溫度控制光機(jī)械存儲基于激發(fā)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(wěn)態(tài)光機(jī)械懸臂最終開關(guān)速度受限于機(jī)械諧振頻率來源：Photonic(computational)memories:tunablenanophotonicsfordatastorageandcomputing15圖17易失性和非易失性光存儲器的性能對比15Lian,C.etal.Photonic(computational)memories:tunablenanophotonicsfordatastorageandcomputing[J].Nanophotonics,2022,11:3823–3854./10.1515/nanoph-2022-0089I/O和電路元件（五）未來將向集成、融合、泛在等趨勢演進(jìn)來源：中國信息通信研究院圖18光算存未來五至十年發(fā)展趨勢四、光采集領(lǐng)域研究與應(yīng)用進(jìn)展（一）光采集技術(shù)向集成化與分布式方向演進(jìn)光采集是用于收集和處理光信號實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)物探測或物理量感4表4光采集技術(shù)典型分類與比較分類激光傳感光電探測光纖傳感技術(shù)原理主動激光探測被動光-電轉(zhuǎn)換光纖內(nèi)散射、干涉、反射等傳感介質(zhì)激光器（空間+光纖）光-電探測/轉(zhuǎn)換芯片光纖轉(zhuǎn)換參量激光強(qiáng)度、相位、光譜等電流光強(qiáng)度、偏振、相位、時延等固件形態(tài)光源點(diǎn)探測+集成陣列分布式+點(diǎn)探測典型應(yīng)用場景中短距應(yīng)用場景中短距或線性長距應(yīng)用場景來源：中國信息通信研究院（二）車載激光雷達(dá)路徑多元化集成趨勢明顯界正基于III-V來源：中國信息通信研究院圖19車載激光雷達(dá)的原理和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分類（描式的光學(xué)相控陣和泛光面陣式（FLASH）-I-N（I（P（i（P（ASIC）（SoC）19（TOF）通過直接測量發(fā)射激光與回波信號的時間差來計(jì)算目標(biāo)物體的距離具有L4L52023年的5.3836.3238%1616https:///product/report/lidar-for-automotive-2024/（三）生物醫(yī)療光傳感前沿方向正在廣泛探索181917https:///articles/s41377-021-00561-218/10.1016/j.bios.2024.11608819/10.1016/j.bios.2019.11150520，（四）分布式光纖傳感是長距場景的理想方案（光纖傳感按照檢測原理的不同可分為點(diǎn)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(jìn)行傳20/10.1002/aisy.20210006721（OTDR）S；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BS（B、光頻域反射法（F）以及布里淵光學(xué)相關(guān)分析法（BOCDA）由于系統(tǒng)相對復(fù)雜或核心元器件成本高昂，（M（（SI）等225。類型光學(xué)參量典型系統(tǒng)傳感參量類型光學(xué)參量典型系統(tǒng)傳感參量光纖光柵透/反射譜—溫度、應(yīng)變、折射率、濃度等強(qiáng)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頻移BOTDR溫度、應(yīng)變等布里淵散射頻移BOTDA溫度、應(yīng)變等相關(guān)峰BOCDA溫度、應(yīng)變等拉曼散射強(qiáng)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(qiáng)度—溫度、壓力、振動、應(yīng)變、彎曲等瑞利散射來源：中國信息通信研究院根據(jù)公開信息整理Research預(yù)測，2024至2030DAS22https:///doi/10.1126/science.aat4458（五）未來十年關(guān)鍵指標(biāo)與成熟程度不斷提升來源：IPSR-IRoadma202423,中國信息通信研究院圖20光采集未來五至十年發(fā)展趨勢20III-V23MIT,PhotonDelta.IntegratedPhotonicsSystemRoadmap–International(IPSR-IRoadmap),2024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(guī)模商用，未來應(yīng)用場景也將逐步擴(kuò)展到智慧城市、環(huán)境監(jiān)測、光網(wǎng)絡(luò)通感一體化等領(lǐng)域。五、光呈現(xiàn)領(lǐng)域研究與應(yīng)用進(jìn)展（一）新型顯示領(lǐng)域多條技術(shù)路線并行發(fā)展LED（C、D顯示、Miro-D顯6主流新型顯示技術(shù)路線對比對比項(xiàng)目LCD液晶顯示OLED顯示Micro-LED顯示激光顯示電子紙顯示技術(shù)成熟度☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆能源效率☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆畫質(zhì)分辨率☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆色域☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆對比度☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆最大亮度☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆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)LCDMini-LEDLCD顯示技術(shù)、UBCell//LCD顯示技術(shù)等已進(jìn)入規(guī)模量產(chǎn)或工程研發(fā)階段。LCD液晶顯示在分辨Mini-LED背光和量LCDOLEDOLED。OLED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（M-DDOLEDFMM-OLED蒸鍍方FWMOLEDMicro-LED顯示性能優(yōu)異備受關(guān)注，但制造工藝要求嚴(yán)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(yīng)晶體管（TFT）CMOSLEDLCDOLEDMicro-LED20002014LED+光+LED光源等方案。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Micro-LED、OLED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、Micro-OLEDX（三）新型顯示市場空間廣闊我國保持領(lǐng)先和移動手機(jī)/（虛擬現(xiàn)實(shí)211210圖21全球顯示市場規(guī)模3MCanonOLEDMerckChisso、DICADKOLED材KodakOLED國UniaxLCDOLED市24/場與韓國企業(yè)激烈競爭市場份額接近25。LCD和OLEDMicro-LEDOLED（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(jìn)行成像或圖像增強(qiáng)與轉(zhuǎn)換2625Omdia,OLEDDisplayMarketTracker–1Q24Analysis26陳錢.先進(jìn)夜視成像技術(shù)發(fā)展探討[J].紅外與激光工程,2022,51(02):9-16.雪（S（ICC成像設(shè)備開展研究27100μm耦合器件EMCCDsCMOS相機(jī)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)用需求。CMOS27肖涵.非視域成像系統(tǒng)的研究進(jìn)展[J].AppliedPhysics應(yīng)用物理,2023,13(05),213-222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)基于光學(xué)探測器，可捕（五）未來五到十年LCD和OLED仍為主線LCDOLEDOLEDAR/VR（（I）和CMS來源：IDC28，Omdia29，中國信息通信研究院圖22光呈現(xiàn)未來五至十年發(fā)展趨勢六、跨領(lǐng)域交叉融合研究與應(yīng)用進(jìn)展（一）連接+計(jì)算+存儲新范式推動算力擴(kuò)展CPU28https:///29/時間長3+體（）CXLCXL2.0CXLI/O/（二）通感一體化光網(wǎng)絡(luò)協(xié)同架構(gòu)正在構(gòu)建地計(jì)算獨(dú)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DSP（F（SDSPDSPDSP表7國內(nèi)外通感一體化光網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)及研究進(jìn)展分類標(biāo)準(zhǔn)化組織標(biāo)準(zhǔn)名稱國際標(biāo)準(zhǔn)ITUSG15Q6G.dfos用于地面光傳輸系統(tǒng)的分布式光纖傳感系統(tǒng)(Distributedfibreopticsensingsystemforterrestrialopticaltransmissionsystem)ITUSG15Q8G.9730.1(Dedicatedscientificsensingsubmarinecablesystem)G.9730.2(Scientific monitoring and reliable submarinecablesystems)ITUSG15Q2G.sup.VHSP點(diǎn)對多點(diǎn)無源光接入系統(tǒng)要求和每波長50Gbit/s以上的傳輸技術(shù)以及傳感考慮（Pointtomultipointpassiveopticalaccesssystemrequirementsandtransmissiontechnologiesabove50Gbit/sperwavelengthandsensingconsiderations）IPEC通感一體光傳輸系統(tǒng)（Theintegratedsensingandopticaltransmissionsystem）國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)CCSATC6WG1《通感一體化光網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)》研究課題CCSATC6WG3《光纖光纜線路維護(hù)技術(shù)第3部分：基于光傳感技術(shù)的光纜識別》標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目CCSATC6WG4《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(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)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通感一體國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)化工作有序開展。ITU-T、國際光電委員會（P（1550nm（三）感算融合全光智能技術(shù)研究正在開展202430WeiWu,TiankuangZhou,andLuFang.Parallelphotonicchipfornanosecondend-to-endimageprocessing,transmission,andreconstruction[J].Optica,2024,11(6):831-837.七、材料工藝共性基礎(chǔ)研究與產(chǎn)業(yè)進(jìn)展（一）光子材料多體系并存且處于不同成熟階段（GaAsVCSELGaNSiN具有低100Gb/s/制器件，缺點(diǎn)是損耗大、穩(wěn)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(yīng)用領(lǐng)域示例InP具CMOSInPIII-V族、II-VISiO2/年進(jìn)入商（/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（SiGe）GaAsCMOSGaAsSiGeBiCMOS（二）光子集成正處于轉(zhuǎn)向規(guī)模發(fā)展的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)（PIC）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PICPIC040PIC快速發(fā)展，形成技術(shù)進(jìn)步早期的PIC平臺以InPCMOS來源：RoadmappingtheNextGenerationofSiliconPhotonics31圖25主流材料體系的集成度31SudipShekhar,etal.RoadmappingtheNextGenerationofSiliconPhotonics[J].NatCommun,2024,15(1):751.CMOS8所示。表8光子集成與集成電路技術(shù)比較光子集成集成電路原理特性側(cè)重光子與物質(zhì)、光子與電子之間的互相作用，例如：光源受激）：電子（）側(cè)重電子之間的互相作用：處理；功能和結(jié)構(gòu)單元如光源有EELVCSELLED探測有PINAPD等。單元統(tǒng)一：晶體管為基礎(chǔ)單元，相同基礎(chǔ)單元利于規(guī)模集成。材料體系多樣化：III-V族、硅基材料、鈮酸鋰、聚合物等。標(biāo)準(zhǔn)工藝標(biāo)準(zhǔn)化程度高：標(biāo)準(zhǔn)單元庫可直接調(diào)用。發(fā)展規(guī)律不遵循摩爾定律：受衍射極限等限制，較難通過先進(jìn)工藝制程實(shí)現(xiàn)集成度提升和尺寸縮減。遵循摩爾定律。工藝提升維度來源：中國信息通信研究院（三）集成制造和先進(jìn)封裝是光子集成布局重點(diǎn)設(shè)計(jì)軟件將向光電協(xié)同、多芯片和系統(tǒng)級仿真設(shè)計(jì)路線演進(jìn)。光子集成的產(chǎn)業(yè)鏈條包含設(shè)計(jì)工具、制造工藝、封裝工藝、測試驗(yàn)證、PA（P）大EPDA企業(yè)數(shù)量相來源：中國信息通信研究院根據(jù)公開信息整理圖26重點(diǎn)光子集成制造與先進(jìn)封裝工藝集成制造和先進(jìn)封裝工藝是光子集成的布局重點(diǎn)，本報告選取其中十項(xiàng)重點(diǎn)工藝及材料進(jìn)行介紹：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(yōu)勢，在光子領(lǐng)域占據(jù)重要地位。InP材料以數(shù)據(jù)通信和電信應(yīng)用為主，GaAs材料以數(shù)據(jù)通信和射頻（RF）器件為主，兩者逐步向3D傳感、激光雷達(dá)等領(lǐng)域延伸，應(yīng)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(yīng)用。III-V6III-V硅基光電子芯片工藝III-VLightcounting2023年的8億美元增長至2029年的30硅基光電子基于CMOSCMOS（SGe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(jì)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CMOSPDK面，與標(biāo)準(zhǔn)CMOSFabless初國外領(lǐng)先代工廠已可實(shí)現(xiàn)1245nm，氮化硅芯片工藝LPCVDSi3N4LPVCDIMEC、法國鈮酸鋰薄膜及芯片工藝、SOILNOI3/46/8PDK高端靶材工藝玻璃/ITO市場用ITO表9不同靶材在光顯示中的典型應(yīng)用靶材應(yīng)用特點(diǎn)ITO透明導(dǎo)電薄膜透明性好、導(dǎo)電性高鉻薄膜電路和屏蔽層導(dǎo)電性高、機(jī)械穩(wěn)定性好鉬液晶和OLED顯示中用于電極和連接層耐高溫、化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)鋁反射層和導(dǎo)電層反射率優(yōu)異、電阻率低鋁銅增強(qiáng)導(dǎo)電薄膜的機(jī)械性能和熱穩(wěn)定性保持良好導(dǎo)電性的同時提供額外的機(jī)械強(qiáng)度鋁鈧提升導(dǎo)電性能和穩(wěn)定性在傳統(tǒng)鋁靶材基礎(chǔ)上提供改進(jìn)的電學(xué)特性銅形成導(dǎo)電層，尤其用于高端顯示器件導(dǎo)電性高、熱穩(wěn)定性好來源：中國信息通信研究院根據(jù)公開信息整理硅基微顯示CMOSCMOSMicro-LEDLCOS10表10硅基微顯示技術(shù)對比硅基微顯示技術(shù)成熟度亮度對比度功耗設(shè)備尺寸 壽命硅基OLED中中高低小中硅基MicroLED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(jù)公開信息整理異質(zhì)集成工藝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)/CMOS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)/所2.5D芯3D3D2.5D2.5D/3D集/III-V2.5D/3D3D倒裝為當(dāng)來源：RoadmappingtheNextGenerationofSiliconPhotonics32圖27異構(gòu)/混合集成技術(shù)路線比較及演進(jìn)趨勢光電單片集成工藝AIM32SudipShekhar,etal.RoadmappingtheNextGenerationofSiliconPhotonics[J].NatCommun,2024,15(1):751.CMOS/2.5D巨量轉(zhuǎn)移與微轉(zhuǎn)印Micro-LEDLED≥2萬片.9（X-Celeprint±0.5μm<0.5dB/ (a)Micro-LED巨轉(zhuǎn)移 (b)微轉(zhuǎn)印來源：Yole33，INSPIREproject&OFweek34圖28巨量轉(zhuǎn)移與微轉(zhuǎn)印技術(shù)示意（四）垂直整合、細(xì)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（M、細(xì)化分工或通用代工（Fbls+oda-ieInPIDMInP亦呈現(xiàn)GeSi、GaNFab-liteRF33https:///34/2022-04/ART-8300-2400-30555944.html來源：中國信息通信研究院圖29不同光子材料的典型制造模式（五）各材料體系