引言
硅基光電子技術(shù)已從最初的電信解決方案發(fā)展成為一個具有廣泛應(yīng)用潛力的技術(shù)平臺。這項基于CMOS兼容制程的技術(shù)利用成熟的半導體制造基礎(chǔ)設(shè)施來制造光電子集成芯片，在集成密度和可擴展性方面具有顯著優(yōu)勢。目前，硅基光電子技術(shù)正處于一個轉(zhuǎn)型階段，從專用技術(shù)向通用光子平臺轉(zhuǎn)變。三個新興應(yīng)用領(lǐng)域充分體現(xiàn)了這種轉(zhuǎn)變：用于自主系統(tǒng)的調(diào)頻連續(xù)波激光雷達、用于解決經(jīng)典計算無法處理問題的光量子計算，以及用于超高效人工智能處理的神經(jīng)形態(tài)計算。
硅基光電子技術(shù)的基本優(yōu)勢在于能夠使用成熟的300毫米晶圓制造工藝，將各種光學組件（激光器、調(diào)制器、光電探測器、波導和光學相控陣）集成到單個芯片上。這種制造成熟度帶來了類似數(shù)十年前電子行業(yè)所經(jīng)歷的可擴展性和成本降低效果。此外，異質(zhì)集成技術(shù)現(xiàn)在允許將磷化銦等用于光生成的材料、鈮酸鋰用于高速調(diào)制的材料、鈦酸鋇用于超高效電光控制的材料整合到硅光子平臺中，將功能擴展到遠超硅本身所能提供的范圍[1]。
01
通過硅基光電子激光雷達實現(xiàn)固態(tài)視覺系統(tǒng)
自動駕駛汽車和機器人技術(shù)的發(fā)展需要能夠在復雜條件下高精度同時測定距離和速度的感知系統(tǒng)。基于硅基光電子技術(shù)的調(diào)頻連續(xù)波激光雷達通過完全固態(tài)架構(gòu)滿足這些要求，消除了傳統(tǒng)激光雷達系統(tǒng)中的機械掃描部件。通過在1.55微米波長工作，這些系統(tǒng)受益于人眼安全考慮，可以使用更高的平均光功率，利用時間帶寬積來改善信號處理性能。
圖1：硅基光電子技術(shù)帶來的尺寸縮減效果，對比了帶有旋轉(zhuǎn)部件的傳統(tǒng)機械激光雷達傳感器（A部分）和緊湊的硅基光電子固態(tài)激光雷達芯片（B部分）。
硅基光電子激光雷達系統(tǒng)的核心是集成光學相控陣，將單個光輸入相干地分配到片上天線陣列。這些陣列通過集成調(diào)制器單獨控制每個發(fā)射器的幅度和相位，實現(xiàn)無機械部件的波束成形和電子轉(zhuǎn)向。已經(jīng)出現(xiàn)了幾種架構(gòu)方法，包括將波長調(diào)諧與基于相位的轉(zhuǎn)向相結(jié)合的準一維設(shè)計，以及完全通過電光相位控制實現(xiàn)雙向波束轉(zhuǎn)向的真正2D陣列。視場角、光束發(fā)散度和功耗特性在很大程度上取決于所選架構(gòu)、天線間距和陣列尺寸。
圖2：典型硅基光電子光學相控陣調(diào)頻連續(xù)波激光雷達系統(tǒng)，顯示了發(fā)射和接收光學相控陣、調(diào)頻連續(xù)波激光源以及能夠?qū)崿F(xiàn)距離和速度同步測量的相干檢測線路。
調(diào)頻連續(xù)波激光雷達的外差檢測原理需要精確的線性頻率掃描，通過啁啾斜率將往返延遲映射為穩(wěn)定的拍頻。驅(qū)動激光器的光譜純度和啁啾線性度從根本上限制了距離分辨率和最大探測距離。傳統(tǒng)硅光子平臺依靠熱光效應(yīng)和載流子注入效應(yīng)進行調(diào)制，需要額外的線性化反饋回路和數(shù)字信號處理。鈮酸鋰、鉭酸鋰或鈦酸鋇等Pockels材料的異質(zhì)集成為實現(xiàn)超快和線性相位控制提供了令人期待的途徑。鈦酸鋇對于大規(guī)模緊湊型光學相控陣特別有利，因為其出色的電光系數(shù)可以實現(xiàn)較低的工作電壓和較小的器件尺寸，直接降低了與電容和電壓平方成正比的能量消耗。
除了光子組件本身，可行的硅基光電子調(diào)頻連續(xù)波激光雷達系統(tǒng)還需要大量電子基礎(chǔ)設(shè)施來實現(xiàn)波束轉(zhuǎn)向控制、啁啾生成、相干檢測、低噪聲激光電流注入和頻率穩(wěn)定。最近的演示展示了幾種集成方法，包括用于波束轉(zhuǎn)向的倒裝芯片集成專用集成線路、單片集成CMOS電子器件，以及堆疊電子和光子層的3D集成架構(gòu)。這些概念驗證系統(tǒng)為完全集成的硅基光電子調(diào)頻連續(xù)波激光雷達模塊建立了多條可行路徑。
在考慮人類鄰近環(huán)境中自主物理代理的部署場景時，硅基光電子調(diào)頻連續(xù)波激光雷達的技術(shù)優(yōu)勢變得特別明顯。相干多普勒檢測可在毫米到厘米分辨率尺度上同時單次測量位置和速度點云。相干檢測原理提供了對環(huán)境光干擾的固有抵抗力，在具有挑戰(zhàn)性的照明條件下可靠運行。與毫米波雷達系統(tǒng)相比，較短的工作波長在可比孔徑尺寸內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)顯著更高的距離和速度分辨率。對于多個系統(tǒng)必須共存而不相互干擾的可擴展自主部署，實施包含參數(shù)多樣性和波長信道化的波形配置策略可以為每個代理提供獨特的感知特征，降低系統(tǒng)間串擾概率。
02
通過光子集成實現(xiàn)可制造的量子計算
量子計算有望解決經(jīng)典系統(tǒng)無法處理的計算問題，應(yīng)用范圍從量子化學模擬到在常規(guī)架構(gòu)上呈指數(shù)級擴展的優(yōu)化挑戰(zhàn)。硅基光電子技術(shù)為量子計算帶來三個關(guān)鍵優(yōu)勢：利用成熟CMOS工藝的晶圓級制造能力、通過波分復用技術(shù)實現(xiàn)頻域并行化，以及通過光纖互連實現(xiàn)高保真度芯片間連接。這些能力共同提升了構(gòu)建可擴展到百萬量子比特系統(tǒng)的模塊化光纖鏈接架構(gòu)的前景。
當前的硅基光電子量子計算方法主要分為全光子測量基礎(chǔ)架構(gòu)和將靜態(tài)物質(zhì)量子比特與光子互連集成的混合自旋-光子系統(tǒng)。最近的突破性演示展示了鈦酸鋇在氮化硅上的超低損耗異質(zhì)平臺，實現(xiàn)了顯著的保真度：狀態(tài)準備和測量超過99.98%，Hong-Ou-Mandel可見度達到99.50%，芯片間互連保真度為99.72%。這些結(jié)果代表了在實用規(guī)模運行的容錯量子處理器方向上取得的實質(zhì)性進展。鈦酸鋇的電光效應(yīng)在低溫下保持不變，使相移器能夠與超導納米線單光子探測器在同一芯片上運行，顯著減少了整體系統(tǒng)占用空間。
圖3：工程化半導體光學（包括硅基光電子和超透鏡）如何在量子信息處理的多個方面發(fā)揮越來越重要的作用，包括量子比特控制、互連和計算。底部比較了不同的量子計算平臺：基于原子的、基于離子的、超導的和基于光子的方法。
硅基光電子技術(shù)中的其他量子計算范式包括確定性發(fā)射器方法以減少復用開銷、連續(xù)變量編碼，以及可以降低硬件要求的Gottesman-Kitaev-Preskill態(tài)制備。T中心光量子計算方法利用自旋-光子相互作用，利用硅中較長的電子和核自旋壽命來實現(xiàn)富含存儲器的模塊化處理器，其中自旋提供本地存儲，光子在量子存儲節(jié)點之間創(chuàng)建互連。然而，這種方法在確定性缺陷放置、大型陣列的光譜均勻性以及腔增強自旋-光子耦合強度方面面臨挑戰(zhàn)。
最近的使能技術(shù)進展解決了硅基光電子量子計算中的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。受經(jīng)典波分復用啟發(fā)的多頻量子計算已成為特別有前景的方向，已演示使用硅微諧振器在跨越21吉赫茲的34個不同頻率倉上實現(xiàn)單量子比特門。相變材料，特別是硒化銻，可實現(xiàn)超低損耗可重構(gòu)量子線路，適用于靜態(tài)可重構(gòu)性優(yōu)于動態(tài)開關(guān)速度的大型干涉網(wǎng)格和頻率倉線路。理論研究表明，以前認為需要過高品質(zhì)因數(shù)的量子非線性機制可以通過非經(jīng)典驅(qū)動協(xié)議獲得，這可能實現(xiàn)確定性糾纏門、無條件少光子態(tài)制備和量子非破壞性測量。
從更廣泛的角度比較量子計算平臺，超導線路似乎準備在近期展示實用規(guī)模處理器，最近在生產(chǎn)級硬件上實現(xiàn)了低于閾值的表面碼存儲器，具有亞微秒級碼周期和實時解碼。這些系統(tǒng)受益于納秒級門操作和毫秒級相干時間。然而，低溫誘導的相關(guān)錯誤和有限的連接性帶來了擴展挑戰(zhàn)。硅基光電子技術(shù)可以通過量子互連解決這些限制，新興的超透鏡提供了額外的互連模式。制造可擴展性和高保真網(wǎng)絡(luò)方面的固有優(yōu)勢使硅基光電子技術(shù)成為大規(guī)模量子處理器的最終平臺，盡管在端到端損耗預算、片上Gottesman-Kitaev-Preskill態(tài)實現(xiàn)、融合資源生成、超導探測器集成和光子互連技術(shù)方面仍需進一步發(fā)展。
03
通過光子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)超高效計算
計算需求的爆炸性增長暴露了經(jīng)典馮·諾依曼架構(gòu)的基本局限性，其中存儲器和計算在物理上保持分離，造成帶寬瓶頸和能源效率低下。硅基光電子神經(jīng)形態(tài)計算通過波長并行和內(nèi)存處理范式解決這些挑戰(zhàn)，實現(xiàn)構(gòu)成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算基礎(chǔ)的全光矩陣-向量乘法。光子神經(jīng)形態(tài)處理器不是完全替代電子加速器，而是通過緩解與模擬線性代數(shù)運算相關(guān)的存儲器移動瓶頸來補充它們。
圖4：Taichi光子chiplet示意圖，演示了通過分布式計算支持數(shù)百萬神經(jīng)元同時保持相干光處理的衍射-干涉混合架構(gòu)，實現(xiàn)了每瓦160萬億次運算的能效。
Taichi chiplet通過衍射-干涉混合設(shè)計體現(xiàn)了這種方法，實現(xiàn)了超過每瓦160萬億次運算的能效，與傳統(tǒng)電子處理器相比提高了一個數(shù)量級。該架構(gòu)通過電子控制實現(xiàn)光子可重構(gòu)性，在多個干涉路徑上分配線性計算。該演示突出了硅基光電子技術(shù)在特定計算工作負載的帶寬和延遲性能方面的特殊優(yōu)勢。
圖5：光子神經(jīng)形態(tài)處理器與電子對應(yīng)物的性能比較，顯示通過光學處理方法實現(xiàn)的卓越能效和計算密度。
硅基光電子神經(jīng)形態(tài)計算的架構(gòu)多樣性反映了提高集成密度、操作靈活性和能效的持續(xù)努力。馬赫-曾德爾干涉儀網(wǎng)格通過奇異值分解實現(xiàn)幺正變換，以較大的物理占用空間為代價提供精度。相反，緊湊的微環(huán)陣列利用波分復用并行性來提高集成密度，一些系統(tǒng)展示的計算密度超過每平方毫米34萬億次運算。相變材料通常用于消除靜態(tài)功耗，同時為突觸權(quán)重提供多級可編程性。基于鈦酸鋇的非易失性鐵電存儲器提供了一種有吸引力的替代方案，通過改變折射率而不引起光吸收的鐵電疇操作實現(xiàn)純相位存儲。
圖6：基于相變材料交叉陣列的集成光子張量核，通過基于微環(huán)的向量生成、片上矩陣-向量乘法以及隨后的解復用和數(shù)字信號處理來實現(xiàn)并行卷積處理。
波長衍射約束導致權(quán)重密度顯著低于CMOS電子存儲器，導致當前方法采用時分和波分復用的組合，其中網(wǎng)絡(luò)參數(shù)以電子方式流式傳輸，而高帶寬乘累加運算在光子域中執(zhí)行。從能效角度來看，全光神經(jīng)形態(tài)線路原則上代表最優(yōu)架構(gòu)，混合方法已經(jīng)展示了納秒級計算環(huán)路延遲。然而，完全光學實現(xiàn)仍取決于降低非線性功率閾值，因為開發(fā)具有足夠強和可級聯(lián)非線性響應(yīng)的光子神經(jīng)元仍然是核心挑戰(zhàn)。全光方法的能量優(yōu)勢取決于實現(xiàn)低閾值可級聯(lián)光學非線性、損耗容忍扇出架構(gòu)以及包含制造引起的相位變化和相變材料單元均勻性的嚴格變異性預算。
圖7：具有基于相變材料的突觸權(quán)重的全光脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)，用于內(nèi)存計算，顯示了輸入分布、帶有相變材料元素的神經(jīng)元陣列以及不同模式識別任務(wù)的分類準確率。
研究已擴展到動態(tài)時間編碼計算模型，特別是脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和儲層計算范式。受生物神經(jīng)元啟發(fā)的脈沖方法通過時間脈沖模式編碼信息，受益于硅基光電子技術(shù)的內(nèi)在時間分辨率。將這些神經(jīng)形態(tài)線路與現(xiàn)有光通信基礎(chǔ)設(shè)施集成的潛力使該技術(shù)在需要超低延遲決策、自主導航和實時信號處理的邊緣計算應(yīng)用中處于獨特地位。最近在電信中演示的光子儲層計算突出了這種協(xié)同作用，直接在光域中執(zhí)行非線性均衡。
最可行的前進路徑可能涉及審慎的電子-光子協(xié)同設(shè)計，而不是追求純?nèi)庀到y(tǒng)。這種混合方法利用光子技術(shù)實現(xiàn)高帶寬線性運算，同時電子器件處理信號再生、存儲器存儲和復雜控制邏輯。鈦酸鋇的異質(zhì)集成用于高效相位調(diào)制和存儲可以降低聚合系統(tǒng)損耗和能量要求。3D集成技術(shù)為硅基光電子與電子器件的單片集成提供了途徑，創(chuàng)建利用每個領(lǐng)域互補優(yōu)勢的緊湊系統(tǒng)。
04
向統(tǒng)一光子平臺的融合
硅基光電子技術(shù)已達到一個轉(zhuǎn)折點，從特定應(yīng)用解決方案向以空前規(guī)模生成、操縱和檢測光的通用平臺轉(zhuǎn)變。本文探討的三個應(yīng)用（調(diào)頻連續(xù)波激光雷達、量子計算和神經(jīng)形態(tài)計算）共享延伸至更廣泛生態(tài)系統(tǒng)的共同技術(shù)挑戰(zhàn)：電泵浦相干光源的可擴展集成、大規(guī)模光子線路的工藝均勻性、高密度光電集成以及異質(zhì)材料集成。
異質(zhì)集成被證明特別關(guān)鍵，因為所有三個應(yīng)用領(lǐng)域的最新突破都源于整合功能超出常規(guī)硅光子能力的材料。硅中缺乏單片電泵浦激光器和本征Pockels效應(yīng)，需要與磷化銦集成以實現(xiàn)光生成，與鈮酸鋰或鈦酸鋇集成以實現(xiàn)高速線性調(diào)制，與超導材料集成以實現(xiàn)單光子檢測。這些異質(zhì)集成工藝的民主化和標準化對于硅基光電子技術(shù)作為通用平臺的演進至關(guān)重要。
最佳系統(tǒng)架構(gòu)將不可避免地是光電一體的，利用光子技術(shù)的帶寬優(yōu)勢以及電子器件在存儲和邏輯運算方面的優(yōu)勢。開發(fā)先進的硅光電集成框架對于實現(xiàn)這一愿景變得必不可少。前進的道路需要從特定應(yīng)用的開發(fā)孤島轉(zhuǎn)向組件、工藝和電子-光子集成方法的標準化。這種整合創(chuàng)建了一個有凝聚力的生態(tài)系統(tǒng)，其中基礎(chǔ)技術(shù)進步同時使多個應(yīng)用受益，降低了可能難以為單個應(yīng)用單獨證明合理的昂貴開發(fā)的風險。
突出顯示的應(yīng)用之間的功能協(xié)同可能創(chuàng)造具有新穎能力的系統(tǒng)。集成在基于缺陷和基于離子的量子系統(tǒng)中的光學相控陣可以作為具有精確光束傳輸?shù)淖杂煽臻g量子互連。將神經(jīng)形態(tài)線路嵌入激光雷達系統(tǒng)可為邊緣自主機器人系統(tǒng)提供低延遲的感知到?jīng)Q策處理。將神經(jīng)形態(tài)線路與量子處理器集成可以提供自主、節(jié)能、超低延遲的經(jīng)典控制，能夠跟上量子態(tài)演化和誤差累積動態(tài)。這些協(xié)同作用強調(diào)了硅基光電子技術(shù)的潛力，不僅僅是一組獨立技術(shù)的集合，而是一個統(tǒng)一的平臺，其中光子和電子協(xié)同工作以光速處理信息，為下一代技術(shù)帶來量子感知、具備感知能力和節(jié)能意識的物理系統(tǒng)。
參考文獻
[1] L. Ranno et al., "The emerging applications of silicon photonics," Newton, vol. 2, Jan. 5, 2026, Art. no. 100357, doi: 10.1016/j.newton.2025.100357.
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