共襄盛举！400+组织携手发布「2024集成光子学路线图」

3月25日，麻省理工学院微光子中心与PhotonDelta基金会联合领导，携手全球400余家科技、学术及工业界组织，共同发布了2024年版集成光子学路线图。

该路线图被称为IPSR-I（Integrated Photonics System Roadmap – International，集成光子学系统路线图-国际）。IPSR-I介绍了来自100多个研讨会和13次会议的400多位专家达成的共识（包括空中客车公司、Meta、美国国家航空航天局、杜邦电子公司、通用汽车公司、欧洲航天局和VodafoneZiggo）。它全面概述了集成电路批量生产的主要技术差距，并详细分析了集成光子学产业为实现其潜力而需要克服的挑战。

并且，它指出了关键技术差距：如果这些差距得到解决，集成光子学将为无线通信、三维成像、数据电信和传感等行业带来革命性的变化。

PhotonDelta公司首席技术官彼得·阿克尔（Peter van Arkel）评论说：“整合光子行业和学术界的所有研发资源，解决IPSR-I确定的技术差距，将有助于以惊人的方式解决巨大的社会挑战。路线图的核心是集成光子学行业团结一致应对核心挑战的全球方法。”

国际集成光子学系统路线图（IPSR-I）旨在为建立一个统一的、基于信任的全球工业和研发合作伙伴网络提供一个平台，以推动光子学的创新和应用。其基础是呼吁建立和维持一个以信任为基础的全球工业和研发合作伙伴网络，共同创造光子集成电路（PIC）技术和系统要求。通过调整从研究到最终用户的整个供应链，集成光子学产业应能推动PIC的批量生产。

麻省理工学院材料科学与工程托马斯-德（Thomas Lord）教授莱昂内尔·基默林（Lionel Kimerling）说：“电子光子集成有能力从根本上改变一大批行业，并开启一系列将改变我们生活的新技术。IPSR-I勾勒出了一条清晰的前进道路，并为未来15年的性能提升和应用指明了一条创新的学习曲线。”

/目录/

一、硅光子技术

二、射频光子学

三、III-V族半导体化合物

四、电子-光子设计自动化

五、光子集成电路传感

六、激光雷达

七、收发器和互联设备

八、光子设备测试

硅光子技术，作为光子集成电路（PIC）领域内的一项前沿技术，吸引了极大的关注，其成功得益于其建立在极其成熟的硅纳米电子技术之上。这不仅为开发先进、高产量及低成本的PIC开辟了新道路，也预示着该技术的巨大潜力。

更具体来说，硅光子集成电路已在200毫米和300毫米CMOS代工厂商业化生产，展现出纳米级的精确度和重复性，这在光子学领域是一个重大突破。这一基础技术依托于绝缘体上硅（SOI）晶片，即利用硅晶片上的氧化硅层之上的硅层作为波导核心，以实现芯片上器件的互连。此外，通过将SOI晶圆替换为硅晶圆，并在其上添加氮化硅波导核心层，再由氧化硅层包覆，形成了一种新的硅光子集成电路。这种氮化硅集成技术现已成为硅光子领域的重要组成部分。

在数据中心和电信行业，硅光子技术已成为领先企业的首选技术，他们基于此技术提供了收发器产品，市场上的部署数量已达数千万台。

硅光子技术的多功能性扩展了其应用领域，不仅限于收发器和光互连。当前，超过200家初创企业正在探索其在移动通信、量子计算、农业食品、工业传感和医疗保健等领域的应用。

全球硅光子代工厂及相关技术概览。黄色高亮条目代表仅氮化硅或SOI+氮化硅平台

硅光子技术的未来潜力和市场机会将由其性能、产量、可靠性和成本的综合优势决定。目前，高速数据通信和电信基础设施的高速收发器，以及人工智能和高性能计算中的高密度光互连是市场的主要驱动力。

此外，消费市场中的潜力巨大，例如激光雷达、个性化医疗、医疗诊断、结构监测和物联网设备。一旦硅光子技术在量子计算中成为可能，其市场规模预计将显著增长。

IPSR-I的硅光子学章节致力于为关键制造应用规划提高生产良率、光子电路集成和系统性能的路线图。它为设计师、材料及工具供应商、制造商和最终用户提供了一个协作平台，共同确定技术发展路线图和解决方案准备情况，以满足良率、集成和性能要求。

该文件之所以具有重要价值，是因为它在协调制造供应链以满足综合性能要求方面发挥了关键作用。

路线图分为两个层面：供应链层面和技术层面。每个层面都提供了供应链或技术属性的现状、以紫色方框形式呈现的迫在眉睫的挑战，以及克服障碍的必要路径/解决方案

光子学与射频（RF）技术是通信领域的两大支柱，分别因其在特定频率范围内的低传输损耗而广泛应用于有线与无线传输。光纤通信，特别是在1500 nm（193 THz）波长，享有低至0.2dB/km的传输损耗，而射频技术，尤其是在3GHz至30GHz的微波频段，其大气衰减率不超过0.1dB/km。这两项技术共同构成了现代移动通信网络的核心，确保了用户能够在广阔的覆盖范围内无缝移动。

近年来，随着移动服务需求的增加，移动通信的数据传输速率经历了指数级的增长。这种趋势自2004年以来被广泛认为是Edholm定律的体现，即预测的带宽和数据速率每18个月将翻一番。为了满足这一增长趋势，无线运营商开始寻求对电磁频谱上层区域的利用，尤其关注毫米波（30GHz至300GHz）和太赫兹（300GHz至3THz）频段。特别是在过去五年中，E频段（60GHz至90GHz）的使用增长了500%，占到了微波总装机量的6%，成为5G技术部署的关键组成部分。面向未来的6G技术愿景则将进一步探索毫米波的高端频段，以实现低延迟和高可靠性的连接，支撑自动驾驶、无缝的扩展现实体验和大规模集成的人工智能（AI）应用等创新。

尽管如此，目前在100GHz以上频段的应用仍面临挑战，主要是因为所谓的“太赫兹鸿沟”——一个长期以来因难以获得强大的信号源和高效接收器而难以跨越的技术鸿沟。解决这一难题的可能路径在于光子学、电子学和射频工程技术的综合集成，如同插拔式解决方案那样。在这一集成过程中，面临的关键挑战包括缺乏高频互联技术，以及220GHz以上频段缺少成熟的测量程序和测试设备。

移动通信是射频光子学模块的主要推动力之一，大约每十年就会发展一代。如表所示，自2009年第四代（4G）开始通过LTE-Advanced（LTE，长期演进）技术提供高达1Gbps的宽带连接以来，每一代产品都在不断提高关键性能指标（KPI）

III-V族半导体化合物在各种独立和高度集成的光子元件（如激光器、光放大器、调制器、光检测器以及无源光功能）和高性能电子设备中扮演着关键角色。这些化合物的直接带隙属性，与硅和锗等间接带隙半导体相比，使它们能够高效地产生和放大光。

自20世纪60年代以来，开发了多种类型的半导体激光器（包括连续波、可调谐、多波长、脉冲、复合频率及单光子激光器），它们广泛应用于光源发射器中。通过合金化不同的III-V族化合物，可在广泛的近红外光谱范围内调整光波长至所需值。砷化镓（覆盖850-1100纳米）和磷化铟（覆盖1200-1700纳米）基材料是最常用的系统，主要受光纤通信领域的推动。

得益于这些技术的发展，磷化铟在集成半导体激光器和多种结构以操纵光子在光子集成电路中的功能方面展现出了出色的性能。近期，基于砷化镓的二极管激光器（覆盖1-8-3.0微米范围）成为传感应用中备受关注的光源。

目前，基于磷化铟的光子集成电路（PIC）已在市场上确立了其地位，供应商和用户已大量交付或部署了采用PIC的复杂产品。基于磷化铟的PIC的一大优势在于其能够将激光器和光放大器阵列集成于单一芯片中。此外，基于磷化铟的集成调制器展示了其卓越的性能（驱动电压、效率），而砷化镓则主要应用于VCSEL及其阵列中。

以数据通信和电信应用为主的磷化铟PIC市场在2022年达到了20亿欧元，预计到2027年将增长至50亿欧元。目前，这一市场主要由垂直整合公司服务，但通用代工厂的建立可能将PIC应用扩展至模块和系统制造商，这对于那些无法承担洁净室工厂和开发专有制造工艺所需巨额投资的制造商来说是一个机遇。

磷化铟面临的挑战之一是缺乏大规模制造基础设施。尽管现有的基础设施能够满足当前市场需求，但预期增长将需要大量投资来扩展制造和测试基础设施，以适应预期的市场规模。磷化铟单片集成的扩展规模和成本与硅晶圆工厂相似。随着市场对高性能、高集成度、灵活性PIC的需求不断增加，对大批量生产的投资将有助于降低磷化铟PIC的成本，成为一种可行的策略。

优化生产效率和性能的关键技术任务包括将目前大多是手工操作的制造设备转换为全自动化设备，并向更大的晶圆尺寸发展，目前已经使用4英寸和6英寸晶圆。长远来看，转移到硅衬底上，同时保留磷化铟及其化合物中的光子层，将使磷化铟PIC的生产过渡到8英寸及以上更大的晶圆，但这需要加工设备具备相应的扩展能力。提高制造精度和分辨率将最终扩大元件设计空间并提高组件性能。

PDK（工艺设计工具包）开发和自动测试的进步是另一个重点领域。早期PDK为设计师提供了各种组件，允许他们无需深入了解半导体技术即可进行设计。虽然十多年前就已经使用了基于磷化铟的PDK，但其开发仍需进一步发展，以提供更多、更精确的组件和更好的模拟能力。磷化铟的PDK开发和自动测试与硅光子技术的协同作用显著。

提高性能所需的基础技术取决于考虑的光子组件。每个组件的性能将在很大程度上依赖于集成平台的能力，同时还需考虑特定应用的需求以及复杂性与性能、成本、可制造性和产量之间的权衡。

InP PIC技术的发展有望在多个指标上取得稳步进展。然而，该技术在几个方面的进步预计需要大量的工业研发努力。如图所示，大致分为三类：基底技术、器件性能和制造工艺技术

电子设计领域庞大而成熟，积累了多年利用持续改进的商业设计工具的经验。相比之下，光子设计领域则较为初级，直至最近仍主要依赖自制的工具或仅针对专家和研究人员开发的商业软件。

目标是通过采纳半导体行业内已成熟的方法和流程，结合电子设计自动化（EDA）解决方案，推进传统电子集成电路设计领域的发展，进而创建一个融合电子与光子设计自动化（EPDA）的统一环境。

本路线图旨在识别关键挑战并优先考虑解决策略，助力光子设计人员缩短设计周期，提升设计质量，并减少新产品设计过程中的不确定性。

这一不断扩展的设计人员和工程师社区汇聚了来自不同训练、教育和经验背景的个体，包括光子设备与工艺开发人员、光子集成电路（PIC）设计师以及电子集成电路设计师和工程师。

尽管光子集成电路的制造过程与传统电子集成电路相似，且光罩的最终验证是设计流程的一部分，理解电子集成电路设计与PIC设计之间的差异至关重要。由于基础物理特性，PIC设计更类似于高频操作的毫米波集成电路。这不仅凸显了现有电子设计自动化（EDA）解决方案的局限，也表明了专门针对光子设计的自动化（PDA）解决方案的必要性。

从宏观角度来看，集成电路的设计是一个系统化的多步骤过程，从初始规范到最终验证和检查，确保设计能以可由代工厂生产的格式提交。软件工具和自动化步骤让设计人员能更有效地完成这一流程，辅助他们绘制原理图、布局，并评估设计芯片的性能。EPDA代表了一套支持设计团队进行电路设计、为晶圆厂制造准备的综合环境。

设计自动化和PDK启用项目的优先事项

传感器市场正以迅猛的速度扩张，集成光子学拥有巨大的潜力，预计将深度渗透这一领域。

在众多传感器类型中，科学家特别关注了两个拥有最大潜力的领域：化学和生物目标检测。化学传感器主要依赖于光谱分析技术，这项技术基于原子及其分子键合结构与特定波长光的相互作用。光谱学可以进一步细分为多种方法，包括紫外-可见光（UV-Vis）吸收光谱、红外（IR）吸收光谱以及拉曼光谱等。另一种检测方式，尤其对生物目标检测至关重要，涉及监测目标分子在光子波导中存在时引起的有效折射率（模态折射率）的变化。通过在波导表面涂覆能特异性结合（捕获）目标分子的捕获分子，可以实现针对特定目标的特异性传感。

基于此，针对化学和生物传感的集成光子电路（PIC-Chem和PIC-Bio）发展路线图描绘了传感器行业所需的各种组件在2040年之前的现状及其预期发展。鉴于填补这些关键技术缺口所需的科研发展资金可能不会由商业界提供——业界通常寻求快速的投资回报，这些挑战成为了政府资助研究项目的理想候选，凸显了新科学突破的可能性与迫切需求。

光子集成电路传感若干铸造厂和学术实验室波导制造的最新技术

激光雷达市场正经历快速增长，而集成光子学正准备就绪，旨在提供创新的未来激光雷达解决方案以实现对这一市场的深入渗透。市场的多样性带来了制定激光雷达发展路线图的挑战，其中汽车行业虽是主要市场，但对规格的要求却异常严苛。

为制定一个既实用又管理得当的策略，科学家们决定专注于光子技术作为关键使能技术的激光雷达架构——特别是频率调制连续波（FMCW）激光雷达，及其在硅光子（SiPh）、氮化硅（SiN）和III-V材料系统中的不同实现方法。

基于这种方法，针对PIC技术的激光雷达传感图表概述了2040年前所需各种组件的现状和预期发展。

填补这些关键技术空白的研发很可能无法依赖于工业界投资，因为商业领域通常寻求快速的投资回报。因此，这些技术差距应成为政府资助研究项目的理想主题，强调迫切需要的科学突破和潜在的研究机会。

随着社交网络、数字娱乐、云计算和物联网（IoT）的普及，由此引发的数据量爆炸性增长正在根本上推动数据中心的进化，以及对于基于光纤的高带宽、低延迟和低功耗通信解决方案的需求。

特别是自2022年起，人工智能（AI），尤其是生成式AI的快速采用，将这一增长推至新高。这一市场趋势的变化主要由数据中心行业的巨头如谷歌、Facebook、微软和亚马逊等，而非传统的电信公司，推动着下一代技术平台和标准的发展。这些变革势力正在重塑数据中心架构，推动光子元件与光纤互连的集成度提升，使之变得更加智能化且性能更强。

在过去三年中，光互连领域经历了一个显著的变革，即商业化的共封装兼容以太网交换机ASIC和相关光引擎的推出，这些光引擎是无需机械封装的收发器光子集成电路（PIC）。这一变革正引导行业从传统技术转向创新和低成本的可拆卸连接解决方案，例如通过光功率调节实现主动对齐并使用紫外光/热固化环氧树脂粘接至PIC上的玻璃V形槽光纤阵列（即光纤阵列单元或FAU）。作为一个已有30年历史且成本持续下降的技术，FAU的新型、低成本、共封装PIC至光纤解决方案预计将降低互连成本，保证前面板可插拔收发器的持续存在，并可能支持高达1.6Tbps乃至3.2Tbps的传输速度。

玻璃波导和扩展光束光学等新兴技术预期将提供下一代光子解决方案，增强外部组装和测试（OSAT）的透明度，并最终兑现硅集成光子技术的承诺。这不仅能够利用半导体晶圆级制造和硅集成电路生态系统的优势，还能通过高速后端组装和封装技术进一步增强性能。在这个层面上，大规模制造能力对于满足数据中心的光学需求至关重要。

数据通信和电信市场细分为电信核心/城域网络、电信接入网络和数据通信网络三大领域。

未来十年，电信核心/城域和数据通信领域的增长预期非常强劲。在这一趋势中，集成于PIC中的光子元件正迎来加速发展，这主要得益于对更小型的光子解决方案、更低的功耗、更高的数据传输速度、混合封装、更长的互连距离以及更高性价比（以美元/Gbps计）的需求。尤其是随着使用60至80GHz带宽的光子器件的800Gbps系统的快速部署，预计未来十年PIC收发器的增长将十分迅猛。

显而易见但颇具挑战的下一步是将光电调制和检测速度从60-80GHz提升至100GHz以上。同时，这些新型光电设备必须设计得极为紧凑，并以极低的电压运行，以维持低功耗特性。

光互连的关注焦点是在计算机服务器或以太网ASIC交换机中使用的光子集成电路（PIC），以及它们与云计算、超大规模数据中心和其他高性能数据通信应用（如人工智能和机器学习）中使用的设备之间的光连接。随着企业级数据中心向独立的云数据即服务（DAAS）提供商的转变，这一市场正变得极具战略意义。超大规模数据中心（HDC）正成为未来信息技术基础设施的核心组成部分。

因此，此路线图将重点关注数据中心，作为PIC光互联的首个也是当前最主要的应用领域。