光电子芯片-基础、应用及制造 课件 第8章 光电子芯片新技术及应用

1第8章

光电子芯片新技术及应用8.1硅光技术8.2光电共封装（CPO）技术8.3线性驱动可插拔光模块（LPO）技术8.4光调制器的技术进展及未来8.5光电子芯片应用

光电子芯片—基础、应用及制造8.1硅光技术

8.1.1.概述光电子芯片—基础、应用及制造2随着光模块速率由400G向800G，乃至未来的1.6T和3.2T演进，光模块技术的升级不仅仅是简单的速率翻倍，更需要解决速率提高所带来的功耗大、成本高等问题。在此背景下，光模块也衍生出了不同技术路径，线性驱动可插拔光模块（LPO）、光电共封装（CPO）、硅光技术等方案有望成为光模块新技术的发展方向。硅光技术是基于硅和硅基材料，利用现有CMOS工艺进行光器件开发和集成的新技术。硅光技术的核心理念是以光代电，即采用光子代替电子传输数据，将光子器件与电子元件整合至一个独立的微芯片中，提升芯片之间的连接速度。由于硅是间接带隙半导体（见1.2.5节），其光发射效率较低，难以直接制作高效的光源。因此，现代硅光子技术通常采用直接带隙III-V族半导体材料（如砷化镓GaAs或磷化铟InP）制作的激光器作为光源，通过异质集成或外部耦合的方式与硅基芯片进行连接。这种混合集成方案可以充分利用III-V族材料优异的发光效率，同时保持与硅基工艺的兼容性。光电子芯片—基础、应用及制造3图8.1.1硅基光电子集成芯片8.1.2英特尔硅基光电子芯片平台图8.1.2英特尔公司开发的硅基光电子集成电路（Si-PIC）测试平台光电子芯片—基础、应用及制造4图8.1.3三种不同的多波长激光器实现方案a）8通道DFB阵列接入AWGb）8通道DFB阵列频谱图c）200GHz间距的多段硅波导光栅单腔4λ激光器设计d）单腔4λ激光器频谱图e）单腔8通道锁模激光器f）单腔8通道锁模激光器频谱图光电子芯片—基础、应用及制造58.1.3台积电硅基光电子芯片平台

——无源器件、有源器件、工艺设计包器件库

图8.1.4晶圆上芯片-基板上封装（CoWoS）a）CoWoS-R b）CoWoS-L光电子芯片—基础、应用及制造6图8.1.5台积电光电集成平台器件汇总台积电的硅光平台采用先进的CMOS工艺构建，利用300mm的绝缘体上硅（SOI）制造工艺。该平台用成熟的65nmCMOS技术与先进的光刻和蚀刻技术制造，采用离子注入和锗外延来制造有源器件，如PIN光敏二极管、移相器和调制器。使用具有钨接触的六层金属后端工艺（BEOL）来连接有源器件。光电子芯片—基础、应用及制造7图8.1.6SiPMZI微环调制器光电子芯片—基础、应用及制造8图8.1.7平台的几种器件a）光栅耦合器（SPGC）b）微环调制器（MRM）c）微环调制器耦合间隙d）双微环谐振器（DMRR）e）光栅耦合器（GC） f）边缘耦合器（EC）光电子芯片—基础、应用及制造9图8.1.8表示一种微环谐振调制器的结构，由3.1.9节已经知道，热电效应是外部热源引起波导折射率n变化，在通电加热Cr薄膜时，引起它下面波导的折射率和相位变化[见式（3.1.7）]。微环谐振调制器也是一种马赫-曾德尔干涉（MZI）调制器，只是光程差（相位差）由环路中的热电效应和环路光程不同引起，比如在A处，分成2路光，这2路光经历不同的光程，在B处干涉（谐振），使输出光发生变化。图8.1.8微环谐振（MRR）调制器光电子芯片—基础、应用及制造108.2光电共封装（CPO）技术

8.2.1CPO概述近期，光电共封装（CPO）广受关注。这是一种新兴的光学封装技术，它将光子器件集成到芯片中，从而实现了高速、高密度、低功耗的通信。在传统的光通信系统中，光模块与芯片之间需要通过复杂的连接方式，而CPO技术可以将光模块和芯片封装在同一个封装体中，极大地减小了连接长度和距离，提高了通信效率。CPO技术的应用可以推动高速通信和数据中心的技术发展，是未来通信和信息技术的重要趋势之一。光电子芯片—基础、应用及制造11CPO是一种全新的超小型高密度光模块技术，可替代传统的前面板可插拔光模块。CPO能实现交换芯片与光芯片共封装，如图8.2.1所示，提高能效和交换性能。利用光子取代电子传输数据，通过光器件和电器件共封装，CPO实现了光信号和电信号处理的深度融合。这一转变标志着从传统光模块中的电互连向真正的光互连的转变。图8.2.1光电共封装（CPO）结构光电子芯片—基础、应用及制造128.2.2晶片键合、芯片倒装、1.6Tbit/sCPO架构

1.1.6Tbit/sCPO架构图8.2.2通过光电共封装技术（CPO）中的中介体（Interposer），将发射（Tx）光芯片和接收（Rx）光子集成电路（PIC）与电芯片（电线性驱动器/TIA）互联在一起a）平面图 b）截面图光电子芯片—基础、应用及制造13图8.2.3芯片倒装

倒装芯片封装技术是采用焊锡球把硅光芯片板和印制电路基板连接在一起。硅光芯片板直接安装在有机材料制作的印刷电路版上。硅光芯片上需要焊接的地方装配有铅锡合金焊球。在倒装芯片封装技术中，印刷电路基板的焊盘材料是按比例配制的共掺铅锡合金焊料，其融化温度在220℃。硅光芯片板的工作面朝下，放置在印制电路板上，与有机材料制作的印制电路板连接在一起。这样硅光芯片板的背面可以放置冷却装置，可以对发热量大的高功率芯片散热。光电子芯片—基础、应用及制造14图8.2.4

光电共封装（CPO）技术与传统的光通信系统光模块与芯片PCB之间的倒装连接比较

a）带DSP光模块与PCB连接 b）传统系统光模块与PCB连接

c）CPO光模块和ASIC芯片在同一块PCB上，无需连接光电子芯片—基础、应用及制造15图8.2.51.6Tbit/s系统光/电互转换（O/E、E/O）光子集成电路（PIC）物理层在印制板上所处位置光电子芯片—基础、应用及制造168.2.3基于CPO的VCSEL收发器图8.2.616×25Gbit/s超紧凑光电共封装（CPO）VCSEL收放机a）原理截面图 b）16信道底部发射VCSE阵列顶部图光电子芯片—基础、应用及制造178.2.4中介体、3D堆叠、光引擎（OE）及

未来的CPO当前的AI技术使用电子芯片，非常耗电。相比之下，光不会像电子产品那样导致发热。光子速度很快，并且不会像电子那样相互碰撞。因此，使用光子芯片可以大大降低AI运行的能耗。另外，光子系统还可以利用光的多路复用和超高速信号传播来提高系统的可用带宽密度，降低信号延迟。紧凑型通用光子引擎（COUPE）技术采用集成片上系统（SoC）工艺无缝堆叠电子和光子芯片，封装密度高，可显著降低功耗和延迟。光电子芯片—基础、应用及制造18图8.2.73D光引擎（OE）在未来光通信中的应用a）在可插拔PCB上的光引擎（2025年） b）在衬底上的光引擎（2026年） c）在中介体上的光引擎（未来）光电子芯片—基础、应用及制造19图8.2.8未来的CPO与今天的CPOa)今天的CPO b)未来的CPO光电子芯片—基础、应用及制造208.3线性驱动可插拔光模块（LPO）技术

8.3.1LPO基本概念图8.3.1跨阻放大器（TIA）芯片光电子芯片—基础、应用及制造21光模块中，只留下具有高线性度的驱动芯片（Driver）和跨阻放大器（TIA），并集成连续时间线性均衡（CTLE）功能，用于对高速信号进行一定程度的补偿。线性驱动可插拔光模块（LPO）技术是把光模块中的DSP/CDR芯片去掉，将相关功能集成到设备侧的交换芯片中。图8.3.2线性驱动可插拔光模块（LPO）与传统DSP的比较a）传统光模块（有DSP）b）线性驱动可插拔光模块（LPO）（无DSP）SerTes：串行器/解串行器（高速传输接口）；CTLE：连续时间线性均衡光电子芯片—基础、应用及制造228.3.2串行器/解串行器（SerTes）高速接口图8.3.3铜缆传输的串行器/解串行器（SerTes）的实现光电子芯片—基础、应用及制造23SerTes是一种主流的时分多路复用（TDM)、点对点（P2P）串行通信技术。在发送端将多路低速并行信号，通过时分多路复用（TDM），转换成高速串行信号，经过光缆或铜线传输媒体传输后，在接收端将高速串行信号重新转换成低速并行信号。8.4光调制器的技术进展及未来

8.4.1硅光调制器当前的技术瓶颈硅光调制器是最被广泛研究的纯硅有源光子器件，自研究硅的电光效应以来，已取得了很大的技术进展，使数据速率在过去25年内提高了3个数量级，调制速度从非归零（NRZ）格式下的100Mbit/s提高到如今使用4级脉冲幅度调制（PAM4）的224Gbit/s，PAM4编码是一种用于高速信号传输的技术，主要用于200G/400G以太网电信号或光信号传输。由于硅的中心对称晶体结构，缺乏许多III-V化合物中常见的强非线性电光效应。硅光调制器的瓶颈在于，带宽无法跟上在光收/发器中，波特率扩展到200Gbaud的速度。基于谐振器的调制器（如微环谐振器）通常不会受到由射频损耗引起的带宽限制。串联多个微环，通过利用微环的内在波分复用（WDM）能力，可以实现Tbit/s级别的总带宽。然而，这种方法也需要对每个微环及相邻微环之间的谐振进行精确控制。光电子芯片—基础、应用及制造248.4.2薄膜铌酸锂、氮化硅及应用1.薄膜铌酸锂

薄膜铌酸锂继承了晶体铌酸锂的优秀物理特性，薄膜铌酸锂波导具有更高的折射率差（Δn∼0.7）。薄膜铌酸锂波导对光的约束能力强，允许电极放置得更近，而不会引入显著的金属吸收损耗。因此，薄膜铌酸锂调制器可以实现更高的调制效率，从而实现更短的调制和更大的带宽。2.氮化硅（Si3N4）

氮化硅是一种无机化合物，化学式为Si3N4，为原子晶体，与绝缘硅和硫化物相比，硅氮化物的非线性折射率较低，氮化硅薄波导的传输损耗足够低（0.1dB/m），而且允许输入高强度功率值。氮化硅可工作在从紫外到短波红外的超宽带波段。氮化硅也可以制成对热不敏感的马赫-曾德尔干涉器（MZI）。SiN波导也可以制成波分复用/解复用器。总之，多层氮化硅波导提供了一个新的维度进行光器件的设计，SiN波导的热光系数小、加工容差性强、可工作在可见光波段等优势，也使得其在一些特定器件的性能优于Si波导。但是光信号的调制与探测还是必须通过Si波导来完成。因此，SiN波导可以作为Si波导一个比较好的补充，用于一些特定的器件设计。光电子芯片—基础、应用及制造258.4.3光调制器新材料如何影响各种新应用

在未来3~5年内，人工智能有望成为高速光调制器的最大市场。

薄膜铌酸锂调制器可作为光子处理引擎或光子计算的张量核心，其快速、低功耗的调制特性将加速节能机器学习、人工智能和云服务的发展。此外，薄膜铌酸锂调制器可以在低温下运行，可应用于量子超导电路中。

将激光器与薄膜铌酸锂光调谐器混合集成，可以实现快速的啁啾重复频率、大啁啾带宽和线性调谐，将使其成为FMCW激光雷达的优先选择。

将激光器与薄膜铌酸锂光调谐器混合集成，可以实现快速的啁啾重复频率、大啁啾带宽和线性调谐，将使其成为FMCW激光雷达的优先选择。

利用铌酸锂材料具有强的压电效应，使晶体表面产生应力，继而产生在介质中传播的表面声波，出现声生光栅，使输入光束偏转的特性，已制成了压电晶体调制频率-角度分辨激光雷达。AlGaAs光调制器具有强约束单模波导光传输的非线性特性，在量子技术和非线性光子学中也具有重要价值。光电子芯片—基础、应用及制造268.5光电子芯片应用

8.5.15G/6G光传输网络图8.5.1硅光芯片在IM--DD光纤传输OFDM系统（O--OFDM）中的应用光电子芯片—基础、应用及制造27图8.5.1硅光芯片在IM--DD光纤传输

OFDM系统（O--OFDM）中的应用图8.5.2光电子芯片通过光电共封装（CPO）在OFDM光纤传输（RoF）无线通信网络中的应用光电子芯片—基础、应用及制造288.5.3自动驾驶激光雷达测距激光雷达（LaserRadar）也是激光探测及测距系统的简称

。激光雷达是以发射激光束探测目标的位置、速度等特征量的雷达系统。其工作原理是向目标发射探测激光信号，然后将接收到的从目标反射回来的信号（目标回波）与发射信号进行比较，作适当处理后，就可获得目标的有关信息，如目标距离、方位、高度、速度、姿态、甚至形状等参数，从而对飞机、导弹等目标进行探测、跟踪和识别。它由激光发射机、光接收机、转台和信息处理系统等组成，激光器将电脉冲变成光脉冲发射出去，光接收机再把从目标反射回来的光脉冲还原成电脉冲，送到显示器。激光雷达是一种工作在从红外到紫外光谱段的雷达系统，其原理和构造与激光测距仪极为相似。科学家们把利用激光脉冲进行探测的称为脉冲激光雷达，把利用连续波激光束进行探测的称为连续波激光雷达。激光雷达的作用是能精确测量目标位置（距离和角度）、运动状态（速度、振动和姿态）和形状，探测、识别、分辨和跟踪目标。经过多年努力，科学家们已研制出火控激光雷达、侦测激光雷达、导弹制导激光雷达、靶场测量激光雷达、导航激光雷达等。光电子芯片—基础、应用及制造29图8.5.4调频连续波（FMCW）激光测距光电子芯片—基础、应用及制造30图8.5.5飞行时间（ToF）激光雷达激光测距激光雷达通过测量激光信号往返传播的时间而确定目标的距离，例如激光从开始发射到从月球反射回来的时间测定为2t=2.56秒，光速c是30万km/s，则地球到月球的距离是19.2万km[d=(1/2)ct]。光电子芯片—基础、应用及制造31图8.5.6毫米波雷达光电子芯片及其测距示意图光电子芯片—基础、应用及制造328.5.4数据中心光互联随着全球网络流量的爆炸性增长，数据中心规模不断扩大，对带宽和功耗的要求也越来越高。传统的电子互连架构已无法满足日益增长的带宽和节能需求。硅光芯片具有集成度高、成本低廉、带宽大、能耗低、与CMOS技术兼容、大规模制造等突出技术优势，成为解决这些挑战的解决方案，具有广泛应用前景。目前，硅光收发芯片已经应用于数据中心高速光模块。为满足日益增长的带宽需求，下一代光模块需要将数据率提升到800Gbit/s以上。为提升通信容量，现有硅光模块多采用并行单模光纤（PSM）或稀疏光波分复用（CWDM）的多信道复用方式。前者虽然理论上可实现多信道传输，然而受限于功率预算，只适合于500m光传输；后者受限于可容纳信道数目和较高光纤色散，通信容量难以突破800Gbit/s，也很难实现2km以上传输距离。为实现更高通信容量和更远传输距离传输，硅光收发芯片急需开发新的实现方案。光电子芯片—基础、应用及制造33图8.5.7数据中心光互联8通道端口连接WDM硅光收发芯片a）封装后图像 b）显微图像2024年11月，天津工业大学、中国科学院半导体研究所、鹏城实验室等单位研究团队创新性地提出了基于光栅耦合的8通道端口连接WDM（Lan-WDM）硅光收/发集成方案，有关论文发表在《Laser&PhotonicsReviews》上。光电子芯片—基础、应用及制造34图8.5.8在单个晶粒上集成8个CWDM波长的激光器光电子芯片—基础、应用及制造35图8.5.9超宽带存储器（HBM）在光电共封装（CPO）中的应用a）HBM在晶圆上芯片-基板上封装中 b）HBM在立方体封装中光电子芯片—基础、应用及制造368.5.5光电子人工智能（AI）芯片人工智能（AI，ArtificialIntelligence）正在影响各行各业，并将极大地影响人们的工作和生活。而人工智能的核心之一就是AI芯片。在短短的几年时间里，AI芯片就飞速发展成为一个新兴的产业。各大公司和研究机构、高等院校纷纷成立专门的AI研究机构，研究AI算法、模型和硬件（即AI芯片），有的大学甚至还为本科生开设了AI课程，以培养社会急需的AI人才。1994年，科学家发现利用马赫-曾德尔干涉器（MZI，见2.2.3节）可以执行矩阵乘法的重要数学运算。集成光子学（如硅光芯片）的出现，为相位稳定的大型光学转换提供了可扩展的解决方案。在数学上，每个MZI执行2×2个矩阵矢量乘积，MZI整个网格将使用N×N矩阵乘以N个元素的矢量。硅光AI加速器可以在一个CPU时钟周期内执行任何矩阵乘法，而电子芯片至少需要几百个时钟周期才能执行相同的操作。光信号在大约仅100ps的传输时间就从MZI矩阵的输入端传输都输出端，完成了计算，计算时间小于电子计算的单个时钟周期。MZI的理论带宽接近200THz，而电子的仅几GHz，而消耗的能量也要低几个数量级。光电子芯片—基础、应用及制造37图8.5.10光学神经网络（ONN）中的光学矩阵乘法通过马赫-曾德尔干涉器（MZI）构成的内部移相器配置在光神经网络中，光学矩阵乘法通过马赫-曾德尔干涉器（MZI）构成的内部移相器配置，非线性激活通过光学非线性单元（如饱和光吸收和双稳态）实现。一般的矩阵运算可用于经典计算、量子计算、数据路由、安全保障等方面。光电子芯片—基础、应用及制造38理论上，任何矩阵都可以通过奇异值分解方法分解为一个对角矩阵和两个幺正矩阵。光衰减器（由3.3.1节介绍的电吸收波导调制器担当）可以实现任何对角矩阵函数，分束器和移相器可以实现任何酉矩阵函数。因此，光神经网络的训练权重矩阵可以通过集成光学元件一对一地物理实现。2017年，Shen等人通过级联56个马赫-曾德尔干涉器（MZI）设计了一个矩阵尺寸为4×4的光神经网络，并在硅基上完成了光神经网络芯片的制造。2018年，Hughes等人提出了一种用于马赫-曾德尔干涉器（MZI）网格设计的片上光神经网络的原位训练方法。2021年，Zhang等人指出，大多数关于光神经网络的研究仍然只使用为数字计算机设计的传统实值框架。因此，在光神经网络的训练过程中，利用了光的相位和振幅，从而为光神经网络的优化结构参数提供了更高的自由度（可调变量加倍）。因此，经过训练的光神经网络表现出卓越的逻辑推理能力。2022年，Zhu等人在现有研究中，进一步引入了可以实现傅里叶变换和逆变换的集成衍射单元（AWG）。光电子芯片—基础、应用及制造39图8.5.11基于56个MZI和AWG组成的光神经网络芯片光电子芯片—基础、应用及制造40光子AI芯片与电子AI芯片当前的AI技术使用电子芯片，非常耗电。电子芯片产生热量的原因是电子信号通过铜线并导致能量损失，这就是主要的电力成本所在。相比之下，光不会像电子产品那样导致发热。光子速度很快，并且不会像电子那样相互碰撞。因此，使用光子芯片可以大大降低AI运行的能耗。另外，光子系统还可以利用光的多路复用和超高速信号传播来提高系统的可用带宽密度。尽管光子芯片在处理速度上具有极大的优势，但目前光子芯片的可扩展性还十分有限，尚不能实现大型神经网络所要求的矩阵矢量乘法。另外，光的存储问题尚未解决。虽然从理论上讲，光子芯片在时延、功耗方面只有电子芯片的1/1000左右，但是光子的控制还得由电子电路来控制，实际电路还需要增加不少光电转换、ADC、DAC等接口电路，因此目前的实际系统还未能充分发挥光子的优势。目前，深度学习AI芯片和类脑芯片的研发工作正在积极开展，同时光子深度学习AI芯片、光子类脑AI芯片基于储备池计算的光子AI芯片等也正在起步。有望在未来看到更多的光子AI芯片诞生并得到广泛应用。光电子芯片—基础、应用及制造418.5.6硅光芯片及其光学神经网络原型（图8.5.12）这种光电混合光神经网络，光子芯片的主要任务是高效处理大量线性矩阵运算，并承担光电混合系统中的主要计算工作；电子芯片的职责是实现光神经网络的参数重建，并处理光神经网络难以实现的非线性操作、数据存储和流量控制。通过结合两者各自的优点，光电混合系统的性能将在能耗、计算能力、计算速度等方面优于传统的电子方法。光电子芯片—基础、应用及制造42

8.5.7

光子

计算芯片光电子芯片—基础、应用及制造43图8.5.13台积电的数字光计算（DOC）系统2023年潘建伟团队研制出了世界首个255个光子计算机，比超级计算机快1000万亿倍。2024年8月8日，据清华大学报道，该校戴琼海院士课题组首创了全前向智能光计算训练架构，并成功研制出太极-Ⅱ光子芯片光子计算机是一种由光信号进行数字运算、逻辑操作、信息存贮和处理的新型计算机。它由激光器、光学反射镜、透镜、滤波器等光学元件和设备构成，靠激光束进入反射镜和透镜组成的阵列进行信息处理，以光子代替电子，光运算代替电运算。图8.5.14数字光计算（DOC）系统的N×M计算矩阵a）计算矩阵（验证实验N=M=8）b）MZI计算单元 c）MZI计算单元横截面光电子芯片—基础、应用及制造448.5.8光学相控阵（OPA）雷达发射芯片激光雷达通过发射激光束并接收反射信号来获取目标信息。它由激光发射、光学接收、转台和信息处理等系统组成。激光发射系统将电脉冲转化为光脉冲，这些光脉冲在碰到目标后会反射回来，被接收器捕获。通过比较发射和反射的信号，可以恢复出电脉冲，并显示出来。接收器能够精确测量光脉冲从发射到被反射回来的时间，因为光速是已知的，所以这个时间可以直接转换为目标的距离。激光雷达可以测量目标的距离、方位、速度等多种参数，为探测、跟踪和识别目标提供了强大的支持。光学‌相控阵（OPA）雷达‌是一种结合了相控阵技术和激光雷达技术的设备，其工作原理涉及波束成形、信号处理和激光脉冲的发射与接收。相控阵激光雷达通过控制多个激光发射单元的相位和幅度，实现波束成形。每个激光发射单元独立受控，通过调整相位关系，可以在不移动天线的情况下电子操纵信号指向不同的方向。这种能力使得相控阵激光雷达能够在短时间内完成全空域的扫描，并且具有高时空分辨率‌。光电子芯片—基础、应用及制造45图8.5.16光学相控阵（OPA）雷达发射系统原理图相移器控制每个通道的光相位，是实现波束控制的关键组件；光学天线阵列是OPA的辐射元件，由直波导光栅构成天线，控制波束的范围、宽度和旁瓣水平。光电子芯片—基础、应用及制造46图8.5.17德国InP光子相控阵（OPA）雷达发射系统与3维打印光束整形器a）8个输出信道的InP光子相控阵（OPA）雷达发射系统芯片

b）OPA输出光束横截面形状和角度定义光电子芯片—基础、应用及制造47图8.5.18丹麦DTU的光子相控阵雷达（OPA）发射系统

该系统由光栅耦合器（GC）、星形耦合器、波导阵列及波导臂上的移相器阵列、平板波导光栅天线组成，该光栅是一个波导间隔为半波长、4mm长的梯形平板光栅。光电子芯片—基础、应用及制造48图8.5.20奥地利氮化硅波导相控阵（OPA）雷达发射系统芯片a）制造的芯片显微图 b）芯片组件图

使用800nmSiN工艺，光束水平视野为25o，水平和垂直分辨率分别为0.7o和0.08o。OPA在水平方向上，光束通过设置移相器阵列来控制；在垂直方向上，光束可以通过激光波长来控制。光电子芯片—基础、应用及制造498.5.9量子芯片所谓量子芯片就是将量子线路集成在基片上，进而承载量子信息处理的功能。量子芯片是未来量子计算机的大脑。2018年2月，中国科学技术大学郭光灿院士团队在半导体量子芯片研制方面再获新进展，创新性地制备了半导体六量子点芯片。2022年11月，我国第一条量子芯片生产线正在紧锣密鼓生产“悟空芯”——为量子计算机“悟空”配套的量子芯片。中国科学院量子信息与量子科技创新研究院研发的骁鸿超导量子计算芯片拥有504比特，刷新了国内超导量子比特数量的纪录。此外，北京大学icon的研究团队研制出光量子计算芯片（博雅一号），实现了片上多光子、高维度量子纠缠态的制备与调控。在光量子计算领域，中国的九章三号光量子计算原型机在处理高斯玻色取样icon问题时，展现出比全球最快超级计算机快一亿亿倍的算力。2024年12月，谷歌推出了最新的量子芯片——Willow，令世界轰动。因为这款芯片宣称能用5分钟时间，完成现在最快的超级计算机需要10的25次方年，才能算完的计算，而这是远比宇宙年龄还要长的时间。光电子芯片—基础、应用及制造508.5.10光子存储芯片光存储方案是指寻找光学双稳态的器件，利用双环半导体光放大器（SOA）构建光触发器，利用半导体环形激光器的振荡模式实现光学双稳态，以及利用垂直腔发射表面激光器（VCSEL）的偏振双稳态等，但是，这几种方案都尚处在原理验证阶段，在存储速度、读写控制及大规模集成等方面都不同程度地存在问题，其实用性尚为时过早。另一种变通的方案是光子RAM方案，采用串/并转换技术将高速率的线路信号变成低速率的并行信号，这样信号就可以采用现有的电RAM进行随机存储和数据处理。但该方案在高速率的串/并和并/串转换上也还存在较大的技术难题。无论是CD光盘、DVD光盘等光存储介质，采用的存储方式都与软盘、硬盘相同，是以二进制数据的形式来存储信息。而要在这些光盘上面储存数据，需要借助激光把电脑转换后的二进制数据用数据模式刻在扁平、具有反射能力的盘片上，实现起来困难可想而知。光电子芯片—基础、应用及制造518.5.11光交换芯片图8.5.22基于微机电系统（MEMS）的光电路交换（OCS）网络光电子芯片—基础、应用及制造52外置激光源通过ELSFP、QFSP-DD或OFSP接口接入OE。ELSFP是外置光源小型可插拔光模块，QSFP是4通道小型可插拔光模块、QSFP-DD是密度加倍4通道小型可插拔光模块，OFSP是8通道小型可插拔活动连接器。该交换矩阵有32路或64路光引擎（OE）输入光信号，每个OE具有数据输入和故障报告输出功能。OE激光器可以是内置的，也可以是外置的输出功率11~26dBm的光源模块。图8.5.23专用集成电路（ASIC）交换及其光模块光电子芯片—基础、应用及制造53图8.5.24专用集成电路（ASIC）交换矩阵及其光引擎（OE）的输入光信号、逻辑控制电信号输入英伟达计划于

2025

年

3

月

推出

CPO

交换机，将于

2025

年

8

月实现量产，正式迈向市场，其ASIC

芯片交由台积电制造。该交换机有四个28.8Tbit/s的交换机芯片，总共115.2Tbit/s的交换能力。每路输入光纤传输速率是800Tbit/s，一个交换机芯片周围要配9个光引擎（OE），总计有144个800Gbit/s端口。光电子芯片—基础、应用及制造548.5.12战车、战机芯片

1.战车芯片光电子芯片是战车的超级感官和高速神经，极大地提升了其战场感知、信息处理和生存能力。高性能热成像仪（红外热像仪），是现代战车的核心夜视设备，其核心是红外焦平面阵列（FPA）芯片（见7.3.4节）。武汉高德红外股份有限公司等企业自主研发和生产了百万像素级红外探测器及芯片，已广泛应用于国产战车、战机等装备。高分辨率CCD/CMOS图像传感器（见7.2节），用于战车的光学摄像机和微光夜视仪。光电子芯片在战车火控系统中的应用，除激光测距外，在稳定与跟踪系统中，基于MEMS（微机电系统，见2.3节）

的光学陀螺仪和加速度计可以精确地测量运动和角度变化。如果战车内置强大图像处理器（如AI算法）

进行实时分析，自动识别和锁定目标，即使目标在移动，炮塔也能自动保持瞄准，实现目标自动跟踪。另外，光纤数据总线通信、自由空间激光通信、激光告警系统和红外对抗系统等芯片也在战车中具有广泛的应用前景。光电子芯片—基础、应用及制造552.战机芯片战机性能高度依赖于先进的光电系统，而这些系统的核心正是各种光电子芯片。这些芯片极大地提升了战机的态势感知、通信攻击和生存能力。（1）红外搜索与跟踪系统（IRST）芯片核心是红外焦平面阵列（IR-FPA）芯片，其功能相当于战机的红外眼睛，感知物体发出的热辐射（红外线），并将其转换成红外探测器（像素）的电信号，最终形成热成像画面。光电跟踪系统（EOTS）通常在机头下方，集成