3月25日，欧洲光子学产业加速器组织PhotonDelta和麻省理工学院微光子学中心携手全球400余家科技、学术、产业组织，共同研制发布2024版国际集成光子学系统路线图[1]。

光子学与电子学的集成将推动制造更小、更快、更节能的器件，有望拓展功能实现各类新兴应用，助力自动驾驶汽车、数据电信、医疗保健等诸多领域取得重大进展。上一版路线图发布于2019年，由PhotonDelta和美国集成光子学制造创新研究所（AIM Photonics）组织全球250余位专家共同研制[2]。此次发布的2024版路线图反映了来自空客、Meta、美国国家航空航天局（NASA）、杜邦电子、通用汽车、欧洲空间局（ESA）、VodafoneZiggo等机构的专家通过100余次研讨和13次会议达成的共识，全面概述了实现光子集成芯片批量生产的主要技术差距，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。

路线图旨在为建立协同、可信的全球工业和研发合作伙伴网络提供平台，推动光子学的创新和应用，通过协同从研究到终端用户的完整供应链，助力集成光子学产业实现光子集成芯片的批量生产。路线图清晰刻画了未来15年性能和应用持续提升的创新学习曲线，如果能够很好解决路线图所确定的关键技术差距，集成光子学将为包括射频光子学（无线通信）、3D成像、数据通信、传感等在内的众多产业带来革命性变化。路线图共包括15份领域报告。

1、电子光子设计自动化。总体发展目标是利用半导体产业已有的电子集成电路设计成熟方法和流程，结合光子设计，以形成统一的电子光子设计自动化（EPDA）应用环境。当前，代工工艺设计包（PDK）的成熟度有所提高，但仍达不到互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺节点的水平。未来的发展重点是加强代工和软件供应商的协同发展，代工负责开发更高效、更稳定的工艺，在工艺设计包中纳入更多的设计、工艺和测试信息，同时软件供应商负责改进工具和流程，更好利用代工提供的信息来支持制造和增产降本的设计。路线图从两方面提出电子光子设计自动化的发展目标，一是设计自动化，包括芯片设计流程集成、分析和模拟能力、物理验证、芯片设计系统；二是使能工具，包括工艺设计包、组装设计包。

2、组装。传统上组装面临的主要问题是降低单模光纤对准的成本，当前这一问题已经基本得以解决。未来发展面临的主要问题包括更高精度的组装、增材制造相关问题、多芯光纤对准、更好的材料和工艺等。路线图从两方面提出组装的发展目标，一是模块需求，包括互联和收发器、光传感器、射频光子学、3D成像激光雷达；二是技术问题，包括与波导对准、光子集成电路与光学元件组装、不同材料组装、热需求、实现更高精确度的工具、转移组装、增材制造相关问题。

3、测试。光子器件测试的目标是能够继续采用数十年来硅基器件的测试模型，总体来说技术满足所需，重点是提高效率。路线图从两方面提出测试的发展目标，一是数据中心组件的测试，主要应对测试耗材成本高、光子集成电路产能高且复杂性持续提高、不同接口速度的最佳测试成本等挑战；二是激光雷达和光传感器组件的测试，包括不同材料和封装的激光雷达、解调器、传感器，波长范围，光学组件，光源，输入输出，环境测试，测试参数等。

4、硅光子学。当前硅光子学光子集成电路已实现商业代工制造，多家厂商和研究机构在200毫米或300毫米晶圆上开发了成熟的绝缘体上硅（SOI）光子集成电路工艺流程，并广泛采用了90、65、45纳米CMOS节点的微电子学制造设施和工艺技术。硅光子学的潜在应用和市场空间取决于性能、产量、可靠性和成本。当前的商业驱动因素是用于数据通信和电信基础设施的高速收发器，以及用于人工智能和高性能计算的高密度光互连。此外，激光雷达、精准和个性化医疗、医疗诊断、结构监测设备、物联网应用器件等消费市场应用潜力巨大，基于硅光子学的量子计算也具备发展潜能。路线图从两方面提出硅光子学的发展目标，一是供应链层面，包括向先进工艺节点发展、工艺设计包和光子设计自动化、加工晶圆价格、异质集成、原型制造周期、在线控制和测试、第二货源/代工可携性、组装；二是技术层面，包括晶圆级光源集成、高速调制器、高速探测器、波导。

5、磷化铟和三五族化合物。三五族（III-V）半导体化合物是激光器与光放大器、调制器、光电探测器等光电器件的核心材料体系，其中最主要的是磷化铟（InP）和砷化镓（GaAs）。磷化铟光子集成电路已经在数据通信领域实现商业应用，其主要优势包括可以在单个芯片上集成激光器和光放大器阵列，调制器性能优异等，未来发展面临的主要挑战包括缺乏大规模制造基础设施，以及工艺设计包的开发和自动化测试等。磷化铟和三五族化合物路线图在晶圆尺寸、外延、引入硅基技术、带宽、调制器效率/损耗、激光器线宽/调谐、激光器效率、最大工作温度、光刻等方面提出具体发展目标。

6、聚合物。有源和无源聚合物器件当前都已实现商业化。基于光子的有源电光聚合物器件的关键应用是光纤通信，涉及利用光纤互连和链路的电信、数据通信、高性能计算等领域。聚合物波导、塑料光纤、双光子聚合物等无源聚合物器件的关键应用包括光纤通信、汽车、医疗、显示、消费电子等。聚合物路线图在收发速度、数据速率密度、封装、功率、调制器、电光接口板、有源聚合物、无源聚合物、双光子聚合物等方面提出具体发展目标。

7、氮化硅。氮化硅波导具有许多优点，包括传输损耗低、从可见光到中红外波段均透明、成本低、在高功率和工业环境应用中具备高可靠性、易于与标准单模光纤耦合等，其制造工艺已经成熟。路线图从氮化硅的外延沉积、干法刻蚀、湿法刻蚀、光刻、退火、平坦化、钝化、划片、金属沉积、晶圆键合等方面提出具体发展目标。

8、射频光子学。当前100吉赫兹以上频带的通信技术仍存在挑战，需要解决“太赫兹间隙”涉及的太赫兹源和接收机技术难题。光子、电子、射频工程技术的混合集成有望实现突破，但仍需要解决高频互联技术、220吉赫兹以上的测试设备和技术等问题。射频光子学路线图针对基于光子学的6G无线收发机，从峰值数据速率、信道带宽、延迟、典型链路距离、可用频谱、天线、光源、光电二极管、光电混合器、组装和封装等方面提出具体发展目标。

9、三维传感激光雷达。当前激光雷达市场增长迅猛，集成光子学有望在未来激光雷达发展中实现重要应用。三维传感激光雷达路线图针对以光子学作为关键使能技术的调频连续波（FMCW）激光雷达提出三个层面的发展目标，一是应用层面，包括汽车、无人机、结构健康；二是材料平台层面，包括三五族光子集成电路、CMOS光子学、硅/三五族电子学；三是数据分析/控制/反馈层面，包括信号处理、计算/人工智能。

10、互联和收发机。预计未来10年，电信核心/城域网和数据通信领域的增长将非常强劲，对光子集成电路的需求也将随之增长，包括实现更小尺寸、更低功耗、更高数据速率、混合封装、更长互连长度和更低成本，光子集成电路收发机将实现快速增长。光子集成电路光互联的主要应用领域是数据中心，其他应用领域涉及医疗/生物武器传感和雷达、与微流体器件的集成传感、量子技术、神经形态计算等。收发机路线图在模块收发、数据速率密度、封装、典型链路距离、磷化铟单片、磷化硅和磷化铟/硅锗混合、聚合物光子学、介电光子学、砷化镓等方面提出相应发展目标。光互联路线图在可插拔性、共封装、成本、损耗、制造规模、光纤/V槽型、波导、扩束、对齐、架构等方面提出相应发展目标。

11、光谱学和折射率传感。集成光子学将助力传感市场的发展，其中化学传感和生物目标传感是最具潜力的传感器类型。针对光子集成电路生物传感器，路线图提出总体发展目标及在折射率、吸收光谱、拉曼光谱、不同材料平台、光谱范围和分辨率、产能和复杂度、集成光源、光电探测器、批量生产的表面功能化、传感器与医疗设备集成、测试和封装等方面的发展目标。针对光子集成电路化学传感器，路线图提出总体发展目标及在折射率、吸收光谱、拉曼光谱、不同材料平台、光谱范围和分辨率、产能和复杂度、集成光源、光电探测器、表面功能化、测试和封装等方面的发展目标。

12、航空航天应用。路线图概述了在机上/星上光子学、自由空间光通信、量子、激光雷达、光学干涉、光纤传感、光谱分析和校准等方面的光子学应用需求。

13、农业食品应用。路线图概述了在农业生产、收获后处理、畜牧、食品处理、食品安全、食品垃圾等方面的光子学应用需求。

14、汽车应用。路线图针对三维传感激光雷达，提出了关于角分辨率、范围、尺寸、成本、功耗、人眼安全性、噪声、视场等的发展目标。

15、生物医学应用。光子集成电路的生物医学应用尚处于发展初期，路线图概述了三类应用，一是与个人或个人环境的直接相互作用，包括用于诊断和健康监测的化学和生物传感器、治疗诊断技术、用于环境监测的化学和生物传感器、其他诊断技术；二是处理个人数据，包括处理传感器或诊断数据、人工智能/机器学习应用等；三是前沿应用，包括数字孪生、微观生理系统等。                               （韩淋）