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信息光子技术发展与应用研究报告（2024年）

创作时间:

作者:

@小白创作中心

信息光子技术发展与应用研究报告（2024年）

引用

来源

https://m.renrendoc.com/paper/376892079.html

信息光子技术是光子学与信息科学交叉融合的产物，涵盖了光连接、光算存、光采集、光呈现等多个领域。近年来，随着全球主要经济体对光子能力的高度重视，信息光子技术呈现出快速发展的态势。本文将从多个维度探讨信息光子技术的发展现状与未来趋势。

信息光子技术总体发展态势

信息光子技术是光子学与信息科学交叉融合的产物，涵盖了光连接、光算存、光采集、光呈现等多个领域。近年来，随着全球主要经济体对光子能力的高度重视，信息光子技术呈现出快速发展的态势。

全球主要经济体高度重视光子能力构建

美国、欧盟、日本、韩国等主要经济体均将光子技术作为重点投资领域。美国在2008年启动了国家光子计划（NPP），欧盟在2007年启动了“FP7”科技框架计划，日本成立了光产业技术振兴协会（OITA），韩国发布了“未来显示器研究开发推进战略”等。

市场规模稳定增长，发展阶段各有差异

根据Photonics21等数据，2023年全球光子产业市场规模约为920亿美元，较2001年增长了约4.6倍。不同细分领域的发展阶段也各不相同，其中光连接领域已进入成熟阶段，光算存领域处于快速发展阶段，光采集和光呈现领域则处于成长阶段。

光连接领域研究与应用进展

光连接领域是信息光子技术的重要组成部分，主要涉及高速率传输、多样化技术方案、产业规模及应用场景等方面的研究与应用进展。

高速率是光连接领域最核心的发展诉求

近年来，光连接领域的速率发展迅速。2024年是国内400Gb/s QPSK/16QAM开启规模部署的元年，下一代800Gb/s和Tb/s速率正在加速推进。其中，800Gb/s速率已实现量产，1.6Tb/s速率预计将在2025~2026年初步实现商用。

多样化技术方案助力传输交换容量提升

多波段一体化光电芯片、空分复用和空芯光纤等新型技术方案正在助力传输交换容量的提升。其中，空分复用技术已实现22.9Pb/s的光传输系统，空芯光纤的损耗已降低至0.14dB/km以下。

产业规模持续增长，应用场景不断泛化

根据Omdia数据，2023年光连接市场规模约407亿美元，预计到2028年将超过600亿美元。应用场景已从传统的电信网络、行业专网和数据中心互联等领域，向智算/超算中心、星地通信、车载通信、工业互联网等新兴领域拓展。

片间和片上芯片级光互连成为研究热点

片间光互连（CPO）和片上光互连（OIO）是当前研究的热点方向。CPO已实现56Gb/s NRZ速率，预计到2024年将实现64Gb/s NRZ速率。OIO则实现了4Tb/s的数据传输速率，预计到2033年市场规模将达到23亿美元。

光算存领域研究与应用进展

光算存领域是信息光子技术的重要组成部分，主要涉及光计算和光存储两个方面。近年来，光算存技术在算法优化、产业生态、存储性能等方面取得了重要进展。

光电混合架构占据主流，算法不断优化

光计算按照所处理的数据形态可分为通用数字光计算和专用模拟光计算两大类。目前，光电混合架构已成为主流方案，通过将光计算单元与传统电子计算单元相结合，实现优势互补。在算法层面，光计算已成功应用于图像处理、机器学习等领域。

应用需找准定位，实用领域将不断扩展

光计算在短期内仍定位为电计算的补充，主要应用于特定场景。例如，在图像处理领域，通过全光卷积运算进行多种卷积操作；在机器学习领域，通过光干涉实现矩阵运算。随着技术的不断进步，光计算的应用领域将逐步扩展。

产业生态尚不成熟，布局重点出现转移

光计算产业生态尚不成熟，主要集中在初创企业。近年来，产业布局重点出现转移，部分企业开始向光互连领域延伸。例如，Lightmatter和部分国内企业已从单纯光计算转向光互连领域。

存储性能不断提升，距离实用道阻且长

光存储技术主要包括相变材料存储、铁电存储、光机械存储等。近年来，光存储的性能不断提升，例如，基于相变材料的非易失性存储已实现1000次擦写寿命。然而，光存储距离实用仍面临诸多挑战，例如，功耗高、尺寸大、开关速度慢等问题。

光采集领域研究与应用进展

光采集领域是信息光子技术的重要组成部分，主要涉及激光传感、光电探测、光纤传感等技术。近年来，光采集技术在集成化、分布式、车载激光雷达、生物医疗光传感等方面取得了重要进展。

光采集技术向集成化与分布式方向演进

光采集技术正向集成化与分布式方向演进。激光传感采用激光器作为光源，光电探测采用光-电探测/转换芯片，光纤传感则利用光纤的散射效应。集成化方面，激光雷达已实现固态激光雷达和泛光面阵式（FLASH）等方案；分布式方面，分布式光纤传感已实现布里渊光时域反射（BOTDR）等方案。

车载激光雷达路径多元化集成趋势明显

车载激光雷达是光采集技术的重要应用领域。近年来，车载激光雷达技术路径呈现多元化趋势，主要包括机械式、固态激光雷达和泛光面阵式（FLASH）等方案。其中，固态激光雷达采用硅光集成技术，具有体积小、成本低等优势；泛光面阵式（FLASH）采用面阵探测器，具有高分辨率、高帧率等优势。

生物医疗光传感前沿方向正在广泛探索

生物医疗光传感是光采集技术的重要应用领域。近年来，生物医疗光传感技术在生物医学成像、生物传感、生物检测等方面取得了重要进展。例如，基于荧光标记的生物医学成像技术已实现单分子成像；基于表面等离子体共振（SPR）的生物传感技术已实现高灵敏度检测；基于拉曼散射的生物检测技术已实现无标记检测。

分布式光纤传感是长距场景的理想方案

分布式光纤传感是光采集技术的重要应用领域。近年来，分布式光纤传感技术在长距场景中展现出独特优势。例如，在石油管道监测中，分布式光纤传感可实现长达百公里的监测范围；在桥梁隧道监测中，分布式光纤传感可实现高精度的应力应变监测。

光呈现领域研究与应用进展

光呈现领域是信息光子技术的重要组成部分，主要涉及新型显示技术、应用场景、市场空间、成像技术等方面的研究与应用进展。

新型显示领域多条技术路线并行发展

新型显示技术主要包括LCD、OLED、Micro-LED、激光显示、电子纸等技术路线。其中，LCD技术发展成熟度高，成本低，技术创新有效支撑显示性能持续提升；OLED技术蒸镀工艺较为成熟，又细分为白光（WOLED）和精细金属掩膜版（FMM-OLED）两种方案；Micro-LED显示性能优异备受关注，但制造工艺要求严苛成熟度较低。

数字时代新型显示应用场景不断拓展

数字时代新型显示应用场景不断拓展，主要包括智能手机、平板电脑、电视、车载显示、AR/VR等领域。其中，智能手机和平板电脑是最大的应用市场，电视和车载显示市场也在快速增长，AR/VR等新兴领域则展现出巨大潜力。

新型显示市场空间广阔我国保持领先

新型显示市场空间广阔，我国在LCD和OLED领域保持领先地位。根据Omdia数据，2023年全球显示市场规模约为1211亿美元，其中LCD市场规模约为700亿美元，OLED市场规模约为511亿美元。我国在LCD领域占据全球市场份额的60%以上，在OLED领域占据全球市场份额的40%以上。

成像技术从多维度突破人类视觉极限

成像技术从多维度突破人类视觉极限，主要包括超分辨成像、非视域成像、非可见光成像等方向。其中，超分辨成像技术通过结合高灵敏度探测器和先进的图像处理算法，实现对微小物体的高分辨率成像；非视域成像技术通过捕捉物体反射的光线，实现对视线外物体的成像；非可见光成像技术基于光学探测器，可捕获紫外、红外等非可见光谱范围内的信息。

跨领域交叉融合研究与应用进展

信息光子技术的跨领域交叉融合研究与应用进展主要体现在连接+计算+存储新范式、通感一体化光网络协同架构、感算融合全光智能技术等方面。

连接+计算+存储新范式推动算力扩展

连接+计算+存储新范式是信息光子技术的重要发展方向。通过将光连接、光计算和光存储技术进行深度融合，实现算力的扩展和优化。例如，通过光互连技术实现芯片间的高速数据传输，通过光计算技术实现高性能计算，通过光存储技术实现大容量存储。

通感一体化光网络协同架构正在构建

通感一体化光网络协同架构是信息光子技术的重要发展方向。通过将通信和感知功能进行深度融合，实现信息的高效传输和感知。例如，通过分布式光纤传感技术实现对光缆线路的实时监测，通过相干信号DSP技术实现对信号的高精度处理。

感算融合全光智能技术研究正在开展

感算融合全光智能技术是信息光子技术的重要发展方向。通过将光传感和光计算技术进行深度融合，实现智能信息处理。例如，通过光传感技术实现对环境信息的实时感知，通过光计算技术实现对感知信息的高效处理。

材料工艺共性基础研究与产业进展

信息光子技术的材料工艺共性基础研究与产业进展主要体现在光子材料、光子集成、集成制造和先进封装、制造模式等方面。

光子材料多体系并存且处于不同成熟阶段

光子材料主要包括III-V族材料、硅基材料、铌酸锂、聚合物等体系。其中，III-V族材料以InP和GaAs为主，主要用于光源和探测器；硅基材料以Si和SiGe为主，主要用于集成光电子器件；铌酸锂材料主要用于调制器和波导；聚合物材料主要用于波导和光纤。

光子集成正处于转向规模发展的关键节点

光子集成正处于转向规模发展的关键节点。目前，中小规模PIC（Photonic Integrated Circuit）已实现商业化应用，大规模PIC正在快速发展。主流材料体系包括硅基材料、III-V族材料、铌酸锂材料等。其中，硅基材料已实现12英寸晶圆制造，III-V族材料已实现6英寸晶圆制造，铌酸锂材料已实现4英寸晶圆制造。

集成制造和先进封装是光子集成布局重点

集成制造和先进封装是光子集成布局的重点方向。集成制造主要包括外延生长、光刻、刻蚀、金属化等工艺环节；先进封装主要包括2.5D封装、3D封装、倒装封装等技术方案。其中，2.5D封装通过硅通孔（TSV）实现芯片间的高速互联，3D封装通过堆叠实现芯片间的垂直互联，倒装封装通过凸点实现芯片与基板的互联。

垂直整合、细化分工等多种制造模式并存

光子材料的工艺制造包含垂直整合（IDM）、细化分工或通用代工（Fabless）等多种模式。其中，IDM模式主要应用于高端光子器件制造，如激光器、探测器等；Fabless模式主要应用于中低端光子器件制造，如波导、耦合器等；Fab-lite模式则介于IDM和Fabless之间，主要应用于中高端光子器件制造。