光電融合破解帶寬、能耗難題

張新全，余少華

(1. 中國(guó)信息通信科技集團(tuán)有限公司，武漢 430074； 2. 光纖通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430074)

0 引 言

光子和電子具有不同的物理特性，但都可以作為信息載體，兩者在信息領(lǐng)域各有優(yōu)、劣勢(shì)。光子技術(shù)和電子技術(shù)是典型的“使能技術(shù)”，是幾乎所有其他領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的支撐。兩者又是典型的“工程科技”，將科學(xué)發(fā)現(xiàn)和技術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)發(fā)展緊密結(jié)合[1]。

過(guò)去50年里，單位無(wú)線頻譜中傳送的信息量?jī)赡臧敕环饫w骨干網(wǎng)傳輸帶寬9～12個(gè)月翻一番。集成電路規(guī)模按照摩爾定律18～24個(gè)月集成度翻番的目標(biāo)指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)60多年，其間集成電路尺寸縮小了一萬(wàn)倍，性能提高了十萬(wàn)倍，成本降低了百萬(wàn)至近億倍。這些信息技術(shù)的進(jìn)步還有多大空間？還能持續(xù)多久？未來(lái)50至100年如果繼續(xù)維持指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，靠什么理論？什么技術(shù)？

毋庸諱言，經(jīng)過(guò)幾十年高速發(fā)展的信息技術(shù)正面臨帶寬、能耗等維度愈來(lái)愈嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[2]，芯片上的晶體管密度很難按照摩爾定律繼續(xù)提升。由于光子技術(shù)的長(zhǎng)項(xiàng)正在于大帶寬、低能耗和高速率，人們期望通過(guò)光電融合推動(dòng)信息技術(shù)繼續(xù)向前發(fā)展。

本文簡(jiǎn)要介紹了從光學(xué)到光子學(xué)的發(fā)展歷程，基于光子、電子各自的特性分析了信息領(lǐng)域光子、電子的發(fā)展水平和差異，在闡述了電子信息技術(shù)面臨的諸多挑戰(zhàn)后，提出光子電子并重、光電融合的光電信息時(shí)代，并給出了發(fā)展信息光子技術(shù)的4點(diǎn)建議。

1 光學(xué)發(fā)展進(jìn)入光子時(shí)代

光學(xué)是研究光的本性、光的產(chǎn)生和傳播、光與物質(zhì)相互作用的科學(xué)[3-4]。

太陽(yáng)以光的形式孕育生命、造福人類(lèi)。從趨光性的感光細(xì)胞，到辨別方向、形狀的眼腔，再到復(fù)雜的眼睛和視覺(jué)神經(jīng)，地球上的動(dòng)物經(jīng)過(guò)了數(shù)億年的進(jìn)化。人類(lèi)借助于光學(xué)不斷延展對(duì)世界的認(rèn)識(shí)極限：宏觀上，我們通過(guò)Fast望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到了1.6萬(wàn)光年之遙的脈沖星；微觀上，我們通過(guò)最先進(jìn)的顯微鏡觀測(cè)到了原子形狀。

光學(xué)地位獨(dú)特，整個(gè)科學(xué)都與之關(guān)聯(lián)，唯有光學(xué)貫穿了人類(lèi)科學(xué)發(fā)展的整個(gè)進(jìn)程并直接促成了電磁學(xué)、相對(duì)論和量子力學(xué)等現(xiàn)代科學(xué)根基的建立[5-6]。

光學(xué)已廣泛應(yīng)用到各科技領(lǐng)域(如空間、能源、材料、微電子、生物工程、化學(xué)工程、醫(yī)療、環(huán)境保護(hù)、遙感、遙測(cè)、精密加工、計(jì)量、通信、印刷、能源、生態(tài)環(huán)境、防災(zāi)、農(nóng)業(yè)、生命科學(xué)、資源保護(hù)以及軍事等)，光學(xué)相關(guān)的科學(xué)和技術(shù)發(fā)展是人類(lèi)科技創(chuàng)新的最重要支柱之一[3]。

人類(lèi)對(duì)光的認(rèn)識(shí)和研究是不斷深化的。古希臘曾有人以為，光是由眼睛發(fā)射出去的。古羅馬哲學(xué)家盧克萊修在《物性論》中指出，光由光源產(chǎn)生并直接到達(dá)眼睛。2 500年前，墨子通過(guò)小孔成像實(shí)驗(yàn)探討了光和影的關(guān)系。公元1015年，阿拉伯中世紀(jì)科學(xué)家、哲學(xué)家伊本·海賽姆發(fā)表了《光學(xué)之書(shū)》。伊本·海賽姆認(rèn)為，來(lái)自物體的光線作用于眼睛視網(wǎng)膜，從而使人感知到形象，并據(jù)此推論出光線的反射和折射。自此，光學(xué)開(kāi)啟了千余年漫長(zhǎng)發(fā)展之路。(為了紀(jì)念伊本·海賽姆，以及千年來(lái)光對(duì)于人類(lèi)文明的巨大推動(dòng)，聯(lián)合國(guó)將2015年定為“光和光基技術(shù)國(guó)際年”)。

光學(xué)在17世紀(jì)開(kāi)始被系統(tǒng)化地建立[7]。1662年，法國(guó)的皮埃爾·德·費(fèi)馬在費(fèi)馬原理(Fermat’s Principle)中指出：光沿著光程取極值的路徑傳播(如：光總是走最短的路線)；1666年，牛頓利用三棱鏡對(duì)光的色散進(jìn)行觀察，指出白光是由彩光組成的；法國(guó)物理學(xué)家?jiàn)W古斯丁·讓·菲涅耳提出的菲涅耳方程(Fresnel Equation)，對(duì)光的反射和折射規(guī)律進(jìn)行了科學(xué)描述；20世紀(jì)以前，以非相干光源為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)光學(xué)主要研究宏觀光學(xué)現(xiàn)象，對(duì)光的傳播進(jìn)行了深入和較透徹的規(guī)律探索，如古典光學(xué)基于光的波動(dòng)說(shuō)解釋光學(xué)現(xiàn)象，經(jīng)典光學(xué)基于光的電磁波理論解釋光學(xué)現(xiàn)象[8-9]。對(duì)于光本性的探討，以牛頓為代表的粒子說(shuō)和以惠更斯為代表的波動(dòng)說(shuō)一直持續(xù)爭(zhēng)論到20世紀(jì)初，如圖1所示。

圖1 關(guān)于光的本性的探討歷程

現(xiàn)代光學(xué)在光的本性、光的產(chǎn)生和光與物質(zhì)的相互作用方面取得重大突破。現(xiàn)代光學(xué)的理論基礎(chǔ)形成于20世紀(jì)初。1900年，普朗克提出“能量子假設(shè)”；1905年，26歲的愛(ài)因斯坦(Einstein)通過(guò)對(duì)光電效應(yīng)的研究，在文章《 Concerning an heuristic point of view toward the emission and transformation of light》中提出了“光量子”概念；1916年，愛(ài)因斯坦進(jìn)一步提出光子受激發(fā)射和吸收理論。在普朗克、愛(ài)因斯坦、海森堡、玻爾、泡利、狄拉克和波恩等一大批科學(xué)家的共同努力下，量子力學(xué)基本建立，形成光的波粒二象性觀點(diǎn)。人類(lèi)認(rèn)識(shí)到，光是波(電磁波)、是粒子，本質(zhì)上是能量。20世紀(jì)中葉，傅里葉光學(xué)促進(jìn)了光學(xué)信息處理、相干光理論和全息光學(xué)的進(jìn)步。1960年5月16日，人類(lèi)首次產(chǎn)生激光，美國(guó)人Thewodore H. Maiman研制出了世界第一臺(tái)紅寶石激光器(來(lái)自美國(guó)或日本的研究人員不斷突破，于1962、1963、1970、1973、1977和1994年分別制成半導(dǎo)體同質(zhì)結(jié)激光器、半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)激光器、半導(dǎo)體雙異質(zhì)結(jié)激光器、分布反饋激光器、量子阱激光器和量子點(diǎn)激光器)[10-11]。光子理論和激光器的發(fā)明，使人類(lèi)對(duì)光的認(rèn)識(shí)和利用水平極大提升。激光是一種宏觀量子現(xiàn)象，由相同狀態(tài)(相同的相位、偏振方向和頻率等)的光子構(gòu)成[12]。作為相干光源，激光極大加速了光學(xué)的發(fā)展，標(biāo)志著光學(xué)進(jìn)入現(xiàn)代光學(xué)和光子學(xué)的發(fā)展階段，標(biāo)志著光子學(xué)由學(xué)術(shù)走向技術(shù)和應(yīng)用[13]，聯(lián)合國(guó)因之將每年的5月16日命名為“國(guó)際光日”。

21世紀(jì)的光學(xué),已邁進(jìn)光子時(shí)代，這一點(diǎn)在國(guó)際光學(xué)和光子學(xué)工程學(xué)會(huì)(the International Society for Optics and Photonics，SPIE)的名稱(chēng)中得到體現(xiàn)。SPIE是領(lǐng)域內(nèi)最大和最具權(quán)威性的國(guó)際學(xué)術(shù)交流組織、學(xué)術(shù)文獻(xiàn)出版機(jī)構(gòu)[14]。1955年成立時(shí)，SPIE最初定名為“the Society of Photographic Instrumentation Engineers”；1964年，SPIE第1次更名，改為“the Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers”；1981年，SPIE再次更名，改為“the International Society for Optical Engineering”；26年后的2007年，SPIE第3次更名，稱(chēng)為“the International Society for Optics and Photonics”。SPIE名稱(chēng)的變化，側(cè)面反映出領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)和應(yīng)用的進(jìn)步和變化，在其現(xiàn)名稱(chēng)“國(guó)際光學(xué)和光子學(xué)工程學(xué)會(huì)”中，光子學(xué)的地位和重要性被凸顯。

2 光子學(xué)和信息光子

電子學(xué)(Electronics)研究電子及其相應(yīng)技術(shù)和應(yīng)用。愛(ài)迪生1883年發(fā)現(xiàn)熱電子發(fā)射效應(yīng)(愛(ài)迪生效應(yīng))，赫茲1887年實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證電磁波，約瑟夫·湯姆森1897年發(fā)現(xiàn)電子，電子學(xué)從此誕生。弗萊明于1904年根據(jù)愛(ài)迪生效應(yīng)制成電子二極管，德弗雷斯則在1906年發(fā)明電子三極管，由此開(kāi)啟了電子技術(shù)的應(yīng)用。美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室分別于1948和1952年研制出了晶體管和金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET)，進(jìn)一步促進(jìn)了電子技術(shù)應(yīng)用。1958～1959年期間，鍺集成電路和硅集成電路分別由杰克·基爾比和羅伯特·諾伊斯發(fā)明。集成電路技術(shù)在成本、性能和可靠性等諸多方面顯著優(yōu)于電子分立元件，最終形成如今電子技術(shù)在幾乎全部領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

與電子學(xué)相類(lèi)似，如圖2所示，光子學(xué)研究光子及其相應(yīng)技術(shù)和應(yīng)用。科學(xué)方面，光子學(xué)探究光子的特性，探究光子與物質(zhì)的相互作用和各種效應(yīng)。技術(shù)方面，光子學(xué)研究光子的產(chǎn)生、傳輸、調(diào)控、探測(cè)和存儲(chǔ)等。因此，從廣義觀點(diǎn)看，光子學(xué)發(fā)展過(guò)程中所提出的量子光學(xué)、光電子學(xué)、納光子學(xué)和光信息處理技術(shù)等凡是與光子行為有關(guān)的，都可屬于光子學(xué)范疇[8，15-18]。

圖2 電子學(xué)和光子學(xué)的發(fā)展[8]

從光子作為載體的角度出發(fā)，荷蘭科學(xué)家Poldervaart 在1970年定義光子學(xué)(Photonics)是研究以光子為信息或能量載體的科學(xué)[19]。因此，光子技術(shù)可分為能量光子技術(shù)和信息光子技術(shù)。

能量光子技術(shù)，是以光子作為能量的載體。激光能量密度高、方向性好，高能激光束可使物質(zhì)改性，可作高溫?zé)峒庸ぃ勺鳛橥饪剖中g(shù)的“激光刀”、軍事打擊的“激光炮”，甚至有望導(dǎo)致核聚變。基于激光的加工處理技術(shù)，在各種精密、智能制造中日益關(guān)鍵，尤其由于電子受限于德布羅意波長(zhǎng)極限，使光子在超精密制造中優(yōu)勢(shì)突出。另外，光子與物質(zhì)作用過(guò)程中可實(shí)現(xiàn)多種形式的能量轉(zhuǎn)換，比如太陽(yáng)能相關(guān)的利用技術(shù)，對(duì)于人類(lèi)存續(xù)、綠色發(fā)展具有重要價(jià)值。

信息光子技術(shù)，是以光子作為信息的載體。信息光子研究基于光子的信息調(diào)控、發(fā)射、傳輸、探測(cè)、處理、運(yùn)算、存儲(chǔ)和顯示等，涉及通信、計(jì)算和存儲(chǔ)等諸多信息技術(shù)領(lǐng)域[8]。

信息光子技術(shù)已經(jīng)發(fā)揮出顯著作用。信息光子技術(shù)的一個(gè)典型、成功而廣泛的應(yīng)用是光纖通信。高質(zhì)量、大帶寬、低成本的光纖通信承載了全球90%以上的數(shù)據(jù)傳輸，是覆蓋全球的互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信網(wǎng)等的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。《科學(xué)美國(guó)人》將光纖通信評(píng)價(jià)為“二戰(zhàn)以來(lái)最有意義的四大發(fā)明之一”。可以說(shuō)，沒(méi)有光纖通信，便不會(huì)有今天的互聯(lián)網(wǎng)和通信網(wǎng)。

20世紀(jì)前半葉，電學(xué)向電子學(xué)的開(kāi)拓，導(dǎo)致信息技術(shù)極大進(jìn)步。光學(xué)向光子學(xué)的開(kāi)拓，已經(jīng)在信息領(lǐng)域展現(xiàn)出光明前景。我們有理由相信，光子技術(shù)在信息領(lǐng)域會(huì)具有深遠(yuǎn)的、不遜于電子的科學(xué)與技術(shù)意義。后文的探討，我們將主要聚焦到信息光子方面。

3 光子與電子

人類(lèi)對(duì)光子的認(rèn)識(shí)、操控和利用水平相對(duì)于電子而言，是較為落后的[9，18]。

1897年，英國(guó)的約瑟夫·約翰·湯姆生在陰極射線研究中發(fā)現(xiàn)電子 (Electron)，以此獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)(1906年)。相較而言，光子的發(fā)現(xiàn)比電子晚。

為了對(duì)黑體輻射曲線進(jìn)行解釋?zhuān)绽士颂岢觯涸拥恼袷幠芰坎皇沁B續(xù)值，而是一系列的離散值(hν，2hν，3hν，…，其中，h為普朗克常數(shù)，ν為頻率)。普朗克將hν稱(chēng)為能量子(Quantum of Energy)，1900年12月發(fā)表于《論正常光譜的能量分布定律的理論》一文。

1839年， Becguerel A發(fā)現(xiàn)在電解液的電極上照射光會(huì)有電壓出現(xiàn)；1887年，赫茲也在實(shí)驗(yàn)中觀察到光電效應(yīng)(Photoelectric Effect)；但直到1905年，才由愛(ài)因斯坦對(duì)光電效應(yīng)進(jìn)行了解釋。受普朗克的“量子”假設(shè)啟發(fā)，愛(ài)因斯坦將光束描述為一群離散的光量子(Light Quanta)，并提出光電效應(yīng)方程：頻率為ν的光量子的能量為hν，1個(gè)電子吸收1個(gè)光量子的能量后，一部分能量用于克服金屬的逸出功W0，剩余能量則成為逸出后電子的初動(dòng)能Ek，即Ek=hν-W0。愛(ài)因斯坦因之獲得1921年諾貝爾物理獎(jiǎng)。

1926年，光子(Photon)這個(gè)今天得到廣泛使用的命名由美國(guó)物理學(xué)家吉爾伯特·路易斯提出。

光子是一種玻色子(boson)。波色子遵循玻色—愛(ài)因斯坦統(tǒng)計(jì)，自旋量子數(shù)為整數(shù)，不遵守泡利不相容原理(多個(gè)全同玻色子可處于同一量子態(tài))。光子自旋為1，靜止質(zhì)量(Rest Mass)為0，真空中速度為光速c(3×108m/s)，不帶電荷，能量為hν。規(guī)范玻色子是傳遞基本作用力的媒介粒子，在物理學(xué)的4大基本力(強(qiáng)力、弱力、電磁力和引力)中，根據(jù)量子電動(dòng)力學(xué)(Quantum Electrodynamics，QED)，光子是電磁力的媒介粒子。光子具有時(shí)間可逆性，無(wú)空間局域性。

為了更好地理解光子的特性，我們可以將光子與電子進(jìn)行簡(jiǎn)單對(duì)比，如表1所示。

表1 光子與電子[9，17]

電子是一種費(fèi)米子(Fermion)。費(fèi)米子遵循費(fèi)米—狄拉克統(tǒng)計(jì)，自旋量子數(shù)為半奇數(shù)，遵守泡利不相容原理(系統(tǒng)中不能有兩個(gè)或兩個(gè)以上的費(fèi)米子處于完全相同的量子態(tài))。物質(zhì)由費(fèi)米子構(gòu)成。電子自旋為1/2，質(zhì)量為9.109 56×10-31kg，帶負(fù)電(電子的電量為-1.602 176 634×10-19庫(kù)侖。根據(jù)狄拉克方程，雖然存在著電子的反粒子—正電子，但正電子遇到電子后會(huì)迅速湮滅。)。任何原子都由原子核和圍繞其運(yùn)動(dòng)的若干電子組成。電子具有時(shí)間不可逆性和高度的空間局域性。

光子和電子有一些共同點(diǎn)。光子和電子都是微觀粒子(Particle)，具有波粒二象性，都可作為信息和能量的載體。光子和電子都具備離散性、疊加性和糾纏性等量子特征，都滿(mǎn)足DiVicenzo判據(jù)[20]，因此都是量子信息技術(shù)中量子態(tài)的載體，都可制備量子比特。

作為使用最廣泛的兩類(lèi)信息載體，電子和光子是信息技術(shù)的基石[21]，但物理性質(zhì)的差異使得兩者在信息領(lǐng)域各有長(zhǎng)短。

電子在信息領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)很多，無(wú)需贅述。相對(duì)于光子而言，電子有一個(gè)最突出的優(yōu)點(diǎn)：電子非常適合進(jìn)行信息處理。因?yàn)殡娮訋щ姾桑嗷ブg通過(guò)電場(chǎng)關(guān)聯(lián)，故可基于晶體管等器件輕易地進(jìn)行控制(以較弱的電子信號(hào)控制較強(qiáng)的電子信號(hào))，從而使人類(lèi)可以高水平地、方便地和高效地操控電子。

相對(duì)于電子而言，光子也具有一些優(yōu)勢(shì)：

(1) 光子承載信息的效率高，可實(shí)現(xiàn)更大容量的信息傳輸、處理系統(tǒng)，比電子大4個(gè)數(shù)量級(jí)以上。 一是光子可用于承載信息的維度多，如振幅、相位、頻率、偏振和軌道角動(dòng)量等；二是光子有更多資源可用于承載信息，比如頻率維度上，光子載波的頻率高(～1014Hz量級(jí))，而電子載波很難突破～1010Hz量級(jí)，使光子的頻帶寬度比電子高～4個(gè)數(shù)量級(jí)。

(2) 光子可實(shí)現(xiàn)更高速率的信息傳輸、處理，超過(guò)電子約5個(gè)數(shù)量級(jí)。光子器件響應(yīng)時(shí)間可達(dá)飛秒量級(jí)(～10-15s)，信息速率已達(dá)Tbit/s(1012b/s)量級(jí)。電子器件響應(yīng)時(shí)間則很難高于納秒量級(jí)(～10-10s)，信息速率難于突破～1010b/s。另外，光子回路無(wú)需阻抗匹配，沒(méi)有制約回路性能的電氣布線制約。

(3) 光子可實(shí)現(xiàn)更低延遲，優(yōu)于電子3個(gè)數(shù)量級(jí)。介質(zhì)中光速v=c/n(n為介質(zhì)折射率)。由于光子不荷電，傳輸不受外場(chǎng)影響，不存在回路電學(xué)延遲效應(yīng)，其在器件中的延遲極小。光子信息回路的運(yùn)行速度可比電子信息回路快1 000倍以上[21]。

(4) 光子可實(shí)現(xiàn)信息的多通道并行互聯(lián)和處理，電子只能單通道運(yùn)行。光子之間難以發(fā)生相互作用，具有高度的平行能力；電子易互擾，只能單通道運(yùn)行。

(5) 光子的能耗極低。光子本身不帶電荷，相比于電子，在能耗方面有天然優(yōu)勢(shì)。

(6) 光子的存儲(chǔ)容量大。存儲(chǔ)器容量決定于單位信息量(bit)所需最小存儲(chǔ)介質(zhì)體積，光的三維存儲(chǔ)容量可達(dá)(1/λ)3量級(jí)(λ為波長(zhǎng))。

(7) 光子有優(yōu)良的傳輸媒質(zhì)——光纖，其抗電磁干擾、傳輸損傷小、成本低。與電子所需的金屬傳輸媒質(zhì)相比，光纖作為光子最普遍的傳輸媒質(zhì)，具有極大優(yōu)勢(shì)，一是抗電磁干擾能力強(qiáng)、無(wú)串?dāng)_、保密性好；二是損耗等各類(lèi)傳輸損傷小；三是成本極低，不受資源約束。

上述的優(yōu)劣勢(shì)，是由光子、電子的物理本性決定的，不以人的意志為轉(zhuǎn)移。

4 電子信息時(shí)代

信息技術(shù)主要包括計(jì)算、通信、傳感、存儲(chǔ)和顯示等多個(gè)方面。基于信息技術(shù)構(gòu)建形成的各種網(wǎng)絡(luò)(互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)等)、各種終端(手機(jī)、電腦等，以及各類(lèi)有傳感、通信功能的工具、儀表、機(jī)器和設(shè)備等)形成現(xiàn)代社會(huì)的神經(jīng)、五官、四肢，大量的數(shù)據(jù)中心、云計(jì)算/邊緣計(jì)算平臺(tái)和超算中心等形成現(xiàn)代社會(huì)的大腦。

正是有了電子，才有了現(xiàn)代信息技術(shù)。電子技術(shù)直接促成了信息技術(shù)的迅猛進(jìn)步，直接促成了信息產(chǎn)業(yè)的高速擴(kuò)張，大眾熟知的已有信息產(chǎn)品和服務(wù)幾乎都以電命名(如電報(bào)、電話、電子傳真、電腦、電纜、電視、電子商務(wù)和電子游戲等)。尤其電子集成電路以“摩爾定律”的方式持續(xù)進(jìn)步[22]，使電子技術(shù)的性能不斷提升、成本不斷降低，人類(lèi)得以邁進(jìn)信息社會(huì)、信息時(shí)代。

因此，從所基于的技術(shù)特征來(lái)講，此前幾十年的信息時(shí)代，主要是電子信息時(shí)代，電子是主角。

那么，為何光子在信息領(lǐng)域的重要性和作用沒(méi)有得到充分展現(xiàn)，地位沒(méi)有得到凸顯？我們認(rèn)為主要有以下兩個(gè)原因：

(1) 光子、電子物理特性差異大，導(dǎo)致光子技術(shù)的發(fā)展較電子技術(shù)慢，人類(lèi)對(duì)光子的操控、運(yùn)用水平遜于電子。

光子、電子雖然都能作為信息的載體，但兩者物理特性差異大，造成技術(shù)難度不同，使得光子技術(shù)發(fā)展相對(duì)較慢。比如，電子技術(shù)的電源是相干的，但光子技術(shù)所需的相干光源直到1960年隨著激光器的發(fā)明才實(shí)現(xiàn)，時(shí)間相差200年[8]。再比如，作為電子技術(shù)的關(guān)鍵器件，晶體管在1948年被發(fā)明，而受制于“以光控光”的高難度，“光晶體管”至今仍沒(méi)有真正實(shí)現(xiàn)。

1959年，理查德·費(fèi)曼在美國(guó)物理學(xué)會(huì)上關(guān)于“底層有足夠空間(There’s Plenty of Room at the Bottom)”的報(bào)告，開(kāi)啟了微納技術(shù)研究。自此，從分離器件走向集成器件的電子信息技術(shù)駛?cè)肟焖侔l(fā)展軌道。從上世紀(jì)60年代開(kāi)始，電子集成電路基本遵從摩爾定律給出的進(jìn)步速度。1971年，Intel開(kāi)發(fā)出有2 300個(gè)晶體管的微處理器芯片4004；2008年，Intel酷睿i7處理器有7.31億個(gè)晶體管；2019年底，美國(guó)Cerebras Systems公司發(fā)布的芯片“Cerebras Wafer Scale Engine”上集成有1.2萬(wàn)億個(gè)晶體管[23]。可以說(shuō)，集成帶來(lái)的性能提升、可靠性提升、成本降低，是幾十年來(lái)電子技術(shù)快速進(jìn)步和廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵所在。比如，2010年售價(jià)約400美金的iPhone4手機(jī)，其性能媲美1976年耗資750萬(wàn)美金的超算Cray-1。

然而，盡管集成光學(xué)的概念在1969年即已被貝爾實(shí)驗(yàn)室Miller S E提出，但直到最近十年，光子集成技術(shù)才有較明顯的進(jìn)展，且其水平相對(duì)于電子集成而言還較為初級(jí)。

因此，目前人類(lèi)對(duì)光子的操控、運(yùn)用水平，與電子相比是遜色的，這直接導(dǎo)致了電子技術(shù)在信息領(lǐng)域的應(yīng)用更為廣泛，也直接制約了光子技術(shù)在信息領(lǐng)域的作用發(fā)揮。

(2) 光子和電子各有優(yōu)劣、各有所長(zhǎng)，人類(lèi)不同階段的信息需求決定著主要依賴(lài)的技術(shù)。

受制于成本和性能的綜合權(quán)衡，技術(shù)的采用往往取決于需求。人類(lèi)的信息需求是在逐步提升的，技術(shù)與需求的匹配度，決定著對(duì)技術(shù)的選擇。

從性能的角度，光子和電子各有優(yōu)劣。電子技術(shù)在帶寬、速率、能耗和存儲(chǔ)容量等方面遜于光子技術(shù)，但技術(shù)成熟度高、靈活性高，尤其在集成電路發(fā)展起來(lái)后，電子技術(shù)在成本、可靠性、存取速度和便捷性上優(yōu)勢(shì)顯著。因此，人類(lèi)較基本的信息需求，電子技術(shù)已可滿(mǎn)足，如電報(bào)、電話、電子傳真和電視等。當(dāng)人類(lèi)的信息需求上升到多媒體、全覆蓋后，電子技術(shù)已很難單獨(dú)滿(mǎn)足，需要光子技術(shù)的協(xié)助，于是光接入、光傳輸和光存儲(chǔ)等光子技術(shù)逐漸得到采用，鐵線載波、銅雙絞線和中同軸等電子技術(shù)則已經(jīng)退出。

從功能的角度，光子和電子各有所長(zhǎng)。一是連接/傳輸方面，在光纖被發(fā)明后，光子技術(shù)在連接領(lǐng)域的帶寬、速率優(yōu)勢(shì)極其顯著，非常適合作為大容量、高速率和長(zhǎng)距離的連接手段，使得連接領(lǐng)域近30年呈現(xiàn)明顯的“光進(jìn)銅退”趨勢(shì)，電子連接則主要應(yīng)用于速率要求不高、更為強(qiáng)調(diào)成本和靈活性的短距、微距場(chǎng)合。二是處理/計(jì)算方面，在晶體管、集成電路被發(fā)明后，電子技術(shù)展現(xiàn)出強(qiáng)大的數(shù)字化信息處理能力，這使得凡是需要進(jìn)行大量信息處理的設(shè)備，比如各種處理器、計(jì)算機(jī)、服務(wù)器和智能終端等，比如網(wǎng)絡(luò)中的交換機(jī)、路由器等，仍都主要是基于電子技術(shù)的。

因此，總體而言，此前幾十年人類(lèi)對(duì)信息的需求，主要是由電子技術(shù)滿(mǎn)足的。但是，也應(yīng)該看到，隨著人類(lèi)信息需求的不斷提升，光子技術(shù)的應(yīng)用范圍在擴(kuò)大，應(yīng)用迫切性在提高。

5 電子面臨的挑戰(zhàn)與光電融合

電子技術(shù)經(jīng)過(guò)百年持續(xù)、高速進(jìn)步，正日益逼近其物理極限。

一是速率、帶寬難以再有大幅提升。

受制于物理特性，電子器件的速率、帶寬是有極限的。近百年的發(fā)展后，最先進(jìn)電子器件已經(jīng)逼近這個(gè)極限，中央處理器(Central Processing Unit，CPU)時(shí)鐘頻率達(dá)到數(shù)GHz，模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analog-to-Digital Converter，ADC)等器件帶寬接近百GHz，很難再有量級(jí)上的突破。

二是摩爾定律不僅趨緩，而且舉步維艱。

從1965年提出摩爾定律到現(xiàn)在的近六十年里，電子集成電路的進(jìn)步一直是指數(shù)式的，如圖3所示。指數(shù)式增長(zhǎng)的威力巨大，比如：一張A4紙(厚度0.1 mm)，只要對(duì)折42次，其厚度將超過(guò)38.4萬(wàn) km(地球到月球的平均距離)。摩爾定律已堅(jiān)持近60年，實(shí)屬奇跡。

圖3 典型處理器的晶體管數(shù)隨著年份的指數(shù)式增長(zhǎng) [24-25]

指數(shù)式增長(zhǎng)很難長(zhǎng)期持續(xù)，實(shí)際上，摩爾定律是在逐漸放緩的。在“集成電路上容納的晶體管數(shù)目，約每隔X個(gè)月便增加一倍”這句描述中，1965年摩爾給出的“X”是12；到了1975年，摩爾將之修改為18；近20年，實(shí)際上的“X”已經(jīng)是“24”或更大的數(shù)字了。

制程工藝的特征尺寸，肯定是存在著一個(gè)由物理特性決定的極限值。時(shí)至今日，電子集成電路最先進(jìn)制程工藝特征尺寸已窄至3.000 nm，而硅原子的半徑僅為 0.117 nm。有觀點(diǎn)認(rèn)為，當(dāng)基于硅的芯片特征尺寸達(dá)到5個(gè)原子時(shí)，漏電流和海森堡測(cè)不準(zhǔn)原理的效應(yīng)將使器件不再實(shí)用。

因此，近幾年，摩爾定律能否延續(xù)的討論，在業(yè)界廣泛展開(kāi)。2005年，摩爾認(rèn)為“Something like this can’t continue forever”，判斷摩爾定律可能在2010至2020年間因達(dá)到極限而失靈。2015年, 摩爾再次預(yù)測(cè), 摩爾定律或?qū)⒂?2025年終結(jié)。2014年國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)路線圖(International Technology Roadmap for Semiconductors，ITRS)組織宣布，不再依照摩爾定律制訂路線圖。總的看來(lái)，在“單位面積的晶體管密度”上，業(yè)界基本不再認(rèn)為能繼續(xù)指數(shù)式增長(zhǎng)下去。

三是散熱和能耗難以為繼。

1974年Dennard H Robert提出了Dennard scaling定律：每一代集成電路技術(shù)，可將晶體管尺寸縮小30%(晶體管面積減少約50%)，電路延遲減少30%(工作頻率提高約40%)，電壓降低30%(功率降低約50%)。因此，由于晶體管密度加倍，功率減半，單位面積能耗基本保持不變。

但是，由圖4可知，雖然2007年之前的單位面積能耗確實(shí)基本不變，但之后就在快速增長(zhǎng)，并且2012年之后曲線不斷變陡。可見(jiàn)，2007年后，芯片工藝尺寸縮減不再使能耗降低，反而顯著增加能耗。

圖4 芯片工藝特征尺寸與單位面積能耗[2]

正是受制于能耗，2002年之后的近20年，CPU時(shí)鐘頻率一直處于2～4 GHz范圍，幾乎沒(méi)有提升。硅互補(bǔ)金屬氧化物(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)能耗與時(shí)鐘頻率的3次方有正比關(guān)系[2]。2002年之前，CPU時(shí)鐘頻率一直在增加，因?yàn)榫w管密度越大，時(shí)鐘頻率可以越高。1981年，CPU時(shí)鐘頻率約4.77 MHz；1995年，CPU的時(shí)鐘頻率約100 MHz；2002年, CPU時(shí)鐘頻率突破3 GHz。但到了這個(gè)階段后，CPU能耗與時(shí)鐘頻率的3次方正比關(guān)系上升為主要矛盾，導(dǎo)致再大幅提高時(shí)鐘頻率的話，CPU很容易因過(guò)熱而被燒毀。

時(shí)至今日，高集成度芯片的發(fā)熱功率密度已與宇宙飛船再入大氣層摩擦產(chǎn)生的功率密度相當(dāng)[26]。5G基站的耗電是4G的數(shù)倍，電費(fèi)在運(yùn)營(yíng)成本中的比重顯著上升；大容量路由器、傳輸設(shè)備的能耗不斷增大，使運(yùn)營(yíng)商不得不一再為機(jī)房供電進(jìn)行擴(kuò)容。深度學(xué)習(xí)推動(dòng)了最近十年人工智能(Artificial Intelligence，AI)的大發(fā)展，形成了對(duì)基于電子技術(shù)的CPU、圖形處理器(Graphics Processing Unit，GPU)等所提供算力的巨大需求。據(jù)介紹，2016年戰(zhàn)勝李世石的AlphaGo，有1 202個(gè)CPU和176個(gè)GPU，一盤(pán)5小時(shí)的圍棋賽耗電約840度，而成年人每天消耗能量約2 500千卡，僅是AlphaGo一盤(pán)棋的1/300。有研究發(fā)現(xiàn)，在常見(jiàn)的幾種大型 AI 模型的訓(xùn)練過(guò)程中，可造成超過(guò) 626 000 磅的二氧化碳排放，5倍于普通汽車(chē)壽命周期的排放量[27]。超高的集成度，以及大量的微處理器堆疊，使計(jì)算系統(tǒng)功耗急劇上升，不僅影響穩(wěn)定性，而且導(dǎo)致投入產(chǎn)出比嚴(yán)重下降。

可見(jiàn)，基于電子的信息技術(shù)遇到諸多難以逾越的瓶頸，電子在信息連接、交換、處理和存儲(chǔ)等各環(huán)節(jié)愈來(lái)愈捉襟見(jiàn)肘、左支右絀。

(1) 連接/傳輸

在連接/傳輸方面，電子適合低速、短距離，如圖5所示，光子適合高速、長(zhǎng)距離。得益于光纖的低損耗、大帶寬等優(yōu)點(diǎn)，如圖6所示，到目前為止，全球網(wǎng)絡(luò)95%的連接/傳輸已由光通信提供，電子連接主要限于設(shè)備和器件內(nèi)部(如背板、印制電路板(Printed Circuit Board，PCB)等)。

圖5 “銅/電”互聯(lián)距離與速率的關(guān)系

圖6 光纖的低損耗波長(zhǎng)范圍[28]

信息速率的持續(xù)提升、容量的持續(xù)增長(zhǎng)，使得光子技術(shù)在通信領(lǐng)域很早就得到應(yīng)用，并且范圍愈來(lái)愈廣泛和深入，如圖7所示。從30多年前開(kāi)始，光通信逐漸成為通信網(wǎng)絡(luò)中高速傳輸?shù)闹饕绞剑瑧?yīng)用于長(zhǎng)途、城域等各種距離場(chǎng)景，其速率、容量幾十年來(lái)持續(xù)增長(zhǎng)[29]，商用單波速率達(dá)到200和400 Gbit/s，商用系統(tǒng)容量向100 Tbit/s趨近。無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)(Passive Optical Networks，PON)在15年前開(kāi)始成為固定寬帶接入的最主要手段，當(dāng)前的大規(guī)模部署已從1 G速率演進(jìn)到10 G速率。25 G/50 G PON正在產(chǎn)業(yè)化過(guò)程中，如圖8所示[30]，到了6G階段，THz通信、深紫外與可見(jiàn)光通信、光波與微波交叉融合的光子定義無(wú)線電等，將使光子技術(shù)在無(wú)線接入中也成為關(guān)鍵。

圖7 光通信單波速率和系統(tǒng)容量方面的產(chǎn)品及實(shí)驗(yàn)紀(jì)錄[29]

圖8 PON技術(shù)的發(fā)展[30]

現(xiàn)在，不僅是通信，整個(gè)信息領(lǐng)域的連接已愈來(lái)愈依賴(lài)光子。隨著信號(hào)速率的提升，電子在短距連接上的損耗和串?dāng)_等挑戰(zhàn)也變得更突出，不僅成本顯著提高，而且過(guò)多電纜導(dǎo)致系統(tǒng)重量和布線復(fù)雜度難以忍受。光子連接不僅高速，而且沒(méi)有串?dāng)_、匹配和電磁兼容等困擾，尤其隨著硅光子顯著降低光互聯(lián)成本，使之極為適合機(jī)柜間、框架間和板間所需的大量高速連接(數(shù)據(jù)中心有源光纜的市場(chǎng)年增長(zhǎng)連續(xù)多年超過(guò)30%)。光背板技術(shù)成熟后，將會(huì)顯著改善核心路由器和超級(jí)計(jì)算機(jī)等的性能和成本。隨著多芯片封裝的出現(xiàn)和芯片內(nèi)部速率的提升，不斷進(jìn)步的光子集成技術(shù)將使光子連接繼續(xù)深入到片間、片內(nèi)，如圖9所示。比如，硅基光子集成在最初提出時(shí)，正是為了解決微電子芯片中處理器間的大容量連接[31-32]。

圖9 各種距離、速率的連接技術(shù)選擇 [33]

可見(jiàn)，在連接/傳輸方面，“光進(jìn)銅退”從上世紀(jì)80年代即已在長(zhǎng)距中開(kāi)始，現(xiàn)在光連接已覆蓋長(zhǎng)距、城域、接入和機(jī)架間，并正在進(jìn)一步擴(kuò)展到板間、片間甚至片內(nèi)，如圖10所示。

圖10 光進(jìn)銅退，光子連接由宏入微

(2) 路由/交換

基于電子的路由/交換靈活、顆粒小，基于光子的路由/交換時(shí)延低、顆粒大。到目前為止，作為網(wǎng)絡(luò)的核心功能，路由/交換仍主要基于電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

但是，隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、智慧城市/社會(huì)等的發(fā)展，隨著大顆粒度信息流的增多，隨著機(jī)器對(duì)機(jī)器 (Machine to Machine，M2M)通信的增多，確定性連接、苛刻時(shí)延等要求被強(qiáng)化，光子層面的路由/交換技術(shù)必須在未來(lái)某個(gè)時(shí)點(diǎn)被引入。因此，索尼、日本電報(bào)電話公司(Nippon Telegraph & Telephone，NTT)、英特爾等公司成立的創(chuàng)新光學(xué)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)全球論壇(the Innovative Optical and Wireless Network Global Forum，IOWN-GF)，明確提出全光網(wǎng)(All Photonic Network，APN)將是面向2030的最關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，如圖11所示。[34-35]

圖11 IOWN-GF提出的基于APN的2030網(wǎng)絡(luò)[34]

APN要求在靈活性上向電子技術(shù)學(xué)習(xí)，消除現(xiàn)有光通信的一些“剛性”特征，走向“軟化”：一是基于靈活可變柵格、靈活調(diào)制收發(fā)和靈活電層封裝，增加光通道接口的可編程性；二是基于方向無(wú)關(guān)(Directionless)、波長(zhǎng)無(wú)關(guān)(Colorless)、沖突無(wú)關(guān)(Contentionless)和柵格無(wú)關(guān)(Gridless/Flexible Grid)的可重構(gòu)光分插復(fù)用器(Reconfigurable Optical Add-Drop Multiplexer，ROADM)實(shí)現(xiàn)光通道的靈活調(diào)度[36]。在空分復(fù)用( Space Division Multiplexing，SDM)引入光通信網(wǎng)絡(luò)后，還需將ROADM擴(kuò)展成基于光子交叉連接(Photonic Cross-Connect，PXC)技術(shù)的波分復(fù)用 (Wavelength Division Multiplexing，WDM)×SDM空間交換節(jié)點(diǎn)，其架構(gòu)如圖12所示。

圖12 基于PXC的WDM×SDM空間交換節(jié)點(diǎn)架構(gòu) [37]

光子技術(shù)已經(jīng)在網(wǎng)絡(luò)波長(zhǎng)級(jí)帶寬資源調(diào)度中應(yīng)用。軟件定義網(wǎng)絡(luò)(Software Defined Network，SDN)技術(shù)推動(dòng)傳送網(wǎng)(L1/L0層)的數(shù)據(jù)平面和控制平面分離，推動(dòng)業(yè)務(wù)承載網(wǎng)(L3/L2層)的數(shù)據(jù)平面和控制平面分離，推動(dòng)形成跨層、跨域的集中控制，使得“網(wǎng)際互聯(lián)協(xié)議(Internet Protocal，IP)+光”跨層協(xié)同能夠?qū)崿F(xiàn)。上層的路由/交換與底層的通道資源通過(guò)聯(lián)動(dòng)以達(dá)到承載效率、帶寬資源調(diào)度和保護(hù)與恢復(fù)的高效、動(dòng)態(tài)和彈性。

隨著大顆粒業(yè)務(wù)的增多，隨著相關(guān)光子器件進(jìn)步帶來(lái)的光通信“軟化”，隨著相關(guān)技術(shù)(如光標(biāo)簽交換、光突發(fā)交換、光分組交換等)的實(shí)用化突破，長(zhǎng)期作為傳送網(wǎng)的光通信網(wǎng)將向業(yè)務(wù)承載網(wǎng)演進(jìn)，基于光子的路由/交換將在網(wǎng)絡(luò)中不可或缺，并承擔(dān)愈來(lái)愈吃重的角色。

(3) 計(jì)算/處理

基于電子的計(jì)算/處理，易實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，靈活、成熟；基于光子的計(jì)算/處理，能耗低、高速，可并行。到目前為止，計(jì)算/處理仍依賴(lài)電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

晶體管，尤其是數(shù)字集成電路，使電子技術(shù)適合進(jìn)行數(shù)字化信息處理。現(xiàn)有的各類(lèi)CPU、GPU和網(wǎng)絡(luò)處理器(Network Processing Unit，NPU)等，都是采用電子技術(shù)。以摩爾定律持續(xù)進(jìn)步的數(shù)字芯片，使算力在幾十年間保持著高速增長(zhǎng)，如圖13所示。隨著芯片制程在逼近數(shù)nm后進(jìn)步明顯放緩，業(yè)界不得不引入多核處理器來(lái)應(yīng)對(duì)大數(shù)據(jù)、AI和各種智能應(yīng)用帶來(lái)的依然處于高速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)的算力需求。但是，電子計(jì)算的性能提升已越來(lái)越難，一是架構(gòu)上的馮諾依曼瓶頸，二是摩爾定律面臨巨大挑戰(zhàn)，三是帶寬、時(shí)鐘和功耗等源自電子本性的局限。

圖13 電子計(jì)算的發(fā)展 [38-39]

后摩爾時(shí)代，或1 nm之后的計(jì)算，需要有電子數(shù)字計(jì)算之外的異構(gòu)方式來(lái)協(xié)助，光計(jì)算因其超并行、超高速、無(wú)交叉串?dāng)_、低功耗等優(yōu)勢(shì)而將發(fā)揮重要作用[40]。光計(jì)算有數(shù)字和模擬兩種方式。

數(shù)字光計(jì)算，是基于光子邏輯門(mén)得到精確解，實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜，但功能強(qiáng)大，屬于通用計(jì)算。1969年，美國(guó)麻省理工的Sawchuk A A等，基于光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)原理提出數(shù)字光學(xué)計(jì)算系統(tǒng)模型，開(kāi)啟了之后20余年的全球數(shù)字光計(jì)算機(jī)研究熱潮。不過(guò)，雖然電子技術(shù)很容易實(shí)現(xiàn)晶體管這種非線性器件(輸出與輸入不成正比)，從而塑造成邏輯門(mén)，但由于光子之間難以相互作用，通過(guò)光子控制光子很難實(shí)現(xiàn)，而采用非線性光學(xué)效應(yīng)的方法又存在著非線性系數(shù)和開(kāi)關(guān)速度的挑戰(zhàn)，導(dǎo)致一直無(wú)法實(shí)現(xiàn)滿(mǎn)足性能要求的光子邏輯門(mén)(光子多穩(wěn)態(tài)開(kāi)關(guān)器件)，從而使得數(shù)字光計(jì)算長(zhǎng)期無(wú)法取得實(shí)用化進(jìn)展。

模擬光計(jì)算，是基于光子器件特性巧妙得到非解析解(比如利用透鏡進(jìn)行傅里葉變換)，實(shí)現(xiàn)較簡(jiǎn)單，但功能偏單一，屬于專(zhuān)用計(jì)算。1978年，基于透鏡陣列，美國(guó)斯坦福大學(xué)的Goodman J W提出了光學(xué)向量—矩陣乘法器的理論模型。基于衍射過(guò)程中的波動(dòng)特性，離散傅里葉變換(Discrete Fourier Transform，DFT)/ 離散傅里葉反變換(Inverse Discrete Fourier Transform，IDFT)，在2011年通過(guò)多模干涉(Multimode Interference，MMI)耦合器和相移陣列實(shí)現(xiàn)[41]，可用于正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)通信中的解復(fù)用/復(fù)用處理，如圖14所示。

圖14 基于MMI和相移陣列的DFT、IDFT器件 [41-42]

模擬光計(jì)算是用物理方式實(shí)現(xiàn)某些高復(fù)雜度的計(jì)算，達(dá)到特定場(chǎng)景下的高效、快速目的。馮諾依曼架構(gòu)簡(jiǎn)潔、經(jīng)典，二進(jìn)制邏輯運(yùn)算和存儲(chǔ)單元易于擴(kuò)展，但處理某些復(fù)雜問(wèn)題(如非確定性多項(xiàng)式NP)時(shí)效率低下。AI神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的大量矩陣運(yùn)算，使用電子處理器時(shí)效率較低、延遲較大，難以滿(mǎn)足高速實(shí)時(shí)的要求。模擬光計(jì)算可以解決電子計(jì)算拙于應(yīng)對(duì)的復(fù)雜算法問(wèn)題，長(zhǎng)于進(jìn)行AI中大量使用的矩陣運(yùn)算[43]，比如通過(guò)級(jí)聯(lián)馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x(Mach-Zehnder interferometer，MZI)陣列的方式[44]。根據(jù)業(yè)界分析，電子芯片進(jìn)行矩陣運(yùn)算的能效約為10-12J/MAC量級(jí)(一次乘加(Multiply Accumulate，MAC)操作耗費(fèi)的能量)，自差相干探測(cè)的光乘加器的理論能效約為10-21J/MAC量級(jí)，級(jí)聯(lián)MZI陣列方式的算力可比微電子方式快5個(gè)數(shù)量級(jí)(達(dá)到1018MAC/s)[45-46]。模擬光計(jì)算將率先在部分場(chǎng)景得到實(shí)際應(yīng)用，如AI、壓縮感知和基因序列比對(duì)等[46]。

基于模擬光計(jì)算進(jìn)行AI加速，以滿(mǎn)足深度學(xué)習(xí)的算力需求，是近年的研究熱點(diǎn)[47]，如圖15所示。

圖15 AI及其相應(yīng)光學(xué)實(shí)現(xiàn)的里程碑事件 [47-48]

2017年，麻省理工的沈亦晨等人提出并展示了一種全光的光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Optical Neural Network，ONN)架構(gòu)，利用MZI陣列構(gòu)建轉(zhuǎn)移矩陣的乘法器系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)AI加速[49]；深度學(xué)習(xí)常用到卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Convolutional Neural Networks，CNN)，2018年，加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校基于3D打印的衍射矩陣陣列進(jìn)行CNN加速，斯坦福大學(xué)基于光干涉單元(Optical Interference Unit，OIU)的光計(jì)算芯片進(jìn)行光學(xué)CNN訓(xùn)練；2019年，麻省理工展示了基于光電乘加器的大規(guī)模光學(xué)CNN實(shí)現(xiàn)[47]。

通過(guò)芯片化提高集成度，是光計(jì)算走向應(yīng)用必須邁過(guò)的一步。采用硅基光子集成技術(shù)的光子處理器，已可集成56 個(gè)MZI的級(jí)聯(lián)陣列[49]，但光子集成仍需較大進(jìn)步。

可見(jiàn)，在計(jì)算/處理方面，光子的潛力隨著器件、技術(shù)的進(jìn)步正逐漸兌現(xiàn)，并有望在AI加速、傅里葉變換處理和伊辛問(wèn)題(Ising Problem)求解等能充分體現(xiàn)光子計(jì)算/處理優(yōu)勢(shì)的場(chǎng)景應(yīng)用。

從上述以連接/傳輸、路由/交換和計(jì)算/處理3方面為例的分析可以看出，面對(duì)信息化在速率、容量、帶寬、時(shí)延、速度和能耗等維度不斷攀升的要求，單靠電子技術(shù)自身的進(jìn)步已很難翻越橫亙?cè)谇暗谋姸嗉夹g(shù)墻[50]。如何使計(jì)算、連接繼續(xù)維持?jǐn)?shù)十年的指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)勢(shì)頭？由于光子的優(yōu)勢(shì)正在于速率、帶寬和能耗等維度，信息技術(shù)的繼續(xù)前進(jìn)必須更多地依賴(lài)光子，光電融合在信息領(lǐng)域是必然[51]。

6 光電信息時(shí)代

當(dāng)今世界，信息化浪潮正在席卷社會(huì)的每個(gè)角落、經(jīng)濟(jì)的每個(gè)環(huán)節(jié)。信息化如催化劑一般加速著世界科技和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)信息世界與自然世界和人類(lèi)社會(huì)深度融合[52]。信息化對(duì)社會(huì)運(yùn)行和人類(lèi)生活的作用，在這次全球新冠疫情期間得到展示。

在云計(jì)算/邊緣計(jì)算、4G/5G通信、AI等的推動(dòng)下，信息化正進(jìn)入新的發(fā)展時(shí)期。隨著愈來(lái)愈多的智能機(jī)器(終端、設(shè)備等)聯(lián)入網(wǎng)絡(luò)，信息技術(shù)的性能標(biāo)準(zhǔn)(如帶寬、時(shí)延、速率、圖像壓縮比和編碼位數(shù)等)將從根據(jù)人的要求轉(zhuǎn)變?yōu)楦鶕?jù)機(jī)器的要求來(lái)確定[34]。機(jī)器的超強(qiáng)感知能力意味著需要更高量級(jí)的速率、帶寬，機(jī)器的超高反應(yīng)速度意味著需要更苛刻的時(shí)延，這些意味著信息技術(shù)必須在現(xiàn)有基礎(chǔ)上大幅提升，以實(shí)現(xiàn)所需的數(shù)字化能力、網(wǎng)絡(luò)化能力和智能化能力[53]。

可見(jiàn)，雖然電子信息技術(shù)面臨挑戰(zhàn)，摩爾定律或?qū)⒔K結(jié)，但人類(lèi)信息需求依然在增長(zhǎng)。那么，“20世紀(jì)是電子的世紀(jì)，21世紀(jì)是光子的世紀(jì)”，是否意味著人類(lèi)將由電子信息時(shí)代進(jìn)入光子信息時(shí)代？

根據(jù)前面所分析的電子和光子的物理特性差異，兩者在信息領(lǐng)域各有所長(zhǎng)、各有所短，光子不可能完全代替電子，電子也離不開(kāi)光子的協(xié)同。

(1) 光子和電子有特性差異，各有長(zhǎng)短，相互融合、相互依賴(lài)、缺一不可。

光子和電子技術(shù)的各自實(shí)現(xiàn)，本身就需要相互依賴(lài)，缺一不可。電子從高能級(jí)回落到低能級(jí)，釋放能量，放出光子。光子的調(diào)制、探測(cè)等離不開(kāi)電子技術(shù)的協(xié)助。沒(méi)有光刻技術(shù)，便制造不出高集成度的電子芯片。

光子和電子在應(yīng)用中需要相互配合，相互融合，缺一不可。

(a) 連接/傳輸方面。光子技術(shù)雖然是一定距離或高速率場(chǎng)景的必然選擇，但電子技術(shù)在短距、微距或低速場(chǎng)景有低成本、簡(jiǎn)便和靈活等優(yōu)勢(shì)，光子不是所有場(chǎng)景的最佳選擇。而且，正是在電子技術(shù)的支持下，相干光通信才能在近10年走向商用，使單波道速率達(dá)到100 Gbit/s，并向1 Tbit/s繼續(xù)演進(jìn)。

(b) 路由/交換方面。電子技術(shù)成熟、靈活，但如果沒(méi)有光層的協(xié)同，電層單獨(dú)在資源調(diào)度、時(shí)延和承載效率上不可能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)。光子技術(shù)在時(shí)延、大顆粒上有優(yōu)勢(shì)，有些場(chǎng)景電子力不從心。

(c) 計(jì)算/處理方面。光子技術(shù)在AI等場(chǎng)景已展現(xiàn)優(yōu)勢(shì)，但如果沒(méi)有電子技術(shù)進(jìn)行高精度的數(shù)/模、模/數(shù)轉(zhuǎn)換，模擬光計(jì)算的結(jié)果無(wú)法達(dá)到必要的精度要求[42]。電子技術(shù)在數(shù)字化能力和成本上優(yōu)勢(shì)明顯，光計(jì)算則難以數(shù)字化，難以成為通用型計(jì)算。

因此，光子雖然有高速、帶寬和能耗等長(zhǎng)項(xiàng)，但欠靈活、數(shù)字邏輯實(shí)現(xiàn)難、集成度低；電子雖然技術(shù)成熟度高、靈活和集成度高，長(zhǎng)于數(shù)字邏輯，但能效和帶寬難有突破。兩者都有適合發(fā)揮各自?xún)?yōu)勢(shì)的場(chǎng)景、范圍，也都存在著各自力有不逮的環(huán)節(jié)、場(chǎng)景，兩者需要合理分工、相互融合而非有你無(wú)我的替代。

(2) 電子技術(shù)仍在繼續(xù)進(jìn)步。

僅從“單位面積芯片上的晶體管密度”來(lái)看待摩爾定律，其確實(shí)已放緩并難免在某一時(shí)刻終結(jié)。由于摩爾定律在電子信息技術(shù)發(fā)展的重要意義，有觀點(diǎn)由此會(huì)得出電子信息技術(shù)再難有顯著進(jìn)步的結(jié)論。但是，我們認(rèn)為，如果將摩爾定律的重點(diǎn)落腳到“性能提升和成本下降”，將視角從晶體管密度擴(kuò)展到更廣泛的其他方面，則摩爾定律仍有意義，電子信息技術(shù)仍將向前發(fā)展。

一是電子集成技術(shù)仍會(huì)繼續(xù)進(jìn)步。“小”，畢竟只是芯片進(jìn)步的一個(gè)維度而已，芯片通過(guò)其他維度上的進(jìn)步仍會(huì)推動(dòng)電子信息技術(shù)繼續(xù)發(fā)展。以CPU為例，雖然2002 年之后, CPU時(shí)鐘頻率在2～4 GHz難有大增長(zhǎng)，但通過(guò)緩存的大量增加提高內(nèi)存讀取速度，通過(guò)多核增加計(jì)算并行度，20年間CPU和計(jì)算機(jī)的性能其實(shí)仍在顯著提升。2005年，ITRS提出超越摩爾(More than Moore，MtM)，比如將非數(shù)字化功能(如無(wú)線通訊、功率管理和傳感等)集成到片上形成片上系統(tǒng)(System-on-Chip，SoC)，或形成系統(tǒng)級(jí)封裝(System-in-Package，SiP)；2015年，ITRS進(jìn)一步提出異質(zhì)集成(Heterogeneous integration)。近兩年，chiplet已成為發(fā)展熱點(diǎn)，2.5D、3D封裝技術(shù)也在進(jìn)步。因此，從整體看，或擴(kuò)展到更多維度上看，電子集成技術(shù)將繼續(xù)前進(jìn)，如圖16所示，電子信息技術(shù)的性能將繼續(xù)提升。

圖16 集成電路的繼續(xù)發(fā)展[54]

二是新材料、新工藝和新的器件結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)仍會(huì)推動(dòng)電子信息技術(shù)進(jìn)步。摩爾定律的挑戰(zhàn)，嚴(yán)格來(lái)說(shuō)只是針對(duì)傳統(tǒng)硅材料和傳統(tǒng)場(chǎng)效應(yīng)管，業(yè)界正在其他途徑上尋找出路。比如非硅材料，比如碳納米管、石墨烯及其他特殊微納結(jié)構(gòu)的超材料，比如工作頻率可達(dá)百GHz的基于量子隧穿效應(yīng)的隧道二極管等。另外，為了化解芯片功耗和性能之間的矛盾，新型器件設(shè)計(jì)與研發(fā)已經(jīng)成為國(guó)際半導(dǎo)體界研究的熱門(mén)課題，比如基于電子的自旋屬性而非電荷屬性來(lái)承載信息，不僅可制成自旋場(chǎng)效應(yīng)晶體管，而且可用于信息的感知、存儲(chǔ)等，在器件功耗方面極具優(yōu)勢(shì)。

所以，我們認(rèn)為，人類(lèi)正在由電子信息時(shí)代進(jìn)入光電信息時(shí)代，圖17所示為當(dāng)下我們對(duì)信息技術(shù)發(fā)展的認(rèn)識(shí)。從所基于的技術(shù)特征來(lái)講，電子信息時(shí)代主要依賴(lài)電子技術(shù)，光子處于輔助地位；光電信息時(shí)代則是電子、光子技術(shù)并重，光電融合。(無(wú)獨(dú)有偶，量子信息技術(shù)和經(jīng)典信息技術(shù)也非相互替代的關(guān)系。)[55-56]

圖17 信息技術(shù)時(shí)代

但是，光電融合的全面實(shí)現(xiàn)存在著諸多挑戰(zhàn)。網(wǎng)絡(luò)帶寬、速率的下一次大幅提升，必須有新型復(fù)用、新型光纖和新型光放大的創(chuàng)新；電子技術(shù)的繼續(xù)進(jìn)步，必須有新材料、新工藝和新的器件結(jié)構(gòu)創(chuàng)新；基于光子的路由、交換技術(shù)需要實(shí)質(zhì)性進(jìn)步，APN方有可能；THz等6G新頻段的開(kāi)拓，必須突破光子無(wú)線電技術(shù)；計(jì)算的功耗緩解，亟需光子計(jì)算技術(shù)實(shí)用以支持光、電計(jì)算協(xié)同；光子集成需要克服無(wú)源器件、有源器件的集成難題，異質(zhì)集成需要克服材料、工藝難題，方有望通過(guò)芯片層面的光、電融合延續(xù)信息技術(shù)成本下降、性能提升的趨勢(shì)。

7 信息光子技術(shù)發(fā)展展望

我們對(duì)光和光子的認(rèn)識(shí)和利用每前進(jìn)一步，對(duì)物質(zhì)世界和宇宙的認(rèn)識(shí)就更進(jìn)一步，人類(lèi)社會(huì)就前進(jìn)一大步[10]。現(xiàn)階段電子發(fā)揮著更大的作用，我們期待人類(lèi)對(duì)光子的操控水平隨著技術(shù)進(jìn)步而不斷改善，期待光子在信息領(lǐng)域能夠發(fā)揮與電子同等重要的作用，光電融合，光子和電子共同構(gòu)成光電信息技術(shù)的兩個(gè)基石。

信息光子的學(xué)術(shù)和產(chǎn)業(yè)研究非常活躍。在文獻(xiàn)[51]中，我們以近幾年的《Nature》、《Science》和《Nature photonics》等為線索，介紹了拓?fù)涔庾印⒈砻娴入x激元和超表面等相關(guān)前沿研究的情況，此處不再贅述。毋庸諱言，信息光子技術(shù)還需取得更大突破，方能與電子并駕齊驅(qū)。對(duì)于信息光子未來(lái)十年的研究，我們有以下建議：

(1) 將集成作為信息光子技術(shù)發(fā)展的最重要著力點(diǎn)。

向微米、納米等微小世界進(jìn)軍，是信息領(lǐng)域硬件技術(shù)長(zhǎng)期以來(lái)的發(fā)展特征。費(fèi)曼關(guān)于“底層有足夠空間”的揭示，使電子元器件從分立走向集成，人類(lèi)微納制造工藝已來(lái)到7、5和3 nm這樣的特征尺寸(頭發(fā)絲直徑約0.1 mm，1 nm是頭發(fā)絲的10萬(wàn)分之一)。集成帶來(lái)的成本、可靠性、體積和性能等方面的巨大好處，是電子信息技術(shù)得以達(dá)到今日之廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵。

光子技術(shù)的廣泛應(yīng)用，集成亦是關(guān)鍵。相對(duì)而言，光子集成進(jìn)步慢、水平低。業(yè)界有觀點(diǎn)認(rèn)為，光子集成的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)落后于電子集成約30～40年[1，57]，如圖18所示。

圖18 光子集成和電子集成水平的對(duì)比[57]

光電單片集成，將是進(jìn)入光電信息時(shí)代的標(biāo)志。芯片層面的光電融合，是光電信息技術(shù)的關(guān)鍵。近幾年，硅光子集成已顯示出令業(yè)界樂(lè)觀的發(fā)展勢(shì)頭和前景[58]，光子集成、光電集成需要成為當(dāng)前和較長(zhǎng)一段時(shí)期內(nèi)學(xué)術(shù)、產(chǎn)業(yè)界的投入和發(fā)力焦點(diǎn)。

(2) 跳出電子研究的慣性，以創(chuàng)新思路發(fā)揮光子固有優(yōu)勢(shì)。

光子和電子的特性不一樣、功能不一樣。電子不是信息技術(shù)的全部，光子也不是，二者是協(xié)同的關(guān)系，不是相互代替的關(guān)系。要認(rèn)識(shí)到人類(lèi)對(duì)光子的理解和操控還有極大未知空間[9-10]，不要企圖用光子完全替代電子，這有利于在信息光子研究中開(kāi)拓思路，避免好高騖遠(yuǎn)。

光子和電子存在較大的物理特性差異，電子發(fā)展的歷程不可能照搬到光子。兩者可以類(lèi)比，但一定要尊重其差異，需要注意不因與電子的類(lèi)比而引入在電子技術(shù)研究中形成的思維慣性。比如，器件的微型化、集成化，光子可以借鑒電子，但兩者的工藝、材料等是有差異的。比如，電子很容易實(shí)現(xiàn)數(shù)字化計(jì)算，但光子難以數(shù)字化，這種物理特性造成的區(qū)別是不以人的主觀意志為轉(zhuǎn)移的，不能刻舟求劍或人為強(qiáng)求。

(3) 中國(guó)提升對(duì)光子技術(shù)研究的重視，避免重演電子技術(shù)上的被動(dòng)跟隨局面。

21世紀(jì)是光子的世紀(jì)。美國(guó)國(guó)家科學(xué)委員會(huì)在白皮書(shū)《Optics and Photonics：Essential Technologies for Our Nation》中指出，“光子學(xué)是重拾美國(guó)競(jìng)爭(zhēng)力和維護(hù)國(guó)家安全的關(guān)鍵”。美國(guó)于2014年成立“國(guó)家光子計(jì)劃”產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，以支持光子學(xué)基礎(chǔ)研究與早期應(yīng)用研究。同年10月，美國(guó)提出光子集成技術(shù)國(guó)家戰(zhàn)略，并于2015年投入數(shù)億美元成立了可開(kāi)放使用的美國(guó)國(guó)家光子集成制造基礎(chǔ)設(shè)施平臺(tái)美國(guó)集成光子制造研究院(American Institute for Manufacturing Integrated Photonics，AIM Photonics)。歐洲21世紀(jì)光子咨詢(xún)專(zhuān)家組提交的《Towards 2020- Photonics Driving Economic Growth in Europe》報(bào)告中，將光子學(xué)視為歐洲經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的重要支撐。歐盟在FP5、FP6和FP7等一系列框架計(jì)劃中部署了光子相關(guān)研究項(xiàng)目。2013年歐盟開(kāi)展針對(duì)硅基光子集成技術(shù)的PLAT4M(Photonic Libraries And Technology for Manufacturing)項(xiàng)目，以打造硅基光子集成的完整產(chǎn)業(yè)鏈。比利時(shí)政府成立的校際微電子研究中心 (Inter-university MicroElectronics Centre, IMEC)、荷蘭的NanolabNL等，在全球光子集成研究中有重要影響。

當(dāng)前，光子集成還處于發(fā)展早期，中國(guó)是有可能掌握一定主導(dǎo)權(quán)的。電子信息技術(shù)上，中國(guó)基本是在別人的地基上蓋樓，長(zhǎng)期無(wú)法擺脫跟隨、被動(dòng)局面，難免陷入被“卡脖子”、被脫鉤的困境。根據(jù)2018年4月19日《科技日?qǐng)?bào)》所報(bào)道的35項(xiàng)中國(guó)科技領(lǐng)域被“卡脖子”清單，其中約1/5與光子技術(shù)直接相關(guān)。中國(guó)當(dāng)前正在電子集成電路、軟件等方面著力破除“卡脖子”的被動(dòng)，需同時(shí)將光子技術(shù)提高到同等的重視和支持程度，盡早掌握信息光子技術(shù)的主動(dòng)權(quán)，避免重蹈電子信息技術(shù)上的覆轍。

(4) 布局一批信息光子關(guān)鍵技術(shù)，謀求價(jià)值鏈高端突破。

從當(dāng)前的需求角度，迫切要求以信息光子技術(shù)為突破手段，一是解決數(shù)據(jù)快速增長(zhǎng)引起的帶寬瓶頸問(wèn)題，二是解決電子計(jì)算和傳統(tǒng)存儲(chǔ)的能力提升和能效比瓶頸問(wèn)題，三是解決各種智能化應(yīng)用中輕量化、高分辨與沉浸式的顯示和交互問(wèn)題。

從當(dāng)前的產(chǎn)業(yè)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力角度，中國(guó)主要集中在技術(shù)含量較低的產(chǎn)業(yè)鏈下游、價(jià)值鏈低端，需要布局產(chǎn)業(yè)升級(jí)所需的高端、核心技術(shù)，如基于新機(jī)理與新結(jié)構(gòu)的光子調(diào)控、面向6G的光子連接與光計(jì)算、光電融合集成、異質(zhì)異構(gòu)光子集成、晶圓級(jí)硅光互連片上計(jì)算系統(tǒng)、光子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)AI加速計(jì)算芯片、伊辛機(jī)光電混合計(jì)算系統(tǒng)、多維光存儲(chǔ)、全息光存儲(chǔ)、高清裸眼真三維顯示、高通量三維光場(chǎng)實(shí)時(shí)顯示和時(shí)空沉浸式虛實(shí)融合交互等[59]。

唯有掌握核心技術(shù)，方能破解跟蹤式被動(dòng)發(fā)展困局；唯有彌補(bǔ)集成技術(shù)短板，塑造長(zhǎng)板技術(shù)優(yōu)勢(shì)，強(qiáng)化產(chǎn)業(yè)技術(shù)迭代，方能構(gòu)建起自控制造體系，破解“卡脖子”之患。

8 結(jié)束語(yǔ)

激光器的出現(xiàn)，標(biāo)志著光學(xué)進(jìn)入現(xiàn)代光學(xué)和光子學(xué)的發(fā)展階段。人類(lèi)對(duì)光子的操控和利用水平目前遜于電子，但信息光子的重要性已有較充分的展示。隨著摩爾定律舉步維艱，隨著電子信息技術(shù)在帶寬、能耗上捉襟見(jiàn)肘，通過(guò)光電融合的方式才能推動(dòng)信息技術(shù)繼續(xù)向前進(jìn)步。我們?cè)谖闹休^詳細(xì)描述了電子信息技術(shù)面臨的帶寬、能耗挑戰(zhàn)，基于光子特性分析了信息光子技術(shù)在連接/傳輸、路由/交換和計(jì)算/處理等方面的不可或缺作用，并提出了信息光子技術(shù)發(fā)展的4點(diǎn)建議，期待中國(guó)著力突破光子集成、光電集成技術(shù)，避免在信息光子領(lǐng)域重蹈被“卡脖子”的覆轍。