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自動駕駛汽車和機器人技術的發展需要能夠在復雜條件下高精度同時測定距離和速度的感知系統。基于硅基光電子技術的調頻連續波激光雷達通過完全固態架構滿足這些要求，消除了傳統激光雷達系統中的機械掃描部件。通過在1.55微米波長工作，這些系統受益于人眼安全考慮，可以使用更高的平均光功率，利用時間帶寬積來改善信號處理性能。

圖1：硅基光電子技術帶來的尺寸縮減效果，對比了帶有旋轉部件的傳統機械激光雷達傳感器（A部分）和緊湊的硅基光電子固態激光雷達芯片（B部分）。

硅基光電子激光雷達系統的核心是集成光學相控陣，將單個光輸入相干地分配到片上天線陣列。這些陣列通過集成調制器單獨控制每個發射器的幅度和相位，實現無機械部件的波束成形和電子轉向。已經出現了幾種架構方法，包括將波長調諧與基于相位的轉向相結合的準一維設計，以及完全通過電光相位控制實現雙向波束轉向的真正2D陣列。視場角、光束發散度和功耗特性在很大程度上取決于所選架構、天線間距和陣列尺寸。

圖2：典型硅基光電子光學相控陣調頻連續波激光雷達系統，顯示了發射和接收光學相控陣、調頻連續波激光源以及能夠實現距離和速度同步測量的相干檢測線路。

調頻連續波激光雷達的外差檢測原理需要精確的線性頻率掃描，通過啁啾斜率將往返延遲映射為穩定的拍頻。驅動激光器的光譜純度和啁啾線性度從根本上限制了距離分辨率和最大探測距離。傳統硅光子平臺依靠熱光效應和載流子注入效應進行調制，需要額外的線性化反饋回路和數字信號處理。鈮酸鋰、鉭酸鋰或鈦酸鋇等Pockels材料的異質集成為實現超快和線性相位控制提供了令人期待的途徑。鈦酸鋇對于大規模緊湊型光學相控陣特別有利，因為其出色的電光系數可以實現較低的工作電壓和較小的器件尺寸，直接降低了與電容和電壓平方成正比的能量消耗。

除了光子組件本身，可行的硅基光電子調頻連續波激光雷達系統還需要大量電子基礎設施來實現波束轉向控制、啁啾生成、相干檢測、低噪聲激光電流注入和頻率穩定。最近的演示展示了幾種集成方法，包括用于波束轉向的倒裝芯片集成專用集成線路、單片集成CMOS電子器件，以及堆疊電子和光子層的3D集成架構。這些概念驗證系統為完全集成的硅基光電子調頻連續波激光雷達模塊建立了多條可行路徑。

在考慮人類鄰近環境中自主物理代理的部署場景時，硅基光電子調頻連續波激光雷達的技術優勢變得特別明顯。相干多普勒檢測可在毫米到厘米分辨率尺度上同時單次測量位置和速度點云。相干檢測原理提供了對環境光干擾的固有抵抗力，在具有挑戰性的照明條件下可靠運行。與毫米波雷達系統相比，較短的工作波長在可比孔徑尺寸內能夠實現顯著更高的距離和速度分辨率。對于多個系統必須共存而不相互干擾的可擴展自主部署，實施包含參數多樣性和波長信道化的波形配置策略可以為每個代理提供獨特的感知特征，降低系統間串擾概率。

量子計算有望解決經典系統無法處理的計算問題，應用范圍從量子化學模擬到在常規架構上呈指數級擴展的優化挑戰。硅基光電子技術為量子計算帶來三個關鍵優勢：利用成熟CMOS工藝的晶圓級制造能力、通過波分復用技術實現頻域并行化，以及通過光纖互連實現高保真度芯片間連接。這些能力共同提升了構建可擴展到百萬量子比特系統的模塊化光纖鏈接架構的前景。

當前的硅基光電子量子計算方法主要分為全光子測量基礎架構和將靜態物質量子比特與光子互連集成的混合自旋-光子系統。最近的突破性演示展示了鈦酸鋇在氮化硅上的超低損耗異質平臺，實現了顯著的保真度：狀態準備和測量超過99.98%，Hong-Ou-Mandel可見度達到99.50%，芯片間互連保真度為99.72%。這些結果代表了在實用規模運行的容錯量子處理器方向上取得的實質性進展。鈦酸鋇的電光效應在低溫下保持不變，使相移器能夠與超導納米線單光子探測器在同一芯片上運行，顯著減少了整體系統占用空間。

圖3：工程化半導體光學（包括硅基光電子和超透鏡）如何在量子信息處理的多個方面發揮越來越重要的作用，包括量子比特控制、互連和計算。底部比較了不同的量子計算平臺：基于原子的、基于離子的、超導的和基于光子的方法。

硅基光電子技術中的其他量子計算范式包括確定性發射器方法以減少復用開銷、連續變量編碼，以及可以降低硬件要求的Gottesman-Kitaev-Preskill態制備。T中心光量子計算方法利用自旋-光子相互作用，利用硅中較長的電子和核自旋壽命來實現富含存儲器的模塊化處理器，其中自旋提供本地存儲，光子在量子存儲節點之間創建互連。然而，這種方法在確定性缺陷放置、大型陣列的光譜均勻性以及腔增強自旋-光子耦合強度方面面臨挑戰。

最近的使能技術進展解決了硅基光電子量子計算中的關鍵挑戰。受經典波分復用啟發的多頻量子計算已成為特別有前景的方向，已演示使用硅微諧振器在跨越21吉赫茲的34個不同頻率倉上實現單量子比特門。相變材料，特別是硒化銻，可實現超低損耗可重構量子線路，適用于靜態可重構性優于動態開關速度的大型干涉網格和頻率倉線路。理論研究表明，以前認為需要過高品質因數的量子非線性機制可以通過非經典驅動協議獲得，這可能實現確定性糾纏門、無條件少光子態制備和量子非破壞性測量。

從更廣泛的角度比較量子計算平臺，超導線路似乎準備在近期展示實用規模處理器，最近在生產級硬件上實現了低于閾值的表面碼存儲器，具有亞微秒級碼周期和實時解碼。這些系統受益于納秒級門操作和毫秒級相干時間。然而，低溫誘導的相關錯誤和有限的連接性帶來了擴展挑戰。硅基光電子技術可以通過量子互連解決這些限制，新興的超透鏡提供了額外的互連模式。制造可擴展性和高保真網絡方面的固有優勢使硅基光電子技術成為大規模量子處理器的最終平臺，盡管在端到端損耗預算、片上Gottesman-Kitaev-Preskill態實現、融合資源生成、超導探測器集成和光子互連技術方面仍需進一步發展。

計算需求的爆炸性增長暴露了經典馮·諾依曼架構的基本局限性，其中存儲器和計算在物理上保持分離，造成帶寬瓶頸和能源效率低下。硅基光電子神經形態計算通過波長并行和內存處理范式解決這些挑戰，實現構成神經網絡計算基礎的全光矩陣-向量乘法。光子神經形態處理器不是完全替代電子加速器，而是通過緩解與模擬線性代數運算相關的存儲器移動瓶頸來補充它們。

圖4：Taichi光子chiplet示意圖，演示了通過分布式計算支持數百萬神經元同時保持相干光處理的衍射-干涉混合架構，實現了每瓦160萬億次運算的能效。

Taichi chiplet通過衍射-干涉混合設計體現了這種方法，實現了超過每瓦160萬億次運算的能效，與傳統電子處理器相比提高了一個數量級。該架構通過電子控制實現光子可重構性，在多個干涉路徑上分配線性計算。該演示突出了硅基光電子技術在特定計算工作負載的帶寬和延遲性能方面的特殊優勢。

圖5：光子神經形態處理器與電子對應物的性能比較，顯示通過光學處理方法實現的卓越能效和計算密度。

硅基光電子神經形態計算的架構多樣性反映了提高集成密度、操作靈活性和能效的持續努力。馬赫-曾德爾干涉儀網格通過奇異值分解實現幺正變換，以較大的物理占用空間為代價提供精度。相反，緊湊的微環陣列利用波分復用并行性來提高集成密度，一些系統展示的計算密度超過每平方毫米34萬億次運算。相變材料通常用于消除靜態功耗，同時為突觸權重提供多級可編程性?；阝佀徜^的非易失性鐵電存儲器提供了一種有吸引力的替代方案，通過改變折射率而不引起光吸收的鐵電疇操作實現純相位存儲。

圖6：基于相變材料交叉陣列的集成光子張量核，通過基于微環的向量生成、片上矩陣-向量乘法以及隨后的解復用和數字信號處理來實現并行卷積處理。

波長衍射約束導致權重密度顯著低于CMOS電子存儲器，導致當前方法采用時分和波分復用的組合，其中網絡參數以電子方式流式傳輸，而高帶寬乘累加運算在光子域中執行。從能效角度來看，全光神經形態線路原則上代表最優架構，混合方法已經展示了納秒級計算環路延遲。然而，完全光學實現仍取決于降低非線性功率閾值，因為開發具有足夠強和可級聯非線性響應的光子神經元仍然是核心挑戰。全光方法的能量優勢取決于實現低閾值可級聯光學非線性、損耗容忍扇出架構以及包含制造引起的相位變化和相變材料單元均勻性的嚴格變異性預算。

圖7：具有基于相變材料的突觸權重的全光脈沖神經網絡實現，用于內存計算，顯示了輸入分布、帶有相變材料元素的神經元陣列以及不同模式識別任務的分類準確率。

研究已擴展到動態時間編碼計算模型，特別是脈沖神經網絡和儲層計算范式。受生物神經元啟發的脈沖方法通過時間脈沖模式編碼信息，受益于硅基光電子技術的內在時間分辨率。將這些神經形態線路與現有光通信基礎設施集成的潛力使該技術在需要超低延遲決策、自主導航和實時信號處理的邊緣計算應用中處于獨特地位。最近在電信中演示的光子儲層計算突出了這種協同作用，直接在光域中執行非線性均衡。

最可行的前進路徑可能涉及審慎的電子-光子協同設計，而不是追求純全光系統。這種混合方法利用光子技術實現高帶寬線性運算，同時電子器件處理信號再生、存儲器存儲和復雜控制邏輯。鈦酸鋇的異質集成用于高效相位調制和存儲可以降低聚合系統損耗和能量要求。3D集成技術為硅基光電子與電子器件的單片集成提供了途徑，創建利用每個領域互補優勢的緊湊系統。

硅基光電子技術已達到一個轉折點，從特定應用解決方案向以空前規模生成、操縱和檢測光的通用平臺轉變。本文探討的三個應用（調頻連續波激光雷達、量子計算和神經形態計算）共享延伸至更廣泛生態系統的共同技術挑戰：電泵浦相干光源的可擴展集成、大規模光子線路的工藝均勻性、高密度光電集成以及異質材料集成。

異質集成被證明特別關鍵，因為所有三個應用領域的最新突破都源于整合功能超出常規硅光子能力的材料。硅中缺乏單片電泵浦激光器和本征Pockels效應，需要與磷化銦集成以實現光生成，與鈮酸鋰或鈦酸鋇集成以實現高速線性調制，與超導材料集成以實現單光子檢測。這些異質集成工藝的民主化和標準化對于硅基光電子技術作為通用平臺的演進至關重要。

最佳系統架構將不可避免地是光電一體的，利用光子技術的帶寬優勢以及電子器件在存儲和邏輯運算方面的優勢。開發先進的硅光電集成框架對于實現這一愿景變得必不可少。前進的道路需要從特定應用的開發孤島轉向組件、工藝和電子-光子集成方法的標準化。這種整合創建了一個有凝聚力的生態系統，其中基礎技術進步同時使多個應用受益，降低了可能難以為單個應用單獨證明合理的昂貴開發的風險。

突出顯示的應用之間的功能協同可能創造具有新穎能力的系統。集成在基于缺陷和基于離子的量子系統中的光學相控陣可以作為具有精確光束傳輸的自由空間量子互連。將神經形態線路嵌入激光雷達系統可為邊緣自主機器人系統提供低延遲的感知到決策處理。將神經形態線路與量子處理器集成可以提供自主、節能、超低延遲的經典控制，能夠跟上量子態演化和誤差累積動態。這些協同作用強調了硅基光電子技術的潛力，不僅僅是一組獨立技術的集合，而是一個統一的平臺，其中光子和電子協同工作以光速處理信息，為下一代技術帶來量子感知、具備感知能力和節能意識的物理系統。