光子芯片的技術原理以及應用前景

在當下，主流的芯片制造材料依然是以硅為主，當芯片工藝發(fā)展到5nm以下的制程后，這種材料無法滿足工藝要求時，就會被淘汰，便會尋找其它材料來取代。

因此，隨著集成光子技術的日益成熟，在芯片表面構(gòu)建更大、更復雜的光子電路的可能性越來越大。光子芯片與電子芯片相似之處在于，都是在芯片表面實現(xiàn)的。

但兩者的不同之處在于，光子芯片主要通過使用芯片上的光波導、光束耦合器、電光調(diào)制器、光電探測器和激光器等儀器來操作光信號，而不是電信號。電子芯片擅長數(shù)字計算，而光子芯片則擅長傳輸和處理模擬信息。因此，目前光子芯片主要用于光纖通信、化學，生物或光譜傳感器、計量、經(jīng)典和量子信息處理等特定應用，能夠適用于各種各樣應用場景的可編程光子芯片（Programmable PIC），仍然發(fā)展緩慢。

光子芯片的技術原理

光子芯片利用半導體發(fā)光，結(jié)合光的速度和帶寬，具備了抗干擾性和快速傳播的特性。光子技術在多個應用上的低功耗、低成本是最大的優(yōu)勢。在運行平臺上，某一個區(qū)域可以同時完成很多的維納量級，以光子為載體的信息功能分支機構(gòu)，形成一個整體，具備大型綜合運算能力的光子芯片。由于信息時代人工智能大數(shù)據(jù)的發(fā)展，光子載體的各個分支數(shù)據(jù)流量已達到滿載，就要用集成技術將微納級的光子導入到芯片內(nèi)部，成為納米級的光子芯片。

光子芯片的應用前景

從國家戰(zhàn)略安全和戰(zhàn)略需求的角度，光子芯片可以解決很多在數(shù)據(jù)處理時間長、無法實時處理、功耗高等應用領域的關鍵問題。例如，在遠距離、高速運動目標的測距、測速和高分辨成像激光雷達中，在生物醫(yī)藥、納米器件等的內(nèi)部結(jié)構(gòu)實現(xiàn)高分辨無損檢測的新型計算顯微關聯(lián)成像裝備中，光子芯片均可以發(fā)揮其高速并行、低功耗、微型化的優(yōu)勢。

空間激光通信是解決目前空間傳輸速率瓶頸的主要技術手段，是構(gòu)建天地一體化信息網(wǎng)絡的重要手段；水下激光通信是解決目前水下信號傳輸受環(huán)境影響的主要技術手段，是構(gòu)建水下通信一體化的重要手段。另外還有星間互聯(lián)網(wǎng)、6G通信、智能遙感測繪等國家戰(zhàn)略安全和戰(zhàn)略需求領域，而這些都是需要對大數(shù)據(jù)進行高速、低功耗、實時處理的。光子芯片在這些國家戰(zhàn)略領域?qū)⑵鸬椒浅Ｖ匾闹巫饔谩?/p>

此外，AI光子芯片是一種光計算架構(gòu)與人工智能算法高度匹配的芯片設計，有潛力廣泛應用于自動駕駛、安防監(jiān)控、語音識別、圖像識別、醫(yī)療診斷、游戲、虛擬現(xiàn)實、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、企業(yè)級服務器和數(shù)據(jù)中心等關鍵人工智能領域。

類腦光子芯片可以模擬人腦的計算，通過光子攜帶信息在模擬大腦的神經(jīng)網(wǎng)絡構(gòu)架下處理數(shù)據(jù)，使芯片達到像人腦一樣高速并行且低功耗的計算。以微納光子集成為基礎的光子芯片結(jié)合基于光學計算的神經(jīng)網(wǎng)絡數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)是應對未來低功耗、高速度、寬帶寬、大數(shù)據(jù)量信息處理能力的關鍵。

大數(shù)據(jù)時代，人們對電子計算機處理系統(tǒng)的算力和速度等要求越來越高，摩爾定律的失效使電子芯片在計算速度和功耗方面遇到了極大的挑戰(zhàn)，光子計算芯片以光子為信息的載體具有高速并行、低功耗的優(yōu)勢，因此被認為是未來高速、大數(shù)據(jù)量、人工智能計算處理的最具有前景的方案。

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