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自动驾驶汽车和机器人技术的发展需要能够在复杂条件下高精度同时测定距离和速度的感知系统。基于硅基光电子技术的调频连续波激光雷达通过完全固态架构满足这些要求，消除了传统激光雷达系统中的机械扫描部件。通过在1.55微米波长工作，这些系统受益于人眼安全考虑，可以使用更高的平均光功率，利用时间带宽积来改善信号处理性能。

图1：硅基光电子技术带来的尺寸缩减效果，对比了带有旋转部件的传统机械激光雷达传感器（A部分）和紧凑的硅基光电子固态激光雷达芯片（B部分）。

硅基光电子激光雷达系统的核心是集成光学相控阵，将单个光输入相干地分配到片上天线阵列。这些阵列通过集成调制器单独控制每个发射器的幅度和相位，实现无机械部件的波束成形和电子转向。已经出现了几种架构方法，包括将波长调谐与基于相位的转向相结合的准一维设计，以及完全通过电光相位控制实现双向波束转向的真正2D阵列。视场角、光束发散度和功耗特性在很大程度上取决于所选架构、天线间距和阵列尺寸。

图2：典型硅基光电子光学相控阵调频连续波激光雷达系统，显示了发射和接收光学相控阵、调频连续波激光源以及能够实现距离和速度同步测量的相干检测线路。

调频连续波激光雷达的外差检测原理需要精确的线性频率扫描，通过啁啾斜率将往返延迟映射为稳定的拍频。驱动激光器的光谱纯度和啁啾线性度从根本上限制了距离分辨率和最大探测距离。传统硅光子平台依靠热光效应和载流子注入效应进行调制，需要额外的线性化反馈回路和数字信号处理。铌酸锂、钽酸锂或钛酸钡等Pockels材料的异质集成为实现超快和线性相位控制提供了令人期待的途径。钛酸钡对于大规模紧凑型光学相控阵特别有利，因为其出色的电光系数可以实现较低的工作电压和较小的器件尺寸，直接降低了与电容和电压平方成正比的能量消耗。

除了光子组件本身，可行的硅基光电子调频连续波激光雷达系统还需要大量电子基础设施来实现波束转向控制、啁啾生成、相干检测、低噪声激光电流注入和频率稳定。最近的演示展示了几种集成方法，包括用于波束转向的倒装芯片集成专用集成线路、单片集成CMOS电子器件，以及堆叠电子和光子层的3D集成架构。这些概念验证系统为完全集成的硅基光电子调频连续波激光雷达模块建立了多条可行路径。

在考虑人类邻近环境中自主物理代理的部署场景时，硅基光电子调频连续波激光雷达的技术优势变得特别明显。相干多普勒检测可在毫米到厘米分辨率尺度上同时单次测量位置和速度点云。相干检测原理提供了对环境光干扰的固有抵抗力，在具有挑战性的照明条件下可靠运行。与毫米波雷达系统相比，较短的工作波长在可比孔径尺寸内能够实现显著更高的距离和速度分辨率。对于多个系统必须共存而不相互干扰的可扩展自主部署，实施包含参数多样性和波长信道化的波形配置策略可以为每个代理提供独特的感知特征，降低系统间串扰概率。

量子计算有望解决经典系统无法处理的计算问题，应用范围从量子化学模拟到在常规架构上呈指数级扩展的优化挑战。硅基光电子技术为量子计算带来三个关键优势：利用成熟CMOS工艺的晶圆级制造能力、通过波分复用技术实现频域并行化，以及通过光纤互连实现高保真度芯片间连接。这些能力共同提升了构建可扩展到百万量子比特系统的模块化光纤链接架构的前景。

当前的硅基光电子量子计算方法主要分为全光子测量基础架构和将静态物质量子比特与光子互连集成的混合自旋-光子系统。最近的突破性演示展示了钛酸钡在氮化硅上的超低损耗异质平台，实现了显著的保真度：状态准备和测量超过99.98%，Hong-Ou-Mandel可见度达到99.50%，芯片间互连保真度为99.72%。这些结果代表了在实用规模运行的容错量子处理器方向上取得的实质性进展。钛酸钡的电光效应在低温下保持不变，使相移器能够与超导纳米线单光子探测器在同一芯片上运行，显著减少了整体系统占用空间。

图3：工程化半导体光学（包括硅基光电子和超透镜）如何在量子信息处理的多个方面发挥越来越重要的作用，包括量子比特控制、互连和计算。底部比较了不同的量子计算平台：基于原子的、基于离子的、超导的和基于光子的方法。

硅基光电子技术中的其他量子计算范式包括确定性发射器方法以减少复用开销、连续变量编码，以及可以降低硬件要求的Gottesman-Kitaev-Preskill态制备。T中心光量子计算方法利用自旋-光子相互作用，利用硅中较长的电子和核自旋寿命来实现富含存储器的模块化处理器，其中自旋提供本地存储，光子在量子存储节点之间创建互连。然而，这种方法在确定性缺陷放置、大型阵列的光谱均匀性以及腔增强自旋-光子耦合强度方面面临挑战。

最近的使能技术进展解决了硅基光电子量子计算中的关键挑战。受经典波分复用启发的多频量子计算已成为特别有前景的方向，已演示使用硅微谐振器在跨越21吉赫兹的34个不同频率仓上实现单量子比特门。相变材料，特别是硒化锑，可实现超低损耗可重构量子线路，适用于静态可重构性优于动态开关速度的大型干涉网格和频率仓线路。理论研究表明，以前认为需要过高品质因数的量子非线性机制可以通过非经典驱动协议获得，这可能实现确定性纠缠门、无条件少光子态制备和量子非破坏性测量。

从更广泛的角度比较量子计算平台，超导线路似乎准备在近期展示实用规模处理器，最近在生产级硬件上实现了低于阈值的表面码存储器，具有亚微秒级码周期和实时解码。这些系统受益于纳秒级门操作和毫秒级相干时间。然而，低温诱导的相关错误和有限的连接性带来了扩展挑战。硅基光电子技术可以通过量子互连解决这些限制，新兴的超透镜提供了额外的互连模式。制造可扩展性和高保真网络方面的固有优势使硅基光电子技术成为大规模量子处理器的最终平台，尽管在端到端损耗预算、片上Gottesman-Kitaev-Preskill态实现、融合资源生成、超导探测器集成和光子互连技术方面仍需进一步发展。

计算需求的爆炸性增长暴露了经典冯·诺依曼架构的基本局限性，其中存储器和计算在物理上保持分离，造成带宽瓶颈和能源效率低下。硅基光电子神经形态计算通过波长并行和内存处理范式解决这些挑战，实现构成神经网络计算基础的全光矩阵-向量乘法。光子神经形态处理器不是完全替代电子加速器，而是通过缓解与模拟线性代数运算相关的存储器移动瓶颈来补充它们。

图4：Taichi光子chiplet示意图，演示了通过分布式计算支持数百万神经元同时保持相干光处理的衍射-干涉混合架构，实现了每瓦160万亿次运算的能效。

Taichi chiplet通过衍射-干涉混合设计体现了这种方法，实现了超过每瓦160万亿次运算的能效，与传统电子处理器相比提高了一个数量级。该架构通过电子控制实现光子可重构性，在多个干涉路径上分配线性计算。该演示突出了硅基光电子技术在特定计算工作负载的带宽和延迟性能方面的特殊优势。

图5：光子神经形态处理器与电子对应物的性能比较，显示通过光学处理方法实现的卓越能效和计算密度。

硅基光电子神经形态计算的架构多样性反映了提高集成密度、操作灵活性和能效的持续努力。马赫-曾德尔干涉仪网格通过奇异值分解实现幺正变换，以较大的物理占用空间为代价提供精度。相反，紧凑的微环阵列利用波分复用并行性来提高集成密度，一些系统展示的计算密度超过每平方毫米34万亿次运算。相变材料通常用于消除静态功耗，同时为突触权重提供多级可编程性。基于钛酸钡的非易失性铁电存储器提供了一种有吸引力的替代方案，通过改变折射率而不引起光吸收的铁电畴操作实现纯相位存储。

图6：基于相变材料交叉阵列的集成光子张量核，通过基于微环的向量生成、片上矩阵-向量乘法以及随后的解复用和数字信号处理来实现并行卷积处理。

波长衍射约束导致权重密度显著低于CMOS电子存储器，导致当前方法采用时分和波分复用的组合，其中网络参数以电子方式流式传输，而高带宽乘累加运算在光子域中执行。从能效角度来看，全光神经形态线路原则上代表最优架构，混合方法已经展示了纳秒级计算环路延迟。然而，完全光学实现仍取决于降低非线性功率阈值，因为开发具有足够强和可级联非线性响应的光子神经元仍然是核心挑战。全光方法的能量优势取决于实现低阈值可级联光学非线性、损耗容忍扇出架构以及包含制造引起的相位变化和相变材料单元均匀性的严格变异性预算。

图7：具有基于相变材料的突触权重的全光脉冲神经网络实现，用于内存计算，显示了输入分布、带有相变材料元素的神经元阵列以及不同模式识别任务的分类准确率。

研究已扩展到动态时间编码计算模型，特别是脉冲神经网络和储层计算范式。受生物神经元启发的脉冲方法通过时间脉冲模式编码信息，受益于硅基光电子技术的内在时间分辨率。将这些神经形态线路与现有光通信基础设施集成的潜力使该技术在需要超低延迟决策、自主导航和实时信号处理的边缘计算应用中处于独特地位。最近在电信中演示的光子储层计算突出了这种协同作用，直接在光域中执行非线性均衡。

最可行的前进路径可能涉及审慎的电子-光子协同设计，而不是追求纯全光系统。这种混合方法利用光子技术实现高带宽线性运算，同时电子器件处理信号再生、存储器存储和复杂控制逻辑。钛酸钡的异质集成用于高效相位调制和存储可以降低聚合系统损耗和能量要求。3D集成技术为硅基光电子与电子器件的单片集成提供了途径，创建利用每个领域互补优势的紧凑系统。

硅基光电子技术已达到一个转折点，从特定应用解决方案向以空前规模生成、操纵和检测光的通用平台转变。本文探讨的三个应用（调频连续波激光雷达、量子计算和神经形态计算）共享延伸至更广泛生态系统的共同技术挑战：电泵浦相干光源的可扩展集成、大规模光子线路的工艺均匀性、高密度光电集成以及异质材料集成。

异质集成被证明特别关键，因为所有三个应用领域的最新突破都源于整合功能超出常规硅光子能力的材料。硅中缺乏单片电泵浦激光器和本征Pockels效应，需要与磷化铟集成以实现光生成，与铌酸锂或钛酸钡集成以实现高速线性调制，与超导材料集成以实现单光子检测。这些异质集成工艺的民主化和标准化对于硅基光电子技术作为通用平台的演进至关重要。

最佳系统架构将不可避免地是光电一体的，利用光子技术的带宽优势以及电子器件在存储和逻辑运算方面的优势。开发先进的硅光电集成框架对于实现这一愿景变得必不可少。前进的道路需要从特定应用的开发孤岛转向组件、工艺和电子-光子集成方法的标准化。这种整合创建了一个有凝聚力的生态系统，其中基础技术进步同时使多个应用受益，降低了可能难以为单个应用单独证明合理的昂贵开发的风险。

突出显示的应用之间的功能协同可能创造具有新颖能力的系统。集成在基于缺陷和基于离子的量子系统中的光学相控阵可以作为具有精确光束传输的自由空间量子互连。将神经形态线路嵌入激光雷达系统可为边缘自主机器人系统提供低延迟的感知到决策处理。将神经形态线路与量子处理器集成可以提供自主、节能、超低延迟的经典控制，能够跟上量子态演化和误差累积动态。这些协同作用强调了硅基光电子技术的潜力，不仅仅是一组独立技术的集合，而是一个统一的平台，其中光子和电子协同工作以光速处理信息，为下一代技术带来量子感知、具备感知能力和节能意识的物理系统。