光电融合技术具有强大的应用驱动背景，其发展经历了漫长的演进过程。本文从概念、里程碑技术、重要项目等多方面回顾美国、日本、欧洲光电融合技术的发展历史，旨在为我国光电融合技术的发展提供借鉴。

 光互连最初被用于长距离传输，然而随着数据速率的不断提升，短距离电学互连在功耗、带宽等方面的性能已经难以满足需求，光学互连逐渐取代短距离电学互连成为发展趋势，最终有望应用于片上数据传输。1984年，斯坦福大学的Goodman教授首次提出了片上光互连的概念[1]。片上光互连对集成技术提出了新的要求，需要在极小的空间内实现完备的功能，这就使得光子器件与电子的紧密配合和融合设计变得必不可少。光电融合技术是为了解决互连问题而提出的，随着技术的发展，它被拓展到计算、传感等不同应用领域。光互连方面的相关项目可以追溯到1998年SRC/DARPA联合发起的Focus Center Research Program。

 2003年以后，光电融合技术零星出现在不同期刊及会议的发表刊物中。2003年7月，亚琛大学研究人员在《IEEE Photonics Technology Letters》期刊[2]中使用了“the convergence of microelectronics and integrated optics”这一表达。2004年，Niehusmann 等[3]指出SOI是光电融合的潜力平台（A promising platform for the convergence of microelectronics and photonics）。2004年6月，MIT Kimerling教授在旧金山的光放大器及应用大会上发表了标题为“Convergence of optics and electronics”的报告[4]。据网络公开文献查找，这是目前为止最早以光电融合为标题的报告。2004年7月，MIT访问教授Kazumi Wada发表了标题为“Electronics and photonics convergence on Si CMOS platform”的报告[5]。2004年，Intel公司首次实现了突破1Gbps速率的硅基马赫增德尔调制器[6]。2005年，Michal Lipson教授研究组展示了第一个突破1Gbps的硅基微环调制器[7]。2005年，美国DARPA启动了光电全集成EPIC项目[8]。2006年，Luxtera研究人员展示了光电全集成的收发芯片[9]，实现了单通道10G速率的光电全集成芯片。2008年，美国DARPA资助了由Sun Microsystems牵头的Ultraperformance Nanophotonic Intrachip Communications (UNIC)项目，后续演化成2010年的Photonically Optimized Embedded Microprocessors (POEM)项目。2008年11月，MIT Kimerling教授在夏威夷举办的第五届硅材料高级科学与技术国际研讨会上发表了题为“Electronic-Photonic Convergence on Silicon”的文章[10]。2012年，Luxtera研究人员[11]实现了不同光子器件的Verilog-A建模，为光电协同仿真提供了一种可行的方法。2014年，Boise State University研究人员采用Verilog-A实现了马赫增德尔调制器建模，并实现了光电联合仿真 [12]。2015年，美国MIT, Berkeley等联合团队在nature杂志发表文章，展示了CPU芯片的光互连原型，并基于该成果成立了Ayar Labs公司推动该技术的产业化。在传感领域，美国USC[13]、Caltech[14]、Berkeley[15]等团队相继展示了光电融合集成的相控阵激光雷达芯片。2022年，UCSB John Bowers教授在DesignCon会议上提到了硅光和电子集成回路的融合[16]。2023年，美国《芯片法案》产业委员会指出硅光是值得投资的特别首要选项，并进一步指出光子与电子的集成，即光电融合，代表着一种根本性的引领技术[17]。2024年，加州大学戴维斯分校Ben Yoo教授指出光路和电路的集成为高速和宽带光网络的计算架构提供了新机遇[18]。刘汉诚博士在2025年即将发表的文章指出光电合封就是集成光路和集成电路的异质集成[19]。

 日本于2010年启动了FIRST研究计划，其中的光电融合系统技术（Photonics and Electronics Convergence System Technology，PECST）是30个FIRST资助项目之一。该项目的主要负责人是东京大学的Arakawa教授，Kazumi Wada教授也是该项目的联合发起人之一。2011年，日本东京大学Arakawa教授等研究人员在Optics Express提出了光电融合系统“Photonics-electronics convergence system” 的概念[20]，并对此进行了详细阐述。文中所提到的光电融合系统是一种采用紧凑封装的光电系统。2015年，NTT的研究人员在电学仿真平台上构建了波长相关的光子器件Verilog-A仿真模型[21] [22]，并实现了光电联合仿真，获取了眼图及误码率信息。2016年，NTT技术报告提到了器件级光电融合的术语[23]，但是没有展开详细的分析。2016年，NTT首次对传统光电系统设计和光电融合系统设计进行了对比[22]。2016年，NTT公司在其内部刊物NTT Technical review上发表了通过光电融合硬件技术最大化网络性能的相关文章[24]。2019年，日本NTT公司提出了IOWN的概念，拟在2030年将光电融合技术投入实际使用。2023年，日本产业技术综合研究所的Shu Namiki在采访中提出光电融合是光路和电路的融合，并指出光电融合是改变游戏规则的关键技术[25]。

 继美国、日本之后，欧洲国家也开始了光电融合的相关研究。2013年，奥地利启动了3D封装集成的光电融合研究项目[26]。2016年，英国南安普顿大学光电子研究中心获得英国工程与物理科学研究理事会的光电融合平台项目资助，由Reed教授负责[27]。同年，IMEC与鲁汶大学的联合研发团队实现了一款光电融合集成的微环调制器波长锁定芯片[28]。2016年，荷兰埃因霍温理工大学启动了针对太赫兹应用的光电融合技术项目[27]。2019年，英国剑桥大学和伦敦大学学院启动了光电融合相关的人才培养项目[29]。

             本文简要回顾了欧美日在光电融合概念、里程碑技术和重要项目等方面的发展历史。光电融合概念经历了从模糊到日渐清晰的发展过程，光路和电路的融合逐步成为光电融合技术的重要共识。光电融合技术经过长期演进，已经在调制器、光源等多个方面取得了显著突破。就光电融合器件的制备与集成而言，国外起步相对较早，借鉴国外的发展经验可以帮助我们加速光电融合技术的发展。下一发展阶段的光电融合芯片设计仍处于早期发展阶段，存在引领发展的可能。我们应当抓住难得的历史机遇，通过超前布局，努力在光电信息领域实现我国高技术产业的率先突破。

 参考文献

[1] J. W. Goodman, F. J. Leonberger, Sun-Yuan Kung, and R. A. Athale, “Optical interconnections for VLSI systems,” Proceedings of the IEEE, vol. 72, no. 7, pp. 850–866, 1984, doi: 10.1109/PROC.1984.12943.

[2] A. Vörckel, M. Mönster, W. Henschel, P. Haring Bolivar, and H. Kurz, “Asymmetrically coupled silicon-on-insulator microring resonators for compact add-drop multiplexers,” IEEE Photonics Technology Letters, vol. 15, no. 7, pp. 921–923, 2003, doi: 10.1109/LPT.2003.813419.

[3] J. Niehusmann, A. Vörckel, P. H. Bolivar, T. Wahlbrink, W. Henschel, and H. Kurz, “Ultrahigh-quality-factor silicon-on-insulator microring resonator,” Opt Lett, vol. 29, no. 24, p. 2861, 2004, doi: 10.1364/ol.29.002861.

[4] L. Kimerling, “Plenary - Convergence of optics and electronics,” in Optical Amplifiers and Their Applications/Integrated Photonics Research, Optica Publishing Group, 2004, p. JWA1.

[5] K. Wada, “Electronics and photonics convergence on Si CMOS platform,” Optoelectronic Integration on Silicon, vol. 5357, p. 16, 2004, doi: 10.1117/12.533807.

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[8] N. D. Heidel, N. G. Usechak, C. L. Dohrman, and J. A. Conway, “A Review of Electronic-Photonic Heterogeneous Integration at DARPA,” IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, vol. 22, no. 6, pp. 482–490, 2016, doi: 10.1109/JSTQE.2016.2577541.

[9] Andrew Huang et al., “A 10Gb/s photonic modulator and WDM MUX/DEMUX integrated with electronics in 0.13/spl mu/m SOI CMOS,” in 2006 IEEE International Solid State Circuits Conference - Digest of Technical Papers, IEEE, 2006, pp. 922–929. doi: 10.1109/ISSCC.2006.1696133.

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[12] K. Zhu, V. Saxena, and W. Kuang, “Compact Verilog-A modeling of silicon traveling-wave modulator for hybrid CMOS photonic circuit design,” Midwest Symposium on Circuits and Systems, pp. 615–618, 2014, doi: 10.1109/MWSCAS.2014.6908490.

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[22] T. Umeki, O. Tadanaga, and T. Kazama, “Photonics-electronics Convergence Design for Digital Mock-up,” no. 2.

[23] S. Mutoh and H. Takenouchi, “Feature Articles : Photonics-electronics Convergence Hardware Technology for Maximizing Network Performance R & D Trends in Convergence of Photonic and Electronic Hardware for Network Innovation,” 2018.

[24] K. Takeda, K. Honda, H. Nosaka, H. Fukuda, and T. Yamamoto, “Photonics-electronics Convergence Design for Digital Mock-up,” vol. 14, 2016.

[25] Shu Namiki, “Photonics–Electronics Convergence Is a Game-Changing Key Technology.”

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[28] S. Agarwal, M. Ingels, M. Pantouvaki, M. Steyaert, P. Absil, and J. Van Campenhout, “Wavelength Locking of a Si Ring Modulator Using an Integrated Drop-Port OMA Monitoring Circuit,” IEEE J Solid-State Circuits, vol. 51, no. 10, pp. 2328–2344, 2016, doi: 10.1109/JSSC.2016.2592691.

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 稿件来源：华科光电融合芯片实验室|www.ephic.net