3. 光计算物理基础与器件选型
光计算之所以能进入AI加速器的讨论范围，根本原因在于它把“乘加”这件事从电子域搬到了光域：用光强或光相位承载数据，用干涉、谐振或非线性效应完成运算，再用光电转换把结果交还给数字系统。理解这条链路，必须从五个关键器件入手——光波导、激光源、调制器、微环谐振器、探测器。它们不是孤立元件，而是共同决定了系统的算力密度、能耗、带宽和精度边界。
光波导：把光约束在芯片上的“导线”
光波导是光计算芯片的物理骨架，典型结构是硅(Si)芯层被二氧化硅(SiO₂)包层包围，利用折射率差形成全内反射，把1550 nm波段的光约束在几百纳米宽的芯区内传播。单模条件由波导宽度和高度共同决定：以SOI平台为例，220 nm高、500 nm宽的条形波导在1550 nm处通常支持单模传输，弯曲半径可小到5～10 μm而不产生显著辐射损耗。
系统级影响体现在三处：一是传播损耗，硅波导典型损耗约1～3 dB/cm，长距离片上互连必须靠低损耗氮化硅(Si₃N₄)波导或跨阻放大补偿；二是色散与温度敏感性，硅的热光系数约1.8×10⁻⁴/K，温度漂移1 K可导致有效折射率变化约10⁻⁴量级，直接改变干涉相位；三是耦合损耗，光纤到芯片的端面耦合或光栅耦合通常引入1～3 dB/端，是系统功率预算中不可忽略的固定开销。
激光源：系统的“功率天花板”
光计算没有光就没有运算，激光源决定了可用光功率上限。片上方案多采用外置DFB激光器加光纤耦合，或异质集成III-V激光器。关键参数包括输出功率、相对强度噪声(RIN)、线宽和波长稳定性。对马赫-曾德尔调制器(MZM)阵列而言，若每路调制器插入损耗3 dB、波导损耗2 dB、分束器额外3 dB，则单路到达探测器的光功率可能只剩输入功率的1/8。假设激光输出10 mW，单路仅约1.25 mW，再经探测器响应度0.8 A/W，光电流约1 mA，这直接限制了信噪比和可级联的运算层数。
调制器：把电信号写进光里
调制器是电域到光域的入口。硅基MZM依靠载流子耗尽效应改变折射率，典型VπL约1～2 V·cm，意味着1 mm长器件需要约10～20 V驱动电压，或采用行波电极降低驱动。微环调制器则利用谐振波长漂移，VπL可低至0.1 V·cm量级，驱动电压可降到1 V以下，但工作带宽和温度稳定性更敏感。
系统级取舍很明确：MZM线性度好、温漂容忍度高，适合高精度模拟光计算；微环调制器功耗低、面积小，适合高密度阵列，但需要波长锁定和温度闭环控制。若阵列规模为64×64，每路调制器功耗从10 pJ/bit降到1 pJ/bit，整片调制功耗就从数十瓦降到数瓦量级，这是微环方案的核心吸引力。
微环谐振器：波长域的多路复用与权重
微环谐振器是光计算中最具“计算味”的器件。它通过谐振条件 λ_res = n_eff·L/m（m为整数）选择特定波长，只有满足谐振的光才从直波导耦合进环并下载到drop端。利用这一特性，可以用不同半径的微环对应不同波长，实现波分复用(WDM)下的并行乘加：输入光携带多波长信号，每个微环对特定波长加权，drop端光强即为加权和。
关键参数包括品质因子Q、自由光谱范围FSR和消光比。Q值越高，谐振峰越窄，波长选择性越好，但对温度漂移越敏感。硅微环Q值可达10⁴～10⁵，FSR由环长决定，半径5 μm时FSR约20 nm，可容纳约10个WDM通道。系统级影响是：微环阵列把权重存储在谐振状态中，权重更新需要热光或电光调谐，调谐功耗和响应速度直接决定权重刷新速率。若热调谐功耗为1 mW/环，1024个环的静态调谐功耗就达1 W，必须用非易失相变材料或电光调谐来降低。
探测器：光域回到电域的出口
探测器完成光电转换，常见类型有PIN光电二极管和雪崩光电二极管(APD)。硅在1550 nm不吸收，因此通常采用锗(Ge)吸收层。关键指标是响应度、暗电流和带宽。Ge PIN探测器在1550 nm响应度约0.8～1.0 A/W，暗电流约nA级，带宽可达数十GHz。APD可提供10倍以上增益，但引入额外噪声。
系统级影响在于：探测器带宽决定光计算阵列的时钟上限，暗电流和热噪声决定最小可检测光功率，进而决定模拟运算的精度下限。若探测器噪声等效功率约1 μW，而单路信号光功率仅10 μW，则信噪比约10 dB，对应约3～4 bit有效精度。这就是为什么光计算系统必须在激光功率、调制损耗、探测器灵敏度和阵列规模之间做全局功率预算。
器件选型的系统级折中
把五个器件放在一起看，选型逻辑就清晰了。若目标是高精度模拟光计算，优先选MZM加高功率DFB激光器加高响应度PIN探测器，牺牲面积和功耗换取线性度和信噪比；若目标是高密度矩阵运算，优先选微环调制器加微环权重阵列加WDM，用波长维度换并行度，但必须配套温度闭环和波长锁定。波导平台则根据损耗和集成度选择：硅波导适合有源集成，氮化硅波导适合低损耗无源互连。
实际设计中，建议先做功率预算表：列出激光输出功率、每级损耗、探测器最小可检测功率，反推最大可级联级数和阵列规模。再根据精度要求确定调制器类型和探测器类型。最后用温度仿真验证微环或MZM的相位漂移是否在可调谐范围内。只有把器件参数翻译成系统指标，光计算加速器才不是纸面概念，而是可设计、可验证的工程对象。