一文读懂光子产业的布局与未来

"科学没有国界，但是科学家有祖国。" 这是钱学森等老一代科学家留给我们最宝贵的精神财富。正是因为有了这样的信条，他们才能冲破重重阻力回到新中国，把自己的才华、青春甚至生命都奉献给了这片土地。而这句话，也是中国科学院院士龚旗煌在接受采访时最喜欢引用的一句话。

11 月 24 日，龚旗煌在 “2020 中国光子产业高峰论坛” 活动上，发表了题为《光子的未来》的主旨报告。

在报告中，龚旗煌警示，现在大家都在讲 “卡脖子”，实际上，不仅仅是脖子被卡，手也被卡、脚也被卡。他认为，光子行业要发展的话，需要全面从基础上来做产业提升。

同时，龚旗煌指出，中国在光子学方面进展迅速，目前已经有可以卡别人脖子的研究突破，如光学晶体、非线性光学晶体等。

如今，北京已经成为全国光子领域的顶尖科技资源汇聚地，国家奖在光电子领域共计 15 项，占全国（40 项）总数的将近 40%，与光电有关的中科院两院院士 12 位，在北京占到了全国的三分之一。可惜的是，北京的光子产业做的不好。龚旗煌建议整合北京的优势资源，加大投入，建设世界一流光子学研发机构。

以下为现场报告内容，经过不改变原意的编辑和整理。

光子学的重要意义

光子学一词最早出现于 1970 年，荷兰科学家 Poldervaart 首次提出 Photonics 概念：“研究以光子为信息载体的科学” 和 “以光子作为能量载体的科学”。钱学森认为，光子学是与电子学平行的科学，应遵循 “光子学 — 光子技术 — 光子工业” 的发展模式。1994 年的香山会议，明确给光子学一个定义，即研究作为信息和能量载体的光子行为及其应用的科学，广义地讲，光子学是关于光子及其应用的科学。

在中国的光子学历史上，王大珩先生很有创意性地在中国学科上建了一个光学工程，它是和数理化一样的一级学科，光子学可以约等于光电子的概念。

上世纪 60 年代，激光出现之后，平均每三年就有一个诺贝尔奖颁给光子学的成果，不仅仅在物理学奖，甚至化学奖、生理学或医学奖，都是用光子学的技术做了很多的工作。所以在 2018 年，联合国教科文组织把 5 月 16 号定义为 “国际光日”。光子学不仅仅是推动了科学的发展，更多在人类进步当中起着越来越多的作用。

图 | 光子发展节点

光子的意义跟电子相比，第一，响应速度非常快，光子脉冲可以到 fs 量级，信息速率可以达到几十个 Tb/s；第二，极高的信息容量，比电子高 3-4 个量级；第三，有极强的存储和计算能力。之前非常热的光学全息成像，一次可以进行数百万比特的读写操作，光子能以 “光速” 进行超低能耗运算；第四，极强的并行和互连能力，光子是 “玻色子，不同波长的光可用于多路同时通信”。

如果说 20 世纪是电的世纪，那么，21 世纪是光的世纪。

包括太阳能的利用、光通信、光互联和光计算、激光武器，都是光子学一个重要的前景，所以我们迎接了 “光子世界”。

光子学的重要研究领域与方向，包含光子器件与光电集成、激光器件与应用、光电探测与传感、光电控制与处理、光传输与光交换、微纳光电子集成、量子光学与量子信息、微波光子学、生物医学光子学。实际上更重要的是一个系统工程，有光学加工制造的技术与应用、光电成像、光谱学和光的处理系统，还有光电测量、光电检测，以及真正最后形成的光学仪器和系统。

光和电是分不开的。从电的系统来看，从电学开始发展到电子学、电子回路、电子集成，再从电子系统、电子工程到电子产业。光也是类似，从光学、光子学、光子回路、光子集成，再到光子系统、光子工程、光子产业。光和电必须是交融在一起，这是未来很重要的一个发展方向。

图 | 光电融合示意图

光子技术是新一代信息技术的重要基础，估算一下，到 2020 年，相关产业链达到了 1.8 万亿美元的光子产业。包括很多大家熟悉的方向：数据、传输、能量激光、红外成像等等，现在的自动驾驶，用的很多也是光学的技术，传感靠光电与电磁波，这个产业的后期发展潜力非常大。

图 | 2020 年光子产业规模

国内外光子学布局

日本在 2010 年就开始实施光子融合系统基础技术开发计划（PECST），作为日本内阁府支持的尖端研究开发资助计划（FIRST）之一，目标是在 2025 年实现 “片上服务器” 和 “片上数据中心”。基于光子，这个计划很宏伟，也在推进之中。

2018 年，美国国防高级研究计划局（DARPA）宣布了第二阶段电子复兴计划项目：实现在人工智能、相控阵、传感器和数据处理等领域的突破性发展。

欧盟第八框架 —— 地平线 2020 计划（光子集成技术项目）已经累计投入 64.7 欧元，发布电子发展路线图：《欧洲光时代》，提出了光子学的发展方向。

2020 年，英国发布了光子的长期规划，研究内容覆盖光电子材料、光学和物理现象、加工工艺、光子学器件和系统，确定了 70 个光电研究主题，基本上覆盖了光子与光电子的全部领域。

中国在国家层面也对光子研究所有布局。包括科技部的重点研发计划 “光电子与微电子器件及集成” 专项；基金委，国家最基础的科学研究，有两个学部都在支持光学与光电子学，比如信息学部有信息光学与光电子器件、激光技术与技术光学；数理学部从光物理方面支持。

各个地方的布局也有很多，80% 的产业集中在华东、华中、华南地区，华东地区的长三角是最大的一个产业，达到 200 多亿。华东地区因为武汉光谷的带领，也有 200 亿的产值。华南地区是珠三角，也达到了几十亿的产值。

北大光子学独具优势

通过 20 多年的努力，北大光子学研究聚集了一批国内、国外一流的人才，也产生了一系列重要的研究进展。从高校来讲，现在不唯论文，但还是发表了一系列的重要成果，并且申请了专利。在产业化方面，学校往前推进一步，在长三角、珠三角建立了光电研究院。

在 2018 年 9 月份，教育部成立了前沿科学中心，北大的纳光电子前沿科学中心获首批之一，作为重点支持的方向，教育部给了很大的支持。在纳光电子前沿科技研究方面，人才队伍包括 3 位院士、8 位教育部长江特聘教授、15 人获国家杰出青年基金，多人获何梁何利科学奖等等。预设投资 1 个亿，重点建设纳光电子芯片设计、工艺制作公共平台，支撑光电子的发展。

图 | 集成光量子芯片和量子信息应用

图 | 光子晶体微纳器件与芯片

北大在硅基上设计出来的通用的光量子计算芯片、光量子模拟芯片，已经在南通长三角光电研究院进行孵化和推进。在常规微纳光学方面，研究了光子开关、光子逻辑门、光子二极管等等。还实现了新型光子芯片原型，像光子逻辑芯片、光子神经网络芯片、拓扑光子芯片等等，都已经往产业化发展推进。

同时也发展了一些更深入的概念，比如拓扑保护的高 Q 值光学谐振态和拓扑保护的单向辐射光学谐振态。

图 | 光子学新原理与新型集成光子器件

研究的高性能纳米激光器，为光芯片的发展做了很好的奠定基础。可以把整个器件做到毫米量级，把目前的尺度降到 9 个量级。

图 | 高性能纳米激光器

还有就是用微米光纤、微腔，大概是几十微米到百微米的尺度，实现了微腔光梳。现在作为一个预研项目，在军委支持下开展工作。微腔有很大的应用，非常敏感，可以实现单病毒、单分子的无标记、实时监测，已经在光电院进行产业转化。

图 | 微腔光梳与精准检测

此外，也在研究轻型化的钙钛矿光伏电池，性能达到了国际上最好的水准；新型三维显微成像技术，空间分辨率可以做到 100nm，深层超衍射极限分辨荧光显微可以达到毫米量级，这对于化学生物的过程，甚至是生命过程，有非常重要的意义。已经有样机出来，很快会进行产业化转移。

图 | 新型三维显微成像技术

光子学的主要挑战

现在大家都在讲 “卡脖子”，实际上，不仅仅是脖子被卡，手也被卡、脚也被卡。光子行业要发展的话，需要全面从基础上来做产业提升。

中国是材料大国，但不是材料强国，很多重要材料都要去国外买，才能获得最好的材料，所以我们要做先进光学材料研究。

我们的光学晶体、非线性光学晶体，这些都是目前可以卡别人脖子的地方。

图 | 光子学的研究方向

因为光子学是一个新兴领域，我们的布局稍微早一点。但是怎么做好，需要投入精力去做。以上这些都是光子学未来研究前沿，又是非常重要的应用前景的方向。一旦突破，会对我们的产业有非常大的推动作用。

统计一下，北京在光子领域汇聚全国顶尖的科技资源，国家奖在光电子领域共计 15 项，占全国（40 项）总数的将近 40%，与光电有关的中科院两院院士 12 位，在北京占到了全国的三分之一。有很多顶尖的团队在中科院半导体所、物理所、微电子所、北大、清华、北邮等等，都是光学很强的研究力量。同时有很多国家实验室与中心，都落户北京。

但是很可惜，看光子产业图，实际上北京的份额占的很小。所以建议整合北京的优势资源，加大投入。没有投入，就没有产出。同时培养人才、引进人才，创造留住人才、用好人才的环境，是需要思考的问题。

关于发展目标，一是面向光子发展前沿和国家战略需求，解决我国高端光子器件发展瓶颈；二是加强产学研协作，要有一套完善的光子工艺平台，即使北大投了一个亿，也做不了一个非常好的平台；三是培育光子领域高新技术企业，形成光子产业生态集群，要想办法使它落户在北京；四是具有自主知识产权的核心技术，实现部分关键材料和器件的国产化替代。

具体措施就是建设世界一流光子学研发机构，北京要做一个大的布局，如果还是现在这个样子，过了 5 年、10 年之后，在光子产业，也许北京还占不到一个地位。

龚旗煌履历：

身为中国科学院院士，北京大学博雅讲席教授、党委常委、常务副校长的龚旗煌，出生于福建省莆田市，为人随和、谦虚，学术造诣深厚。1983 年，他从北大物理系本科毕业后，留在本系开始研究生阶段学习；1988 年，他以中英联合培养博士生身份，赴英国曼彻斯特大学，之后获北大物理学博士并任教授，在 2013 年当选为中国科学院院士。

龚旗煌长期从事非线性与量子光学、时空小尺度光学前沿研究。在 Science、Nature Photonics、Nature Physics、Physics Reports 和 Physical Review Letters 等发表论文 500 余篇。先后担任国家基金委 “介观光学与飞秒物理创新研究群体”、“飞秒 - 纳米时空分辨光学实验系统” 国家重大科研仪器研制项目和科技部 “极端光学创新研究团队” 负责人。其团队主要研究方向为：介观量子光学与光量子芯片；突破经典极限光学与光电子学；量子态超快测量与光场调控等。

龚旗煌提出通过电荷快速转移获得超快响应和大系数的三阶非线性光学材料的新方法，实现了高性能超快低阈值全光开关；开拓飞秒 / 纳米时空高分辨光学测量，实现了纳微结构超快光调控及电子态的人工调控。

原文标题：中科院院士龚旗煌最新解读，一文读懂光子产业的布局与未来

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