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现代经济的“隐形引擎”、科技竞赛的破局之道——
光子盒研究院
在我们的周围，光的作用无处不在。想象一下，我们手机上精密的摄像头、汽车上高效的泊车传感器、办公桌上鲜亮的显示器……这些日常生活中的便利设施都在利用光的奇妙力量。
这一切的背后，都有一个名为“光学”的研究领域在默默发挥着作用。
那么，什么是光学呢？
光学是一个跨学科的领域，它专注于光的产生、控制、操纵和检测。
光，作为一种电磁辐射，其波长跨越了整个电磁波谱。独特之处在于它的量子性质，使得光能够表现为波动和粒子的双重特性。例如，当光穿过狭窄的缝隙时，它表现出波动性；而当照射到太阳能电池板上时，它又呈现为携带能量的粒子。光学正是利用这些多样的行为，设计出各种基于光的力量和速度的实际应用。
在过去的40年里，光学领域已经建立起强大的核心研究能力。这种核心能力不仅直接支持着光学本身的研究，还间接地赋能于那些依赖光学技术的研究者们。
例如，在量子技术的领域中，单个光子已成为多种应用的关键元素，这包括量子通信、量子计算、量子计量学、生物学以及探究量子物理学基础的实验。如果没有光子学的发展，我们将无法深入探索这个量子世界。
光学还涵盖了产生、控制、传输和探测光的技术、设备、产品和过程，这些都是构建我们现代生活不可或缺的基石。
光学，作为推动世界经济发展的关键“技术推动力”，在当今时代发挥着不可或缺的作用。
光学和光子学共同探索光的物理特性及其在各种应用中的运用。例如，光学工程师专门设计与光传播和材料交互作用有关的宏观系统，制造出镜子、透镜和棱镜等关键部件；而光子工程师则专注于微观尺度的设计，光的波动特性在这些设计中至关重要。
现代光学不仅包含了传统的光学研究，如光的反射、折射和衍射等基本理论，还融入了量子力学的理念，诞生了光子学这一新领域。光子学的出现使得光的操纵和应用达到了前所未有的精度和效率，特别是在信息传输、精密测量、医学成像和量子计算等方面。
据估计，光子学产品和服务的年产值达到惊人的15万亿美元，占全球GDP的大约10%。在具体的光学领域，市场的总价值已经达到330亿美元。
其中，激光系统的精度和性能的提升依赖于各类关键组件，例如：
- 滤光片：这些通常由镀膜玻璃或塑料制成，能够选择性地允许特定波长的光通过，同时阻挡或反射其他波长的光线；
- 透镜：根据其类型和曲率不同，透镜可以聚焦或分散光线；
- 反射镜：用于选择性反射光线，常用于转向或折叠光束；
- 分光镜：用于按波长或方向分离光线，常见于激光器和传感器等设备中；
- 棱镜：通常由玻璃制成，能够将光根据波长分散成不同的组成部分；
- 自适应光学：集成多个光学元件，并通过机械或电气连接和控制来调整其特性。
一些精密光学元件的市场价值高达200亿美元，占整个光学元件市场的三分之二，预计到2025年将增长8%。
事实上，光学和光子学几乎影响着现代生活的每一个方面，从医疗保健、能源生产到通信、制造和农业，但其大部分影响是隐性的，因此常被誉为“隐性经济引擎”。
这些支撑着我们现代经济的用例包括：
- 半导体制造：过去60年中，每一块集成电路的生产都离不开利用光子技术在硅晶片上进行的光刻工艺。组装电子系统的印刷电路板也依赖于光刻技术和激光加工。
- 互联网：我们的社会依赖于互联网提供的高速连接。光学通过光纤通信为互联网提供骨干网，实现了超高带宽的通信链路，将各国、大洲、家庭和工作场所连接起来。
- 国防：国防技术在多方面依赖光技术，包括威胁探测和监控（如使用声纳探测潜艇、夜视技术）以及现代智能弹药的导航和制导。
- 制造业：激光在制造业中无处不在，用于切割、焊接、表面处理和标记，而基于光学的高精度测量技术则支持精密装配过程。
- 显示器和消费电子产品：微型发光二极管（MicroLED）、有机发光二极管（OLED）、发光二极管（LED）和液晶显示器（LCD）的发展归功于光学技术，为智能手机、平板电脑和电视提供了高分辨率和鲜艳色彩的屏幕。
- 增强现实和虚拟现实（AR/VR）系统：光学技术也是AR/VR设备提供身临其境体验的幕后功臣，高速发光源、集成光波导、光栅、平面光学和光学传感器共同实现了数字与现实世界的无缝融合。
- 可再生能源：高效太阳能电池板利用光伏电池捕捉阳光并将其转化为电能，减少化石燃料的环境影响。同时，发光二极管提供了多功能、高效和更可持续的照明解决方案。
随着新材料的发现、计算能力的提升和制造技术的进步，我们可以预见，光学和光子学将继续扩展其影响力，渗透到我们生活的更多领域。
光学，这个历史悠久的学科，源自古希腊时期。近代以来，激光、光纤通信和光电子技术的发明及发展极大地推动了光学应用领域的扩展。
早在1917年，爱因斯坦的开创性论文《辐射的量子理论》（The quantum theory of radiation）为激光技术奠定了理论基础。
几十年后，20世纪60年代，首批商业化激光器问世，应用领域从科学研究扩展至外科手术等多个方面。激光的能力，特别是产生窄且集中的光束，使得条形码扫描、DNA测序和半导体芯片制造等众多应用成为可能。在一项最新应用中，NASA的好奇号漫游车运用激光设备炸开火星表面的岩石，分析其产生的蒸汽，以探究化学成分。
进入21世纪，光子晶体、纳米光子学和等离子体学的出现使得光学设备微型化和提高激光效率成为可能。21世纪10年代，硅光子学通过在普通硅基板上集成光子元件，利用成熟的电子设备工艺，为光子学应用带来了新的发展。
如今，光子学的应用范围广泛，涵盖了从量子光子学到生物光子学等众多领域。过去几十年，许多光学相关器件已成为商业产品，证明了这一领域的商业活力和持续创新能力。
在不断追求性能提升、能耗降低和功能拓展的当下，光学系统日益复杂，要求在低功耗下实现功能的密集集成。因此，业界正推动紧凑型、高能效集成系统的发展，激发了整个光学领域的创新浪潮。
- 微型化：众多应用对重量和尺寸有严格要求，如智能手机摄像头、光学传感器和微型投影仪。可穿戴设备如智能眼镜、健身追踪器和AR头戴式设备的显示、传感器和通信也依赖于微型化光学元件。在生物医学领域，例如床旁诊断和医学成像，微型光子系统同样至关重要。
- 集成电路：光子集成电路行业正在经历变革，满足日益增长的数据消费需求。共封装光学器件和光互连器件正满足数据中心对高速、节能数据传输的需求，提供减少延迟和提高带宽的解决方案。
- 人工智能：光子计算和AI正推动处理能力和数据处理的发展。光子芯片为复杂任务提供更快、更高效的计算能力，而量子光子学等新兴领域为量子计算、密码学和安全通信带来了新的可能。
光子工程的发展需要新型材料、异质集成技术、三维集成电路集成与组装、先进封装方法和最先进的制造技术。为设计基于光子学的下一代解决方案，工程师可以利用Ansys光学和光子学仿真软件对光子元件、电路和系统进行精确建模。这些高度互操作的求解器能够应对多物理场和多尺度挑战，助力光子学设计人员创造未来技术，推动经济增长和人类进步。
2024年1月，国际光电工程学会（SPIE）在美国西部光电博览会（Photonics West）上分享了对光子元件细分市场的分析，并预测光子学的12年复合年增长率达7%。
SPIE全球业务发展高级总监安迪·布朗（Andy Brown）指出：“光子技术支撑着应用的多样性，带来了弹性，因为大多数公司都在为不止一个市场提供产品。”
巴黎TEMATYS公司则深入分析了光学市场的具体组成部分，并预测从2022年到2027年，所有细分市场的增长率将在7%到10%之间。具体包括：
- 光源：LED增长8%，激光增长7%，增长动力来自新的、价格合理的波长和更好的功率比。
- 光学元件：分立光学元件增长7%，光纤增长10%，增长动力来自向紧凑型组件和快速/精确光束转向的转变。
- 光子传感器：在新型、廉价波长和片上功能的推动下，单个和成像探测器将增长8%。
这就是光学的机会——一种处在可能性边缘的使能技术。
最新的估计表明，到2035年，英国超过60%的经济将直接依赖于光子技术以维持其竞争力，这一趋势凸显了光子技术在发达经济体中的日益重要性。
展望未来，从全球变暖到数字包容性，21世纪面临的诸多重大挑战的解决方案，都将在很大程度上依赖于光学和光子学的发展。在这些解决方案中，光子微芯片为基础的传感器技术起着至关重要的作用。这些技术因其体积小、重量轻、功耗低等特点，正在改变游戏规则，使得它们能够方便地安装在飞机、卫星和车辆上。
光学研究能力的重要性不言而喻，而将这些研究成果转化为实际产品，则是光学价值链的关键环节。
近期的一项调查显示，光电子行业在澳大利亚的制造业中是一个活力四射、发展迅速的行业，这一点在以制造业为主导的国家尤其显著。
澳大利亚的光电子行业经济活动约值43亿美元，该行业包含465家公司和近10,000名员工。这个行业不仅满足国内市场的需求，还包括了一些重要的全球出口商。
例如，总部位于悉尼的澳大利亚Finisar公司，作为世界上最大的波长选择开关制造商，其产品几乎全部出口，过去十年的出口收入超过10亿美元。
在全球科技竞争的背景下，光子技术在中国的发展也引起了广泛关注。一些观察家认为，这项技术可能有助于中国突破以美国为首的技术封锁。
中国国际经济交流中心的著名经济学家陈文玲在2023年3月的一次讨论中指出，硅光子技术可能是中国实现“弯道超车”的关键。她提到，中国大陆正在建设光子芯片生产线，预计2023年建成，这将使中国在光子芯片领域走在世界前列。
据报道，中国有能力在国内生产光子芯片，因为其生产不依赖于极紫外光刻机——一种受美国主导的出口管制限制的先进半导体制造设备。
在2023年2月的政治局研讨会上，北京大学校长龚旗煌也曾强调光子技术的重要性。
紧随其后，北京大学国家发展研究院院长、中国经济研究中心主任姚洋在博鳌论坛上表达了类似的观点，认为美国的半导体限制措施实际上是对美国自身的损害，因为光子芯片最终将淘汰电子芯片。
这些观点与中国在光子芯片领域的领先地位相符，预示着在新兴技术领域的重大突破。
中国的“十四五”规划也强调了光子技术的重要性，提出“要实现核心技术的自给自足，减少对外国技术和进口资源的依赖，呼吁建立一批国家实验室，重点研究量子信息、光子学、微纳电子学、网络通信、人工智能......以及其他重大创新领域”。体现了中国政府在减少对外国技术依赖，实现核心技术自给自足方面的决心。
随着摩尔定律的物理极限逐渐逼近，以及人工智能的发展对计算需求的不断增加，光学技术预计将在下一代半导体和人工智能技术的国际竞争中发挥重要作用。
然而，尽管光学处理器的性能得到了宣传，但其目前的能力仍然有限，与电子处理器的通用性相比，存在明显的差异。
此外，光子技术作为一种硬科技，从发明到市场成功通常需要7到10年时间，这正是风险投资公司感兴趣的投资时限的上限。
从技术成熟和市场角度来看，降低任何想法的风险，对于提高本地开发和制造但全球适用的光子技术的商业化速度至关重要。
随着光学、光子技术及其产品和服务在整个经济领域的日益普及，加强这种能力、提供一定程度的供应保障，并对这种技术及其应用方式施加影响将变得尤为重要。
[1]https://www.innovationaus.com/leveraging-decades-of-photonics-research-investment/
[2]https://www.mckinsey.com/industries/industrials-and-electronics/our-insights/the-next-wave-of-innovation-in-photonics
[3]https://semiengineering.com/photonics-harnessing-the-power-of-light/
[4]https://www.photonics.com/Articles/Photonics_Spectra_Preview_-_May_2024/a69768
[5]https://www.laserfocusworld.com/executive-forum/article/14303456/why-ai-is-the-next-photonics-frontier
[6]https://www.laserfocusworld.com/executive-forum/article/14305683/multiple-forecasts-project-significant-growth-in-photonics
[7]https://www.sciencedirect.com/topics/physics-and-astronomy/photonics
[8]http://www.rmlt.com.cn/2023/0307/667591.shtml
[9]https://www.csis.org/analysis/controlling-light-silicon-photonics-emerging-front-us-china-tech-competition
[10]https://www.federalregister.gov/documents/2023/01/18/2023-00888/implementation-of-additional-export-controls-certain-advanced-computing-and-semiconductor