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中科院院士龔旗煌最新解讀，一文讀懂光子產業的布局與未來

點擊：作者：平越來源：DeepTech深科技發布時間:2020-11-29 09:16:32

"科學沒有國界，但是科學家有祖國。" 這是錢學森等老一代科學家留給我們最寶貴的精神財富。正是因為有了這樣的信條，他們才能沖破重重阻力回到新中國，把自己的才華、青春甚至生命都奉獻給了這片土地。而這句話，也是中國科學院院士龔旗煌在接受采訪時最喜歡引用的一句話。

圖 | 龔旗煌院士

11 月 24 日，龔旗煌在 “2020 中國光子產業高峰論壇” 活動上，發表了題為《光子的未來》的主旨報告。

在報告中，龔旗煌警示，現在大家都在講 “卡脖子”，實際上，不僅僅是脖子被卡，手也被卡、腳也被卡。他認為，光子行業要發展的話，需要全面從基礎上來做產業提升。

同時，龔旗煌指出，中國在光子學方面進展迅速，目前已經有可以卡別人脖子的研究突破，如光學晶體、非線性光學晶體等。

如今，北京已經成為全國光子領域的頂尖科技資源匯聚地，國家獎在光電子領域共計 15 項，占全國（40 項）總數的將近 40%，與光電有關的中科院兩院院士 12 位，在北京占到了全國的三分之一。可惜的是，北京的光子產業做的不好。龔旗煌建議整合北京的優勢資源，加大投入，建設世界一流光子學研發機構。

以下為現場報告內容，經過不改變原意的編輯和整理。

光子學的重要意義

光子學一詞最早出現于 1970 年，荷蘭科學家 Poldervaart 首次提出 Photonics 概念：“研究以光子為信息載體的科學” 和 “以光子作為能量載體的科學”。錢學森認為，光子學是與電子學平行的科學，應遵循 “光子學 — 光子技術 — 光子工業” 的發展模式。1994 年的香山會議，明確給光子學一個定義，即研究作為信息和能量載體的光子行為及其應用的科學，廣義地講，光子學是關于光子及其應用的科學。

在中國的光子學歷史上，王大珩先生很有創意性地在中國學科上建了一個光學工程，它是和數理化一樣的一級學科，光子學可以約等于光電子的概念。

上世紀 60 年代，激光出現之后，平均每三年就有一個諾貝爾獎頒給光子學的成果，不僅僅在物理學獎，甚至化學獎、生理學或醫學獎，都是用光子學的技術做了很多的工作。所以在 2018 年，聯合國教科文組織把 5 月 16 號定義為 “國際光日”。光子學不僅僅是推動了科學的發展，更多在人類進步當中起著越來越多的作用。

圖 | 光子發展節點

光子的意義跟電子相比，第一，響應速度非常快，光子脈沖可以到 fs 量級，信息速率可以達到幾十個 Tb/s；第二，極高的信息容量，比電子高 3-4 個量級；第三，有極強的存儲和計算能力。之前非常熱的光學全息成像，一次可以進行數百萬比特的讀寫操作，光子能以 “光速” 進行超低能耗運算；第四，極強的并行和互連能力，光子是 “玻色子，不同波長的光可用于多路同時通信”。

如果說 20 世紀是電的世紀，那么，21 世紀是光的世紀。

包括太陽能的利用、光通信、光互聯和光計算、激光武器，都是光子學一個重要的前景，所以我們迎接了 “光子世界”。

光子學的重要研究領域與方向，包含光子器件與光電集成、激光器件與應用、光電探測與傳感、光電控制與處理、光傳輸與光交換、微納光電子集成、量子光學與量子信息、微波光子學、生物醫學光子學。實際上更重要的是一個系統工程，有光學加工制造的技術與應用、光電成像、光譜學和光的處理系統，還有光電測量、光電檢測，以及真正最后形成的光學儀器和系統。

光和電是分不開的。從電的系統來看，從電學開始發展到電子學、電子回路、電子集成，再從電子系統、電子工程到電子產業。光也是類似，從光學、光子學、光子回路、光子集成，再到光子系統、光子工程、光子產業。光和電必須是交融在一起，這是未來很重要的一個發展方向。

圖 | 光電融合示意圖

光子技術是新一代信息技術的重要基礎，估算一下，到 2020 年，相關產業鏈達到了 1.8 萬億美元的光子產業。包括很多大家熟悉的方向：數據、傳輸、能量激光、紅外成像等等，現在的自動駕駛，用的很多也是光學的技術，傳感靠光電與電磁波，這個產業的后期發展潛力非常大。

圖 | 2020 年光子產業規模

國內外光子學布局

日本在 2010 年就開始實施光子融合系統基礎技術開發計劃（PECST），作為日本內閣府支持的尖端研究開發資助計劃（FIRST）之一，目標是在 2025 年實現 “片上服務器” 和 “片上數據中心”。基于光子，這個計劃很宏偉，也在推進之中。

2018 年，美國國防高級研究計劃局（DARPA）宣布了第二階段電子復興計劃項目：實現在人工智能、相控陣、傳感器和數據處理等領域的突破性發展。

歐盟第八框架 —— 地平線 2020 計劃（光子集成技術項目）已經累計投入 64.7 歐元，發布電子發展路線圖：《歐洲光時代》，提出了光子學的發展方向。

2020 年，英國發布了光子的長期規劃，研究內容覆蓋光電子材料、光學和物理現象、加工工藝、光子學器件和系統，確定了 70 個光電研究主題，基本上覆蓋了光子與光電子的全部領域。

中國在國家層面也對光子研究所有布局。包括科技部的重點研發計劃 “光電子與微電子器件及集成” 專項；基金委，國家最基礎的科學研究，有兩個學部都在支持光學與光電子學，比如信息學部有信息光學與光電子器件、激光技術與技術光學；數理學部從光物理方面支持。

各個地方的布局也有很多，80% 的產業集中在華東、華中、華南地區，華東地區的長三角是最大的一個產業，達到 200 多億。華東地區因為武漢光谷的帶領，也有 200 億的產值。華南地區是珠三角，也達到了幾十億的產值。

北大光子學獨具優勢

通過 20 多年的努力，北大光子學研究聚集了一批國內、國外一流的人才，也產生了一系列重要的研究進展。從高校來講，現在不唯論文，但還是發表了一系列的重要成果，并且申請了專利。在產業化方面，學校往前推進一步，在長三角、珠三角建立了光電研究院。

在 2018 年 9 月份，教育部成立了前沿科學中心，北大的納光電子前沿科學中心獲首批之一，作為重點支持的方向，教育部給了很大的支持。在納光電子前沿科技研究方面，人才隊伍包括 3 位院士、8 位教育部長江特聘教授、15 人獲國家杰出青年基金，多人獲何梁何利科學獎等等。預設投資 1 個億，重點建設納光電子芯片設計、工藝制作公共平臺，支撐光電子的發展。

圖 | 集成光量子芯片和量子信息應用

圖 | 光子晶體微納器件與芯片

北大在硅基上設計出來的通用的光量子計算芯片、光量子模擬芯片，已經在南通長三角光電研究院進行孵化和推進。在常規微納光學方面，研究了光子開關、光子邏輯門、光子二極管等等。還實現了新型光子芯片原型，像光子邏輯芯片、光子神經網絡芯片、拓撲光子芯片等等，都已經往產業化發展推進。

同時也發展了一些更深入的概念，比如拓撲保護的高 Q 值光學諧振態和拓撲保護的單向輻射光學諧振態。

圖 | 光子學新原理與新型集成光子器件

研究的高性能納米激光器，為光芯片的發展做了很好的奠定基礎。可以把整個器件做到毫米量級，把目前的尺度降到 9 個量級。

圖 | 高性能納米激光器

還有就是用微米光纖、微腔，大概是幾十微米到百微米的尺度，實現了微腔光梳。現在作為一個預研項目，在軍委支持下開展工作。微腔有很大的應用，非常敏感，可以實現單病毒、單分子的無標記、實時監測，已經在光電院進行產業轉化。

圖 | 微腔光梳與精準檢測

此外，也在研究輕型化的鈣鈦礦光伏電池，性能達到了國際上最好的水準；新型三維顯微成像技術，空間分辨率可以做到 100nm，深層超衍射極限分辨熒光顯微可以達到毫米量級，這對于化學生物的過程，甚至是生命過程，有非常重要的意義。已經有樣機出來，很快會進行產業化轉移。

圖 | 新型三維顯微成像技術

光子學的主要挑戰

現在大家都在講 “卡脖子”，實際上，不僅僅是脖子被卡，手也被卡、腳也被卡。光子行業要發展的話，需要全面從基礎上來做產業提升。

中國是材料大國，但不是材料強國，很多重要材料都要去國外買，才能獲得最好的材料，所以我們要做先進光學材料研究。

我們的光學晶體、非線性光學晶體，這些都是目前可以卡別人脖子的地方。

圖 | 光子學的研究方向

因為光子學是一個新興領域，我們的布局稍微早一點。但是怎么做好，需要投入精力去做。以上這些都是光子學未來研究前沿，又是非常重要的應用前景的方向。一旦突破，會對我們的產業有非常大的推動作用。

統計一下，北京在光子領域匯聚全國頂尖的科技資源，國家獎在光電子領域共計 15 項，占全國（40 項）總數的將近 40%，與光電有關的中科院兩院院士 12 位，在北京占到了全國的三分之一。有很多頂尖的團隊在中科院半導體所、物理所、微電子所、北大、清華、北郵等等，都是光學很強的研究力量。同時有很多國家實驗室與中心，都落戶北京。

但是很可惜，看光子產業圖，實際上北京的份額占的很小。所以建議整合北京的優勢資源，加大投入。沒有投入，就沒有產出。同時培養人才、引進人才，創造留住人才、用好人才的環境，是需要思考的問題。

關于發展目標，一是面向光子發展前沿和國家戰略需求，解決我國高端光子器件發展瓶頸；二是加強產學研協作，要有一套完善的光子工藝平臺，即使北大投了一個億，也做不了一個非常好的平臺；三是培育光子領域高新技術企業，形成光子產業生態集群，要想辦法使它落戶在北京；四是具有自主知識產權的核心技術，實現部分關鍵材料和器件的國產化替代。

具體措施就是建設世界一流光子學研發機構，北京要做一個大的布局，如果還是現在這個樣子，過了 5 年、10 年之后，在光子產業，也許北京還占不到一個地位。

龔旗煌履歷：

身為中國科學院院士，北京大學博雅講席教授、黨委常委、常務副校長的龔旗煌，出生于福建省莆田市，為人隨和、謙虛，學術造詣深厚。1983 年，他從北大物理系本科畢業后，留在本系開始研究生階段學習；1988 年，他以中英聯合培養博士生身份，赴英國曼徹斯特大學，之后獲北大物理學博士并任教授，在 2013 年當選為中國科學院院士。

龔旗煌長期從事非線性與量子光學、時空小尺度光學前沿研究。在 Science、Nature Photonics、Nature Physics、Physics Reports 和 Physical Review Letters 等發表論文 500 余篇。先后擔任國家基金委 “介觀光學與飛秒物理創新研究群體”、“飛秒 - 納米時空分辨光學實驗系統” 國家重大科研儀器研制項目和科技部 “極端光學創新研究團隊” 負責人。其團隊主要研究方向為：介觀量子光學與光量子芯片；突破經典極限光學與光電子學；量子態超快測量與光場調控等。