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中科院院士龔旗煌最新解讀，一文讀懂光子產(chǎn)業(yè)的布局與未來

點擊：  作者：平越    來源：DeepTech深科技  發(fā)布時間:2020-11-29 09:16:32

 

 "科學(xué)沒有國界，但是科學(xué)家有祖國。" 這是錢學(xué)森等老一代科學(xué)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(xué)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(chǎn)業(yè)高峰論壇” 活動上，發(fā)表了題為《光子的未來》的主旨報告。

 

在報告中，龔旗煌警示，現(xiàn)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(yè)要發(fā)展的話，需要全面從基礎(chǔ)上來做產(chǎn)業(yè)提升。

 

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

 

如今，北京已經(jīng)成為全國光子領(lǐng)域的頂尖科技資源匯聚地，國家獎在光電子領(lǐng)域共計 15 項，占全國（40 項）總數(shù)的將近 40%，與光電有關(guān)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(chǎn)業(yè)做的不好。龔旗煌建議整合北京的優(yōu)勢資源，加大投入，建設(shè)世界一流光子學(xué)研發(fā)機構(gòu)。

 

以下為現(xiàn)場報告內(nèi)容，經(jīng)過不改變原意的編輯和整理。

 

光子學(xué)的重要意義

 

光子學(xué)一詞最早出現(xiàn)于 1970 年，荷蘭科學(xué)家 Poldervaart 首次提出 Photonics 概念：“研究以光子為信息載體的科學(xué)” 和 “以光子作為能量載體的科學(xué)”。錢學(xué)森認為，光子學(xué)是與電子學(xué)平行的科學(xué)，應(yīng)遵循 “光子學(xué) — 光子技術(shù) — 光子工業(yè)” 的發(fā)展模式。1994 年的香山會議，明確給光子學(xué)一個定義，即研究作為信息和能量載體的光子行為及其應(yīng)用的科學(xué)，廣義地講，光子學(xué)是關(guān)于光子及其應(yīng)用的科學(xué)。

 

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

 

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

 

 

圖 | 光子發(fā)展節(jié)點

 

光子的意義跟電子相比，第一，響應(yīng)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(xué)全息成像，一次可以進行數(shù)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(jì)是電的世紀(jì)，那么，21 世紀(jì)是光的世紀(jì)。

 

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

 

光子學(xué)的重要研究領(lǐng)域與方向，包含光子器件與光電集成、激光器件與應(yīng)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(xué)與量子信息、微波光子學(xué)、生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)。實際上更重要的是一個系統(tǒng)工程，有光學(xué)加工制造的技術(shù)與應(yīng)用、光電成像、光譜學(xué)和光的處理系統(tǒng)，還有光電測量、光電檢測，以及真正最后形成的光學(xué)儀器和系統(tǒng)。

 

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

 

 

圖 | 光電融合示意圖

 

光子技術(shù)是新一代信息技術(shù)的重要基礎(chǔ)，估算一下，到 2020 年，相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈達到了 1.8 萬億美元的光子產(chǎn)業(yè)。包括很多大家熟悉的方向：數(shù)據(jù)、傳輸、能量激光、紅外成像等等，現(xiàn)在的自動駕駛，用的很多也是光學(xué)的技術(shù)，傳感靠光電與電磁波，這個產(chǎn)業(yè)的后期發(fā)展?jié)摿Ψ浅４蟆?/span>

 

 

圖 | 2020 年光子產(chǎn)業(yè)規(guī)模

 

國內(nèi)外光子學(xué)布局

 

日本在 2010 年就開始實施光子融合系統(tǒng)基礎(chǔ)技術(shù)開發(fā)計劃（PECST），作為日本內(nèi)閣府支持的尖端研究開發(fā)資助計劃（FIRST）之一，目標(biāo)是在 2025 年實現(xiàn) “片上服務(wù)器” 和 “片上數(shù)據(jù)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(fù)興計劃項目：實現(xiàn)在人工智能、相控陣、傳感器和數(shù)據(jù)處理等領(lǐng)域的突破性發(fā)展。

 

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

 

2020 年，英國發(fā)布了光子的長期規(guī)劃，研究內(nèi)容覆蓋光電子材料、光學(xué)和物理現(xiàn)象、加工工藝、光子學(xué)器件和系統(tǒng)，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(lǐng)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(fā)計劃 “光電子與微電子器件及集成” 專項；基金委，國家最基礎(chǔ)的科學(xué)研究，有兩個學(xué)部都在支持光學(xué)與光電子學(xué)，比如信息學(xué)部有信息光學(xué)與光電子器件、激光技術(shù)與技術(shù)光學(xué)；數(shù)理學(xué)部從光物理方面支持。

 

各個地方的布局也有很多，80% 的產(chǎn)業(yè)集中在華東、華中、華南地區(qū)，華東地區(qū)的長三角是最大的一個產(chǎn)業(yè)，達到 200 多億。華東地區(qū)因為武漢光谷的帶領(lǐng)，也有 200 億的產(chǎn)值。華南地區(qū)是珠三角，也達到了幾十億的產(chǎn)值。

 

北大光子學(xué)獨具優(yōu)勢

 

通過 20 多年的努力，北大光子學(xué)研究聚集了一批國內(nèi)、國外一流的人才，也產(chǎn)生了一系列重要的研究進展。從高校來講，現(xiàn)在不唯論文，但還是發(fā)表了一系列的重要成果，并且申請了專利。在產(chǎn)業(yè)化方面，學(xué)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(xué)中心，北大的納光電子前沿科學(xué)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(xué)獎等等。預(yù)設(shè)投資 1 個億，重點建設(shè)納光電子芯片設(shè)計、工藝制作公共平臺，支撐光電子的發(fā)展。

 

 

圖 | 集成光量子芯片和量子信息應(yīng)用

 

 

圖 | 光子晶體微納器件與芯片

 

北大在硅基上設(shè)計出來的通用的光量子計算芯片、光量子模擬芯片，已經(jīng)在南通長三角光電研究院進行孵化和推進。在常規(guī)微納光學(xué)方面，研究了光子開關(guān)、光子邏輯門、光子二極管等等。還實現(xiàn)了新型光子芯片原型，像光子邏輯芯片、光子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)芯片、拓撲光子芯片等等，都已經(jīng)往產(chǎn)業(yè)化發(fā)展推進。

 

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

 

 

圖 | 光子學(xué)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(fā)展做了很好的奠定基礎(chǔ)。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(xiàn)了微腔光梳。現(xiàn)在作為一個預(yù)研項目，在軍委支持下開展工作。微腔有很大的應(yīng)用，非常敏感，可以實現(xiàn)單病毒、單分子的無標(biāo)記、實時監(jiān)測，已經(jīng)在光電院進行產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化。

 

 

圖 | 微腔光梳與精準(zhǔn)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(zhǔn)；新型三維顯微成像技術(shù)，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(xué)生物的過程，甚至是生命過程，有非常重要的意義。已經(jīng)有樣機出來，很快會進行產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)移。

 

 

圖 | 新型三維顯微成像技術(shù)

 

光子學(xué)的主要挑戰(zhàn)

 

現(xiàn)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(yè)要發(fā)展的話，需要全面從基礎(chǔ)上來做產(chǎn)業(yè)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(xué)材料研究。

 

我們的光學(xué)晶體、非線性光學(xué)晶體，這些都是目前可以卡別人脖子的地方。

 

 

 

圖 | 光子學(xué)的研究方向

 

因為光子學(xué)是一個新興領(lǐng)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(xué)未來研究前沿，又是非常重要的應(yīng)用前景的方向。一旦突破，會對我們的產(chǎn)業(yè)有非常大的推動作用。

 

統(tǒng)計一下，北京在光子領(lǐng)域匯聚全國頂尖的科技資源，國家獎在光電子領(lǐng)域共計 15 項，占全國（40 項）總數(shù)的將近 40%，與光電有關(guān)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(dǎo)體所、物理所、微電子所、北大、清華、北郵等等，都是光學(xué)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(chǎn)業(yè)圖，實際上北京的份額占的很小。所以建議整合北京的優(yōu)勢資源，加大投入。沒有投入，就沒有產(chǎn)出。同時培養(yǎng)人才、引進人才，創(chuàng)造留住人才、用好人才的環(huán)境，是需要思考的問題。

 

關(guān)于發(fā)展目標(biāo)，一是面向光子發(fā)展前沿和國家戰(zhàn)略需求，解決我國高端光子器件發(fā)展瓶頸；二是加強產(chǎn)學(xué)研協(xié)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(lǐng)域高新技術(shù)企業(yè)，形成光子產(chǎn)業(yè)生態(tài)集群，要想辦法使它落戶在北京；四是具有自主知識產(chǎn)權(quán)的核心技術(shù)，實現(xiàn)部分關(guān)鍵材料和器件的國產(chǎn)化替代。

 

具體措施就是建設(shè)世界一流光子學(xué)研發(fā)機構(gòu)，北京要做一個大的布局，如果還是現(xiàn)在這個樣子，過了 5 年、10 年之后，在光子產(chǎn)業(yè)，也許北京還占不到一個地位。

 

 

龔旗煌履歷：

 

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

 

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

 

龔旗煌提出通過電荷快速轉(zhuǎn)移獲得超快響應(yīng)和大系數(shù)的三階非線性光學(xué)材料的新方法，實現(xiàn)了高性能超快低閾值全光開關(guān)；開拓飛秒 / 納米時空高分辨光學(xué)測量，實現(xiàn)了納微結(jié)構(gòu)超快光調(diào)控及電子態(tài)的人工調(diào)控。

 

來源：DeepTech深科技