而從全球科技演進(jìn)史來(lái)看，人類的科技變革是由以“機(jī)-電-光-算”（機(jī)械、電路、光學(xué)、算法）為代表的底層技術(shù)推動(dòng)的。
編者按：本文來(lái)自微信公眾號(hào)中科創(chuàng)星（casstars），創(chuàng)業(yè)邦經(jīng)授權(quán)發(fā)布。
(資料圖片僅供參考)
導(dǎo)語(yǔ)
自第一次工業(yè)革命起至今，人類社會(huì)發(fā)生了“從農(nóng)業(yè)邁向（后）工業(yè)”體系的范式轉(zhuǎn)換。而從全球科技演進(jìn)史來(lái)看，人類的科技變革是由以“機(jī)-電-光-算”（機(jī)械、電路、光學(xué)、算法）為代表的底層技術(shù)推動(dòng)的：過(guò)去200多年，是機(jī)械、電氣（電子）的時(shí)代，但是，它們的性能現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展到了極致，難以滿足新一輪科技革命中人工智能、云計(jì)算、能源等核心技術(shù)-產(chǎn)業(yè)的需要。
世界亟待一場(chǎng)新的科技革命。
2016年，中科創(chuàng)星創(chuàng)始合伙人米磊博士提出“米70定律”。米磊博士認(rèn)為，光學(xué)技術(shù)會(huì)是未來(lái)科技一項(xiàng)非常關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)，其成本會(huì)占到未來(lái)所有科技產(chǎn)品成本的70％。人類將迎來(lái)以集成光路為基礎(chǔ)設(shè)施的智能化時(shí)代。
01光與光子學(xué)“光”自誕生以來(lái)，就在自然科學(xué)和社會(huì)科學(xué)層面對(duì)人類社會(huì)產(chǎn)生著巨大的影響。
對(duì)宇宙的觀測(cè)告訴我們，宇宙在爆炸的最初百分之一秒，基本粒子幾乎都是光子，之后，在無(wú)數(shù)次的碰撞和交融中，宇宙才產(chǎn)生出電子和正電子等基本粒子。
進(jìn)入現(xiàn)代科學(xué)以來(lái)，愛(ài)因斯坦（Albert Einstein）在提出“光量子”（光子）這一概念的同時(shí)，也發(fā)現(xiàn)了光的“奧秘”，進(jìn)而帶動(dòng)了實(shí)驗(yàn)和理論物理學(xué)在人類科學(xué)的多個(gè)領(lǐng)域的取得了巨大的進(jìn)步。
▲光的物理維度
另一方面，從中國(guó)到古希臘，從春秋到中世紀(jì)，人類一直在追尋光的路上孜孜不倦：《墨經(jīng)》中的小孔成像，沈括撰寫的《夢(mèng)溪筆談》，伊斯蘭科學(xué)家伊本·海什木（ibn·Haytham）的《光學(xué)》（Book of Optics），及笛卡爾（Rene Descartes）的《談?wù)劮椒ā罚ˋ Discourse on the Method）等名篇無(wú)不談及光與光學(xué)。
同時(shí)，自人類文明發(fā)展伊始，人類社會(huì)同樣與“光”密不可分，如農(nóng)業(yè)需要陽(yáng)光（植物的光合作用）、古代通信是用烽火，以及古老社會(huì)對(duì)太陽(yáng)的崇拜。
▲光的社會(huì)維度
如今，隨著光子在智能社會(huì)扮演的角色越來(lái)越重要——激光、量子光學(xué)、量子計(jì)算、可控核聚變等技術(shù)的進(jìn)展背后也都離不開光學(xué)和光電子學(xué)的支撐。
基于國(guó)家自然基金F05研究方向，光學(xué)與光電子學(xué)劃分為四個(gè)層級(jí)與16個(gè)細(xì)分領(lǐng)域：
l 原理、基礎(chǔ)層的激光，光學(xué)和光電子材料；
l 器件、制造層的光子與光電子器件，應(yīng)用光學(xué)和光電子集成技術(shù)與器件；
l 功能、效應(yīng)層的光學(xué)信息獲取、顯示與處理，紅外與太赫茲物理及技術(shù)、非線性光學(xué)，光譜信息學(xué)，量子光學(xué)；
l 應(yīng)用、交叉層的空間、大氣、海洋與環(huán)境光學(xué)，生物、醫(yī)學(xué)光學(xué)與光子學(xué)，能源與照明光子學(xué)等。
▲光學(xué)與光電子學(xué)
而在這16大細(xì)分領(lǐng)域中，還可劃分出142個(gè)子研究方向，具體參考下圖。
▲光學(xué)和光電子學(xué)細(xì)分領(lǐng)域(1/2）
▲光學(xué)和光電子學(xué)細(xì)分領(lǐng)域（2/2）
我們認(rèn)為，下一個(gè)時(shí)代，將會(huì)是光的時(shí)代。誰(shuí)能占領(lǐng)光電子技術(shù)的制高點(diǎn)，就有機(jī)會(huì)成為第四次科技與工業(yè)革命的領(lǐng)航者。
02向“光”而行：5大光子領(lǐng)域信息光子隨著信息技術(shù)的發(fā)展，全球正朝著智能化和數(shù)字化的方向全面轉(zhuǎn)變。為此，更小、更輕、更迅捷、更靈敏的感知、存儲(chǔ)、運(yùn)算和顯示的信息技術(shù)和器件成了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)變的重要推動(dòng)力量。而作為信息載體，而相較于電子，光子具有以下五點(diǎn)“先天”優(yōu)勢(shì)：
l 一是在傳輸信息時(shí)光子具有極快的響應(yīng)時(shí)間。光子脈沖可以達(dá)到fs（飛秒）量級(jí)，信息速率可以達(dá)到幾十個(gè)Tb/s。
l 二是光子具有極高的信息容量，比電子高3-4個(gè)量級(jí)。采用光交互系統(tǒng)的新型使能技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)低交換延遲和高傳輸帶寬。
l 三是光子具有極強(qiáng)的存儲(chǔ)和計(jì)算能力，能以光速進(jìn)行運(yùn)算。
l 四是具有極強(qiáng)的并行和互連能力。不同波長(zhǎng)的光可用于多路同時(shí)通信。
l 五是光子具有超低的能耗表現(xiàn)。1bit（比特）信息的能耗，光子器件比電子器件低3個(gè)數(shù)量級(jí)，僅為電子器件的千分之一。
憑借上述五點(diǎn)優(yōu)勢(shì)，光子在信息獲取、信息傳輸、信息處理和信息顯示方面擁有廣大的應(yīng)用空間。
01
信息獲取/感知
信息獲取、感知方面，最為典型的案例便是人眼。最簡(jiǎn)單的眼睛結(jié)構(gòu)可以探測(cè)周圍環(huán)境的明暗，更復(fù)雜的眼睛結(jié)構(gòu)可以提供視覺(jué)。而作為一種代替人類視覺(jué)的工具，光電傳感器（又稱“光傳感器”）則是人類感知世界的另一種方式:
1) 利用光電效應(yīng)，光傳感器能將光信號(hào)（紅外、可見及紫外光輻射）轉(zhuǎn)變成為電信號(hào)。借此，以實(shí)現(xiàn)檢測(cè)光強(qiáng)、溫度和分析氣體成分；
2) 光傳感器可用以檢測(cè)能轉(zhuǎn)換成光量變化的其他非電量，如零件直徑、表面粗糙度、應(yīng)變、位移、振動(dòng)、速度、加速度，以及物體的形狀、工作狀態(tài)的識(shí)別等；
3) 光傳感器具有信號(hào)響應(yīng)速度快、能實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量、性能可靠、探測(cè)精度和分辨率高等特點(diǎn)；
4) 半導(dǎo)體光敏器件具有體積小、重量輕、功耗低、便于集成?？蓮V泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，如軍事、航空航天、通信、智能產(chǎn)品、LED及自動(dòng)化控制等。
例如，光纖具備不帶電、體積小、質(zhì)量輕、易彎曲、抗電磁干擾、抗輻射性能好等特性，適用于易燃易爆、空間受嚴(yán)格限制及強(qiáng)電磁干擾等惡劣環(huán)境。而光纖傳感之一的功能就包含對(duì)外界信號(hào)（被測(cè)目標(biāo)）的感知功能。這種“感知”實(shí)質(zhì)上是外界信號(hào)對(duì)光纖中傳播的光波實(shí)時(shí)調(diào)制。
▲圖：光纖探頭
02
信息傳輸
信息載體的響應(yīng)能力是決定信息速率與容量的主要因素。目前，電子脈沖脈寬最窄限度在納秒量級(jí)。因此，在電子通信中信息速率被限定在Gb/s(109bit/s)量級(jí)。
反觀光子，其與電相比，信息容量要大出幾個(gè)量級(jí)。此外，使用光子為信息載體，信息速率能夠達(dá)到每秒幾十、幾百個(gè)Gb，甚至幾個(gè)、幾十個(gè)Tb(1012bit/s)。
盡管目前光通信技術(shù)處于產(chǎn)能驅(qū)動(dòng)快速成長(zhǎng)期，但“光進(jìn)銅退”已成為全球信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。在可見的未來(lái)，光通信將將會(huì)逐步取代電連接成為信息傳輸?shù)慕K極方案。這也意味著1.6T光通信芯片、硅光模塊、CPO技術(shù)、相干光模塊等新技術(shù)將會(huì)面臨更加廣闊的市場(chǎng)需求。
以源杰科技為例，源杰科技是一家專注于激光器光芯片（DFB、FP）的研發(fā)、生產(chǎn)與銷售且具備芯片設(shè)計(jì)、晶圓制造、芯片加工和測(cè)試的IDM全流程業(yè)務(wù)體系的上市公司。
▲激光器芯片，圖片來(lái)源：陜西源杰科技官網(wǎng)
目前，源杰科技產(chǎn)品覆蓋10G、25G 及以上速率激光器芯片，主要應(yīng)用于光通信領(lǐng)域?？捎糜跀?shù)據(jù)中心的400G和800G模塊，源杰科技也已取得較大的進(jìn)展。
03
信息計(jì)算/處理
自1965年戈登·摩爾（Gordon Moore）提出“摩爾定律”（Moore’s law）以來(lái)，摩爾定律一直是半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展的“黃金法則”。不過(guò)，隨著半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，占據(jù)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)核心位置的芯片制程已經(jīng)面臨著物理極限。
同時(shí)，由于人工智能的飛速發(fā)展，能耗和算力問(wèn)題也變得越來(lái)越緊迫。換言之，人類亟需尋找新的信息處理技術(shù)以滿足智能時(shí)代高算力、低耗能的需求。
而在解決算力和能耗的諸多技術(shù)路線中，光計(jì)算憑借其高并行度、高能效比和高速度在構(gòu)建大規(guī)模矩陣-矩陣并行計(jì)算系統(tǒng)時(shí)具有巨大的優(yōu)勢(shì)，正逐漸走向了智能（算力）時(shí)代的核心位置。
所謂光計(jì)算，指的是使用激光或二極管產(chǎn)生的光子進(jìn)行計(jì)算，在此過(guò)程中，數(shù)據(jù)通常被表示為激光束的振幅或相位的變化，其突出優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
l 超低延遲：采用光作為傳輸信息媒質(zhì)的新型計(jì)算技術(shù)，光子為玻色子，具有超低延遲和抗電磁干擾等特性。
l 高通量：光具有天然的并行處理能力以及成熟的波分復(fù)用技術(shù)，從而使數(shù)據(jù)處理能力和容量及帶寬大幅度提升，單通道數(shù)據(jù)傳輸>1TB/s。
l 高能效比：無(wú)電熱效應(yīng)，光計(jì)算功耗低至0.01pJ運(yùn)算，功耗是同算力電子芯片的1/100。換言之，相同功耗下，光子器件比電子器件快數(shù)百倍。
一般而言，光計(jì)算可以分為模擬光計(jì)算和數(shù)字光計(jì)算：
l 模擬光計(jì)算最典型的一個(gè)例子就是傅立葉運(yùn)算，在圖像處理等領(lǐng)域需要運(yùn)用傅立葉變換相關(guān)的計(jì)算，如卷積計(jì)算。對(duì)模擬光計(jì)算而言，基于光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的矩陣運(yùn)算是中短期可實(shí)現(xiàn)規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的技術(shù)路徑，切實(shí)解決AI算力需求與摩爾定律失效之間的矛盾。
l 數(shù)字光計(jì)算是利用光和光學(xué)器件組合形成經(jīng)典的邏輯門，構(gòu)建類似傳統(tǒng)數(shù)字電子計(jì)算原理的計(jì)算系統(tǒng)，通過(guò)復(fù)雜的邏輯門組合操作實(shí)現(xiàn)計(jì)算。
具體到光計(jì)算架構(gòu)而言，目前主流光計(jì)算架構(gòu)按其技術(shù)路徑大致可分為平面集成式和自由空間互連式兩種：
l 平面集成式方案主要基于馬赫-曾德干涉儀、微環(huán)諧振器、波導(dǎo)調(diào)制器等基本單元器件實(shí)現(xiàn)矢量-矩陣乘法、導(dǎo)向邏輯、伊辛機(jī)、脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及儲(chǔ)備池計(jì)算等；
l 自由空間互連式光計(jì)算方案主要基于空間光場(chǎng)調(diào)制實(shí)現(xiàn)光學(xué)點(diǎn)乘、卷積、相關(guān)及光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等運(yùn)算，包括斯坦佛矢量-矩陣乘法器、衍射光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、傅里葉光學(xué)濾波系統(tǒng)、智能超材料、陰影投影架構(gòu)等。
以曦智科技于2021年發(fā)布的光計(jì)算處理器PACE（Photonic Arithmetic Computing Engine，光計(jì)算引擎）為例。PACE展示了一種可編程光學(xué)矩陣乘法器的實(shí)現(xiàn)方法。該系統(tǒng)在物理層面主要包括光芯片和電芯片，兩塊芯片由3D倒裝堆疊的方式封裝在一起；在功能層面主要包括信號(hào)輸入、信號(hào)處理和信號(hào)輸出三大部分。光信號(hào)在進(jìn)入光芯片后，輸入向量被光學(xué)調(diào)制器轉(zhuǎn)化為多個(gè)光信號(hào)，這些光信號(hào)在經(jīng)過(guò)可編程的光學(xué)矩陣A后，輸出的光信號(hào)陣列 即矩陣運(yùn)算Ab的結(jié)果。在PACE中，所有的光器件都集成在一塊光芯片上，而光芯片的控制電路和內(nèi)存都部署在電芯片上。
▲PACE，圖片來(lái)源：曦智科技官網(wǎng)
此外，光子在量子信息領(lǐng)域已體現(xiàn)了應(yīng)用的優(yōu)越性。不管是光量子計(jì)算還是光量子通信和光量子測(cè)量，目前都取得了一定的進(jìn)展。
04
信息存儲(chǔ)
隨著數(shù)據(jù)量、信息密度的激增，以及對(duì)于信噪比和誤碼率的要求的提升，使得高密度、大容量、輕便化的存儲(chǔ)系統(tǒng)的需求越來(lái)越急切。而伴隨著半導(dǎo)體激光器的成熟，光存儲(chǔ)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)逐步凸顯。
工作原理如下：在介質(zhì)受到激光照射后，介質(zhì)的某種性質(zhì)(如反射率、反射光極化方向等)發(fā)生改變（物理或化學(xué)變化），進(jìn)而將信息存儲(chǔ)下來(lái)（存儲(chǔ)介質(zhì)性質(zhì)的不同狀態(tài)映射為不同的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)），之后，通過(guò)識(shí)別存儲(chǔ)單元性質(zhì)的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)讀取。
不同于電子存儲(chǔ)，光子除能進(jìn)行一維、二維存儲(chǔ)外，還能完成三維存儲(chǔ)——存儲(chǔ)容量巨大。此外，三維存儲(chǔ)還能實(shí)現(xiàn)并行存取，即信息寫入和讀出都是“逐頁(yè)”進(jìn)行的，并能與運(yùn)算器并行連接，由此速度很快。加之光子無(wú)電荷，既能防電磁干擾，讀取準(zhǔn)確，又不產(chǎn)生干擾，具有保密性。
未來(lái)，隨著全球數(shù)據(jù)量以指數(shù)級(jí)快速增長(zhǎng)，低成本、超長(zhǎng)期保存、超高密度光存儲(chǔ)技術(shù)代表著信息存儲(chǔ)的發(fā)展方向，而在眾多路線中，全息光存儲(chǔ)技術(shù)將有極大可能成為光存儲(chǔ)未來(lái)的主流。
05
信息顯示
顯示作為信息技術(shù)的重要組成部分，目前已被廣發(fā)應(yīng)用在通信、工業(yè)、交通、教育、航空航天醫(yī)療等各個(gè)領(lǐng)域。
例如，主動(dòng)發(fā)光顯示的彩色顯示技術(shù)就是利用相鄰三個(gè)主動(dòng)發(fā)光像素發(fā)出的三種獨(dú)立的單色光進(jìn)行混色后形成各種顏色，涉及的發(fā)光特指可見光。例如，20世紀(jì)50年代的陰極射線管顯示技術(shù)；非主動(dòng)發(fā)光技術(shù)是通過(guò)透射、反射、散射、干涉等現(xiàn)象，對(duì)其他光源所發(fā)出的光進(jìn)行調(diào)制，例如，液晶顯示技術(shù)。
如今，顯示技術(shù)應(yīng)用范圍正在不斷擴(kuò)大，終端硬件也將隨之升級(jí)變化，顯示產(chǎn)業(yè)正在發(fā)生深刻變革。在主動(dòng)顯示技術(shù)領(lǐng)域，Micro LED擁有自發(fā)光特性，能夠生成與OLED相媲美的畫面高亮度。同時(shí)，Micro LED不必?fù)?dān)心高亮度會(huì)隨著時(shí)間推移而衰減，更不必?fù)?dān)心OLED的"燒屏"風(fēng)險(xiǎn)。
光電集成
隨著超高速、超寬帶、低功耗、超短時(shí)等通信和計(jì)算發(fā)展要求的不斷提升，光電集成已成為突破信息系統(tǒng)面臨的“速率”、“功耗”的重大技術(shù)趨勢(shì)——超大容量超長(zhǎng)距離光傳輸、數(shù)據(jù)中心光互連、片上光網(wǎng)絡(luò)、硅基多材料混合的光電融合集成芯片和器件。
▲基于ONN數(shù)學(xué)模型的集成光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)芯片
圖片來(lái)源：奇芯光電官網(wǎng)
近期在人工智能（大模型）的推動(dòng)下，二級(jí)市場(chǎng)的光子及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的板塊收獲了一波漲勢(shì)，引發(fā)該現(xiàn)象的原因之一就在于人工智能的進(jìn)一步發(fā)展需要光電芯片和器件等底層技術(shù)（器件）的突破。
未來(lái)，隨著大模型的進(jìn)一步發(fā)展，具備光電轉(zhuǎn)換功能的高速率、低損耗的光芯片有望成為數(shù)據(jù)中心光互聯(lián)底座的核心部件。因此，國(guó)內(nèi)光電芯片（器件）制造企業(yè)的技術(shù)突破對(duì)于填補(bǔ)國(guó)內(nèi)高端芯片空白至關(guān)重要。
能量光子
縱觀歷史，每一次的能源革命，都為人類帶來(lái)了翻天覆地的變化，可以說(shuō)從文明到生命，每一個(gè)驚人的變化后面都有對(duì)能源的使用，發(fā)展至今，盡管人類通過(guò)科技實(shí)現(xiàn)了諸多能源技術(shù)的突破，但對(duì)于“光”的依賴，從未改變。
基于光電效應(yīng)可知，當(dāng)一個(gè)光子的頻率大于物質(zhì)的極限頻率，光子將擁有足夠能量來(lái)克服逸出功，使得一個(gè)電子逃逸。也正是因?yàn)椤袄斫狻绷斯怆娦?yīng)的存在，人類發(fā)明了太陽(yáng)能電池（光伏）、激光等光電產(chǎn)品。
01
高效吸收
以光伏技術(shù)（光伏電池板就是通過(guò)光子激發(fā)自由電子，產(chǎn)生光伏效應(yīng)）為例，大致分為三個(gè)技術(shù)代際：
第一代硅基太陽(yáng)電池: 主要指單晶硅、多晶硅及非晶硅作為吸光層的太陽(yáng)電池。不過(guò)，硅基電池晶體極限轉(zhuǎn)換效率極大的限制了其未來(lái)的發(fā)展——硅太陽(yáng)能電池、普通單晶硅電池、HJT電池、TOPCon電池的極限轉(zhuǎn)換效率為29.40%、24.50%、27.50%、28.70%。
第二代多元化合物薄膜太陽(yáng)電池 :主要包括砷化鎵(GaAs)、磷化銦 (InP)、銅銦鎵硒(CIGS)、碲化鎘 (CdTe)太陽(yáng)電池。二代電池的優(yōu)勢(shì)在于，相比于硅屬于間接躍遷型半導(dǎo)體材料，III-V族化合物太陽(yáng)電池的直接躍遷型半導(dǎo)體吸光能力更強(qiáng)。不過(guò)，多元化合物電池的基板材料昂貴，且含有諸多稀有元素，因此不利于大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)。
于是，人類開發(fā)了第三代新型太陽(yáng)電池: 主要包括鈣鈦礦太陽(yáng)電池，染料敏化太陽(yáng)電池有機(jī)太陽(yáng)電池、量子點(diǎn)太陽(yáng)電池。而在上述技術(shù)路線中，鈣鈦礦是非常具備前景的候選材料。
理論上講，鈣鈦礦電池的極限轉(zhuǎn)換效率區(qū)間在34%（單結(jié)鈣鈦礦）-68%（多節(jié)鈣鈦礦）間，總體高于晶硅電池，優(yōu)勢(shì)突出。此外，理論成本低、弱光響應(yīng)好、溫度系數(shù)更低、應(yīng)用場(chǎng)景更多元也是鈣鈦礦作為第三代光伏電池的優(yōu)勢(shì)。
2021年2月，仁爍光能創(chuàng)造了全鈣鈦礦疊層里程碑式世界紀(jì)錄——26.4%的轉(zhuǎn)換效率，首次超越25.7%的單結(jié)鈣鈦礦電池。另外，該團(tuán)隊(duì)還一直保持著小尺寸電池效率29.0%的世界紀(jì)錄。
▲仁爍光能10MW研發(fā)中試產(chǎn)線
圖片來(lái)源：仁爍光能官網(wǎng)
02
超快激光
基于愛(ài)因斯坦的解釋，當(dāng)處于低能級(jí)上的粒子（原子、分子或離子）吸收了適當(dāng)頻率外來(lái)能量（光）被激發(fā)而躍遷到相應(yīng)的高能級(jí)上（受激吸收）后，總是力圖躍遷到較低的能級(jí)去，同時(shí)將多余的能量以光子形式釋放出來(lái)。如果被釋放的光子則與外來(lái)的入射光子在頻率、位相、傳播方向等方面完全一致，這就意味著外來(lái)光得到了加強(qiáng)，即光被放大了——激光產(chǎn)生的原理。
而利用激光的高強(qiáng)度和亮度可在1ms內(nèi)能發(fā)射100J的光能量，這些“能量光子”足以使大多數(shù)材料在短時(shí)間內(nèi)融化或汽化，因此可在工業(yè)制造端處理一些常規(guī)手段（高溫、高壓）無(wú)法處理的材料。比如，光刻、焊接、切割等——作為無(wú)接觸加工方式，通過(guò)激光加工技術(shù)制造的工件具有清潔、機(jī)械損傷少、精度高等優(yōu)點(diǎn)。
▲中科微精生產(chǎn)車間的飛秒激光裝備
圖片來(lái)源：中科微精
03
高能激光
如果再讓激光變得更強(qiáng)，便可在能源領(lǐng)域帶來(lái)更大的震撼。比如，去年加州勞倫斯·利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LLNL：Lawrence Livermore National Laboratory）“可控核聚變點(diǎn)火成功”——實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)輸入2.05MJ的能量后，輸出了3.15MJ的能量，能量增益達(dá)到1.53倍，人類首次在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境實(shí)現(xiàn)可控核聚變的“凈能量增益”。
從技術(shù)角度來(lái)看，NIF就是用的192束激光從圓柱形靶件兩端射入，在內(nèi)部上形成X射線，隨后讓射線擠壓中心的燃料靶丸，使其外表面內(nèi)爆，內(nèi)部氘氚燃料達(dá)到聚變條件。盡管是一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，但該實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了激光驅(qū)動(dòng)的核聚變商業(yè)化是具備可行性的。
▲慣性約束原理
除了高效吸收（光伏發(fā)電）、高能光子（激光加工）、強(qiáng)光控制（激光系統(tǒng)）外，能量光子還可在節(jié)能環(huán)保（投影、照明）、超寬光譜（紅外探測(cè)）等領(lǐng)域發(fā)揮作用。
光子制造
通過(guò)材料設(shè)計(jì)、制造工藝和集成技術(shù)等方式利用光子，可以跨越毫米、微米、納米等多種尺度，進(jìn)而在制造產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)高精密、高能量、高韌性、高導(dǎo)電性等特性的材料、器件和設(shè)備，主要包括激光制造、光刻技術(shù)、原子制造等具有巨大的應(yīng)用價(jià)值的技術(shù)。
光子制造——光刻技術(shù)
以光刻技術(shù)為例。其原理是在硅片表面覆蓋一層具有高度光敏感性光刻膠，再使光線（紫外光、深紫外光或極紫外光）透過(guò)掩膜照射在硅片表面。此時(shí)，被光線照射到的光刻膠會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。此后，用特定顯影液洗去光刻膠，即實(shí)現(xiàn)了電路圖從掩膜到硅片的轉(zhuǎn)移。
一般的光刻工藝要經(jīng)歷氣相成底膜、旋轉(zhuǎn)涂膠、軟烘、對(duì)準(zhǔn)與曝光、曝光后烘培、顯影、堅(jiān)膜烘培、顯影檢查八個(gè)工序，其占晶圓制造耗時(shí)的40%-50%，是晶圓制造最關(guān)鍵、最復(fù)雜和時(shí)間占比最高的環(huán)節(jié)。
▲光刻機(jī)，圖片來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)
空間光子
空間光子是指利用光波作為信息的載體，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行遙感、觀測(cè)和探測(cè)，進(jìn)而收集、儲(chǔ)存和辨認(rèn)目標(biāo)信息。基于此，發(fā)展出來(lái)了高分辨可見光空間信息獲取技術(shù)、光學(xué)遙感技術(shù)、空間干涉光譜成像技術(shù)、空間通信技術(shù)等。上述技術(shù)主要應(yīng)用在以下幾個(gè)個(gè)領(lǐng)域，對(duì)地觀測(cè)、太空觀測(cè)等。
01
光學(xué)遙感技術(shù)
光學(xué)遙感是遙感技術(shù)的重要技術(shù)之一，通常是指對(duì)目標(biāo)在可見光、近紅外和短波紅外電磁譜段進(jìn)行成像觀測(cè)，獲取和分析被觀測(cè)對(duì)象的光學(xué)特征。光學(xué)遙感系統(tǒng)大多使用可見光（0.3～0.7μm）、近紅外（0.72～1.30μm）和短波紅外（1.3～3.0μm）波段來(lái)形成地球表面的圖像。
近年來(lái)，隨著遙感衛(wèi)星種類和數(shù)量的不斷增加，基于光學(xué)遙感圖像的多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)越來(lái)越被大家所重視。例如，長(zhǎng)光衛(wèi)星自主研發(fā)并發(fā)射的“吉林一號(hào)”高分02D星升空就是一高分辨光學(xué)遙感衛(wèi)星，具備高分辨、大幅寬、高速數(shù)傳等特點(diǎn)，可獲取全色分辨率優(yōu)于0.75m、多光譜分辨率優(yōu)于3m、幅寬大于40km的高清影像。
▲光學(xué)A星，圖片來(lái)源：長(zhǎng)光衛(wèi)星官網(wǎng)
02
激光空間通信技術(shù)
發(fā)展至今，衛(wèi)星通信技術(shù)能夠發(fā)揮位置高遠(yuǎn)的優(yōu)勢(shì)，尤其在山區(qū)、沙漠、荒原等地面通信網(wǎng)不易部署的區(qū)域和戰(zhàn)爭(zhēng)、自然災(zāi)害等特殊場(chǎng)合中，衛(wèi)星通信技術(shù)不可或缺。而隨著空間光子的發(fā)展，激光通信技術(shù)正逐漸成為未來(lái)通信產(chǎn)業(yè)的重要支撐。
與微波空間通信相比，激光波長(zhǎng)比微波波長(zhǎng)明顯短，具有高度的相干性和空間定向性，這決定了衛(wèi)星激光通信技術(shù)具有以下技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)：
l 通信容量大。激光的頻率比微波高3～4個(gè)數(shù)量級(jí)，頻段更寬，短時(shí)間內(nèi)可傳輸大量數(shù)據(jù)。
l 通信速率高、功耗低。激光通信的速率能達(dá)到10Gbit/s，甚至更高；傳輸過(guò)程中能量集中，不易分散，功耗也比微波低。
l 抗干擾能力強(qiáng)。激光的束散角極窄，不容易被偵收和干擾。
l 在相同數(shù)傳速率情況下，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)質(zhì)量更輕、功耗和體積更小、投資費(fèi)用更少。
▲衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)，圖片來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)
展望未來(lái)，激光空間通信技術(shù)有望成為未來(lái)空間產(chǎn)業(yè)重要的支撐力量。
生命光子
基于生物光子的研究，形成了生物光學(xué)、醫(yī)學(xué)光學(xué)、光學(xué)成像等學(xué)科，隨之在技術(shù)端也逐漸延伸出來(lái)以下幾種主要技術(shù)：激光技術(shù)、納米技術(shù)和生物技術(shù)等。
01
生物光子
生物光子方面，以光遺傳學(xué)為例。光遺傳學(xué)曾被《自然》雜志評(píng)選為“2010年度最受關(guān)注科技成果技術(shù)”之一，其融合了光學(xué)和遺傳學(xué)技術(shù)——通過(guò)遺傳學(xué)方法將合適的外源光敏感蛋白靶向?qū)胩囟ɑ罴?xì)胞，利用特定波長(zhǎng)的光照刺激光敏蛋白，調(diào)控神經(jīng)元的活性，進(jìn)而控制細(xì)胞乃至動(dòng)物行為的開關(guān)。
通過(guò)光遺傳學(xué)方法，研究人員能夠獲關(guān)于脊髓回路的一些重要信息，并獲取如嗅覺(jué)、視覺(jué)、觸覺(jué)、聽覺(jué)等細(xì)胞的信息反饋。同時(shí)，相較于于傳統(tǒng)的藥物注射和電刺激等手段，光遺傳學(xué)技術(shù)特異性更強(qiáng)，靈敏性更好，毒性更低、其時(shí)間準(zhǔn)確度可達(dá)到毫秒范圍，在空間上可實(shí)現(xiàn)對(duì)單一細(xì)胞甚至亞細(xì)胞范圍的精確控制。
隨著近年來(lái)腦科學(xué)逐漸成為科研和產(chǎn)業(yè)熱點(diǎn)，不少大國(guó)也建立了“腦科學(xué)和類腦研究”的國(guó)家級(jí)項(xiàng)目或是研究計(jì)劃。該類計(jì)劃的一個(gè)核心方向就是打造用于全景式解析腦連接圖譜和功能動(dòng)態(tài)圖譜的研究工具，用以解析腦連接圖譜和功能動(dòng)態(tài)圖譜。
以超維景為例，2017年，超維景研制出第一代2.2g微型化雙光子顯微鏡，獲取了小鼠在自由行為過(guò)程中大腦皮層神經(jīng)元和神經(jīng)突觸活動(dòng)的動(dòng)態(tài)圖像；2021年，超維景研制的第二代微型化雙光子顯微鏡將成像視野擴(kuò)大了7.8倍，具備獲取大腦皮層上千個(gè)神經(jīng)元功能信號(hào)的三維成像能力；今年3月，超維景助力北大團(tuán)隊(duì)再一次實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破——微型化三光子顯微鏡 SUPERNOVA-3000問(wèn)世，首次實(shí)現(xiàn)對(duì)自由行為小鼠的大腦全皮層和海馬神經(jīng)元功能成像?？梢哉f(shuō)，SUPERNOVA-3000 的研發(fā)成功，對(duì)于深腦成像的起到了重大意義。
▲雙光子顯微鏡，圖片源于：超維景
02
醫(yī)學(xué)光子
醫(yī)學(xué)光子方面，主要包括醫(yī)學(xué)光譜技術(shù)、醫(yī)學(xué)成像術(shù)，新穎的激光診斷和激光醫(yī)療技術(shù)等。
以光學(xué)相干斷層成像技術(shù)為例，自1991年人類首次實(shí)現(xiàn)OCT對(duì)離體視網(wǎng)膜成像以來(lái)，OCT的發(fā)展十分迅速——相較于超聲成像、核磁共振成像、X-射線計(jì)算機(jī)斷層等技術(shù)，OCT具備更高的分辨率(幾微米級(jí))技較大的層析能力，因此，OCT對(duì)于解決透光性較差、散射較強(qiáng)的組織有著極佳的優(yōu)勢(shì)。
比如，對(duì)于冠脈介入治療，OCT借助其高分辨率的圖像優(yōu)勢(shì)，可以提供更清晰的病變特征和支架植入情況，更精確的檢測(cè)介入治療后的血管內(nèi)情況，如夾層、支架貼壁不良、組織脫垂等，且在管腔直徑和面積方面的測(cè)量精度更高。
以微光醫(yī)療為例。微光醫(yī)療目前擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)140余項(xiàng)，已完全自主掌握激光診療、光纖導(dǎo)管、圖像處理三大核心底層技術(shù)，產(chǎn)品管線覆蓋泛血管介入、泌尿外科、眼科等多領(lǐng)域，部分產(chǎn)品在技術(shù)創(chuàng)新與臨床獲益上均達(dá)到甚至超出全球領(lǐng)先水平。
▲Cornaris? P60，圖片來(lái)源：微光醫(yī)療官網(wǎng)
盡管生命光子起步較晚，但考慮其能夠融合創(chuàng)諸多學(xué)科和前沿技術(shù)，且與人類生命健康有著極大的相關(guān)性，具備極高的社會(huì)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值，該技術(shù)的未來(lái)前景十分廣闊。
03歡迎“光”臨，第四輪科技革命科技發(fā)展史向我們闡述了一個(gè)道理：抓住一項(xiàng)時(shí)代的革命性技術(shù)，就能夠成為時(shí)代的領(lǐng)航者。
回顧人類有史以來(lái)的幾次信息革命，中國(guó)都沒(méi)有搶占到先機(jī)，因而錯(cuò)失了技術(shù)革命帶來(lái)的重大歷史機(jī)遇，逐漸在文明轉(zhuǎn)型的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中掉隊(duì)落伍。盡管在上一輪以互聯(lián)網(wǎng)科技為代表的信息革命之中，中國(guó)涌現(xiàn)了大量的優(yōu)秀的互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)，但一旦將它們放在全球視角下去看，能夠抗衡國(guó)際科技巨頭的中國(guó)科技企業(yè)仍是鳳毛麟角。
如今，全球進(jìn)入“后摩爾時(shí)代”，新一輪的科技革命也在蓄勢(shì)待發(fā)，機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存。在一大批潛在顛覆性技術(shù)里，光子所具有的高速度、低耗能、工藝技術(shù)相對(duì)成熟等優(yōu)勢(shì)，無(wú)疑將會(huì)成為本輪革命的焦點(diǎn)之一。
當(dāng)前，科技大國(guó)與國(guó)際科技巨頭目前都已投入大量資源對(duì)光子進(jìn)行研發(fā)，并在半導(dǎo)體制造、光伏、人工智能及量子計(jì)算等多個(gè)重要領(lǐng)域開拓了大量新應(yīng)用。
反觀中國(guó)，我們要實(shí)現(xiàn)新的超越，就應(yīng)該抓住光子革命的重要機(jī)遇，大力發(fā)展光子技術(shù)與產(chǎn)業(yè)，助力我國(guó)抓住新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的機(jī)遇，實(shí)現(xiàn)“非對(duì)稱趕超”，更加硬氣地引領(lǐng)全球邁向新的文明世界。
參考資料：
1.光學(xué)和光電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究報(bào)告.中科創(chuàng)星行研部
2.2023光子白皮書.中科創(chuàng)星
3.瞭望｜光子芯片，能否讓中國(guó)“換道超車”？.米磊
4.鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，光伏投資的下一個(gè)戰(zhàn)場(chǎng)？中科創(chuàng)星
5.《主動(dòng)發(fā)光顯示技術(shù)/非主動(dòng)發(fā)光顯示技術(shù)》.馬群剛、王保平等編著
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