中国大陆光子家当规模和产量已领先于欧洲、北美、日本、韩国和中国台湾地区，家当规模位列环球第一
新一代信息家当已经催生了人工智能、物联网、5G、大数据中央等浩瀚成熟的新运用处景，为光电子技能率先打破供应了强大的需求牵引。我国拥有环球领先的光电子运用处景，这是我国光电子有条件实现率先打破的独特上风
近几年，我国光电子技能在信息获取、信息传输、信息处理、信息存储和信息显示等环节均取得了较大进展
光电子技能基于强大的物理属性上的上风，将接力集成电路技能路线，成为未来信息处理和打算的主流技能路线
文 | 米磊
当前新一轮科技革命发达发展，光子技能、量子打算、脑科学、合成生物、可控核聚变、人工智能、物联网、大数据、5G等多种技能纷纭呈现，准确识别出具有革命性、根本性、计策性的技能并率先在环球实现打破，成为大国竞争的关键之一。
当现代界正经历百年未有之大变局，中国在芯片领域的科技研发中，一方面须要咬定青山不放松，在相对掉队的电子芯片（集成电路）方向持续追赶；另一方面，可以集中力量投入资源，前瞻性地发展光电子芯片（集成光路），开辟新赛道，争取形成技能竞争新上风。
这是由于，光电子技能作为21世纪的计策性、根本性、先导性的高技能，能够广泛运用于人工智能、5G、量子信息、激光武器、基因测序、脑科学等浩瀚新兴家当领域。我国光电子技能根本雄厚，拥有独特的上风，具备条件率先实现打破。
中国为什么有条件率先打破
一项技能、家当能否率先实现打破，受技能发展根本、技能积累韶光差、新旧利益格局、人才军队、家当根本、市场规模等多种成分影响，是这些成分共同浸染的结果。综合这几方面的情形来看，我国光电子技能和家当应具有率先打破的根本。
从技能发展根本来看，光电子是新一轮科技革命中非常有可能实现率先打破的革命性技能。
从物理学最基本的要向来看，历次科技革命都是在物质、信息、空间、生命和能量等五大方向上持续爆发革命性技能。从技能演进趋势来看，人类技能变革是沿着机器、电路、光学、算法的路径演进。从现实情形看，20世纪是电的世纪，以集成电路为底层技能的信息家当革命极大地促进了人类经济社会的发展。进入21世纪，集成电路性能趋近于物理极限，已经难以持续知足人类社会信息获取、信息传输、信息处理、信息存储和信息显示的高速增长需求，经济社会发展呼唤更前辈的技能路线。光电子技能依托其超高速率、超强并行性、超高带宽、超低损耗等物理属性上的上风，在传输速率、信息容量、打算速率、能耗等方面的性能将提升1000倍，能够成为新一代信息家当的根本举动步伐和底层技能支撑。目前，新一代信息家当已经催生了人工智能、物联网、5G、大数据中央等浩瀚成熟的新运用处景，为光电子技能率先打破供应了强大的需求牵引。
从技能积累韶光差来看，欧美国家起步早的技能，我国追赶超越的难度大。反之，与欧美起步韶光差距越小的技能，我国越具备率先打破的根本条件。
发展以硬科技为代表的主导技能须要永劫光的积累，持续不断的工程履历积累和家当运用生态造就至关主要，须要完全经历“从零到一”“从一到百”的升级迭代过程。在发动机、涡轮机、根本材料化学等技能领域，欧美国家拥有上百年的先发上风。上一轮科技革命中的半导体技能，欧美国家拥有数十年的先发上风，且形成了集成电路技能生态、家当生态和运用生态。但在光学技能领域，我国基本与美西方处于同一起跑线，特殊是环球光电子家当生态和运用生态还未形成，我国有机会形成以中国为主导的生态体系，实现全面引领。
重新旧利益格局来看，新旧技能的利益博弈是新技能推广落地的一大影响成分。
旧有技能既得利益者由于多年的技能积累和巨大的资金投入，不愿意舍弃在传统技能上的既得利益，有可能“雪藏”最前辈的技能或推迟最前辈技能的家当化。目前，在光电子领域，欧美发达国家同样面临新旧技能的利益博弈，很多巨子仍想守住集成电路领域的既得利益而不愿推动光电子技能。与之比较，中国在集成电路领域没有既得利益的包袱，更乐意发展新技能，这就为我国光电子芯片率先打破供应了条件。
从家当根本来看，我国拥有环球规模最大的光电子信息家当。
2020年光子学市场数据和行业剖析报告显示，中国光子家当的环球市场份额从2005年的10%增长到2019年的30%，光子家当复合增长率保持着10%以上的高增长速率。中国大陆光子家当规模和产量已领先于欧洲、北美、日本、韩国和中国台湾地区，家当规模位列环球第一。巨大的家当规模能够产生巨大的规模效应、市场带动效应。我国依赖自身市场规模和运用处景有能力有条件打造海内光电子家当内循环体系，并以此为根本以海内循环带动国际市场循环。
从市场根本来看，我国拥有环球领先的光电子运用处景，这是我国光电子有条件实现率先打破的独特上风。
科技强终极的落脚点是家当强，一项技能再前辈、再领先，没有运用处景的支撑，也难以产生实际的浸染。我国人工智能、物联网、聪慧城市、5G通信等领域发展迅速，为光电子供应了广泛的运用处景。运用处景的领先，能够支撑我国光电子技能的持续迭代升级，引发强大的技能迭代活力，从而为引领环球光电子信息家当变革供应了条件。
不雅观众在第十八届“中国光谷”国际光电子展览会上参不雅观（2021年10月27日摄） 伍志尊摄/本刊
哪些领域有打破
近几年，我国光电子技能在信息获取、信息传输、信息处理、信息存储和信息显示等环节均取得了较大进展。
在信息获取领域，我国呈现出炬光科技、摩尔芯光、瑞识智能、唐晶量子、洛微科技、速腾聚创等一批光传感领域的高精尖特企业，在激光雷达科研和技能上不断取得打破。中国科学技能大学科研团队在相关测风激光雷达方面实现重大打破，首次实现3米和0.1秒的环球最高时空分辨率的高速风场不雅观测。洛微科技2021年发布的第二代FMCWSoC光子芯片，是目前环球单颗芯片集成度最高的硅光芯片之一。法国市场调查公司Yole Développement发布的《2021年汽车与工业领域激光雷达运用报告》中，中国5家企业的市场运用份额进入环球前十。尤其值得把稳的是，我国激光雷达企业与汽车厂家已经形成高度结合的良性循环生态，家当运用生态业已形成。
在信息传输领域，我国实现了领先发展。在环球光网络传输速率从100G向200G/400G提升的过程中，华为于2020年发布了环球首款800G可调超高速光模块，单纤容量达到48T，比业界方案赶过40%，传输间隔也比业界提升了20%。2021年，国家信息光电子创新中央、鹏城实验室、中国信息通信科技集团光纤通信技能和网络国家重点实验室、武汉光迅科技株式会社，在海内率先完成了1.6Tb/s硅基光收芯片的联合研制和功能验证，实现了我国硅光芯片技能向Tb/s级的首次超过。
在信息处理领域，我国全面着花。中国科学技能大学潘建伟团队与中科院上海微系统与信息技能研究所、国家并行打算机工程技能研究中央互助，成功构建113个光子144模式的量子打算原型机“九章二号”，求解数学算法高斯玻色取样只需200秒，比日本富岳超级打算机速率快了近100万亿倍，比美国悬铃木量子打算机速率快了100亿倍。中国科学技能大学郭光灿团队在光量子芯片领域取得重大进展，首次在拓扑保护光子晶体芯片中实现量子干涉，推动了我国光量子芯片量产进程。北京大学王兴军教授团队近日在光子集成芯片和微系统方面取得了重大打破，办理了由集成微腔光梳驱动的新型硅基光电子片上集成系统的难题。由中科院西安光学精密机器研究所赵卫研究员领衔的大规模光子集成芯片B类先导专项，致力于开拓集成器件大于2000的大规模光子集成芯片，并终极实现了15408个器件的大规模集成，集成规模天下领先。在光子打算芯片家当化方面，曦智科技设计出了环球首款光子打算芯片原型板卡，最新的单个芯片可集成12000个光子元器件，在研的光电稠浊AI打算芯片，性能有望超越主流前辈制程电子芯片英伟达A103到5倍。
在光存储方面，郭光灿团队在光量子存储领域取得主冲要破，将光存储韶光提升至1小时，大幅度刷新了2013年德国团队光存储1分钟的天下记录。近日该团队李传锋、周宗权研究组基于自主加工的激光直写波导，实现了光子偏振态的可集成固态量子存储，存储保真度高达99.4±0.6%，显著推进了可集成量子存储器在量子网络中的运用。
在光显示领域，我国激光显示关键材料、器件与运用技能不断取得打破。在光源设计、光机模组、整机设计等关键技能方面实现了领先；在激光器、成像芯片、镜头等核心部件的研发方面正快速缩短与国外的差距；在整机制造方面，中国企业已经探索出了成熟的技能，积累了相称的履历。中国工程院院士许祖彦、中科激光总工程师毕勇领导的中国科研团队，创造性地提出了红绿蓝三基色半导体激光显示观点，技能跻身环球第一梯队。赛富乐斯公司推出的4英寸半极性氮化镓材料，良率高达95%，成为环球首家可以量产工业级半极性氮化镓材料的硬科技企业，公司还成功点亮半极性绿光LED芯片，办理了下一代显示屏幕MicroLED的色彩问题。2021年10月，赛富乐斯成功开拓了像素尺寸为2微米的全彩MicroLED阵列，取得了AR显示领域的一次重大打破，成为业界唯一一款批量在售的量子点MicroLED芯片，在环球率先实现这一技能从实验室成功走向商业化。
对环球芯片格局的影响
根据国际半导体家当协会的分类，环球半导体紧张分为四类，分别是集成电路、光电子、分立器件及传感器。光电子芯片对电子芯片是一种升级的关系，这种关系使两者存在多种形态的竞争，如果我国光电子芯片取得打破，将对环球芯片格局产生多方面的影响。
一是光电子芯片可在电子芯片性能碰着瓶颈的领域形成替代。
传统电子芯片的紧张运用处景是在信息处理和打算领域。美国经由数十年的积累，在环球信息处理和打算领域拥有掌握力，拥有英特尔、英伟达、高通、超微半导体等一大批环球处理器龙头企业。无论是电脑、电视、手机、汽车电子产品等底层芯片，还是基于芯片衍生的软件、操作系统等，美首都把控着环球消费电子的“命门”。随着经济社会发展对算力的需求持续增加，以及集成电路物理属性将达到极限限定，摩尔定律算力供给已经难以知足未来AI对算力的需求。过去10年，AI领域对算力的需求增长超过了30万倍，未来人类社会对算力的需求仍将连续增长，这将推动环球信息处理和打算领域的变革升级。光电子技能基于强大的物理属性上的上风，将接力集成电路技能路线，成为未来信息处理和打算的主流技能路线。
二是未来信息家当新增市场更多依赖光电子芯片，环球半导体内部格局将重塑。
信息时期的根本举动步伐是电子芯片，人工智能时期将更多地依托光子芯片。2021年环球半导体市场规模为5560亿美元，个中集成电路市场规模为4630.02亿美元，占环球半导体市场规模的83.29%；光电子芯片市场规模为434.04亿美元，占环球半导体市场规模的7.81%。从当前环球半导体市场格局来看，集成电路在环球半导体市场中仍旧霸占主导地位。但是用发展的眼力来看，随着人工智能、物联网、AR/VR、大数据中央等新兴家当的崛起，光打算、光传感、光显示、光存储等技能需求将迎来爆发式增长，如打算领域的AI光子打算芯片，传感领域的激光雷达、手机3D感测VCSEL芯片，存储领域的全息光存储，显示领域的AR光波导芯片等，都是智能时期的新增市场，只能用光电子芯片来办理。因此，光电子芯片在环球半导体市场中的占比势必将大幅提升，以光电子芯片为底层支撑的“消费光子”也将逐渐取代以集成电路为支撑的“消费电子”，成为环球信息家当的“主沙场”，为一些国家创造“换道超车”机遇。
三是光电子芯片打破后，环球半导体竞争将形成相互制约的格局。
美国对环球信息家当的掌握力和影响力，来源于其捉住了信息家当的底层技能——集成电路，节制了芯片设计、研发、制造的核心能力，并由此带动下贱家当发展，形成了从底层技能到芯片制造再到下贱家当链的完百口当生态，由此构建了以美国为中央，逐渐向环球扩散的环球半导体格局。当前，在环球范围内，光电子芯片的核心技能壁垒还未形成。我国在光电子芯片运用处景上的上风，能够反向牵引我国光电子技能的持续迭代升级。我国有望在人工智能时期打造出以中国为中央，逐渐向环球扩散的光电子芯片格局，在新的赛道中霸占主导地位。
在中国国际工业展览会上展出的卫星模型（2020年9月15日摄） 张建松摄/本刊
经济的新领域新赛道
得未来者得天下，未来环球家当制高点的竞争领域之一便是光电子领域。集成电路是信息家当的根本举动步伐，光电子芯片是人工智能、物联网、5G、无人驾驶、元宇宙等未来家当的根本家当和根本举动步伐。光电子芯片是根本性、引领性家当，是未来家傍边的“根技能”。正如位于底层的集成电路支撑起数万亿美元市场规模的硬件家当，带动数十万亿美元市场规模的互联网和大数据家当，未来，光电子技能作为革命性的“根技能”，将能够催生数万亿美元级市场规模的“树干”家当，带动数十万亿美元市场规模的“叶”经济，成为未来环球经济增长的新动力和主沙场。光电子家当也能够为我国经济发展开辟浩瀚新领域新赛道，助力我国形成新上风。
一是光电子芯片将催生千亿美元级直接市场，带动万亿美元级的5G和数据中央家当。
25GDFB激光器芯片是5G的根本。根据光通信行业市场调研机构LightCounting的测算，2021年环球25G及以上光芯片市场规模为107.55亿元。当前，我国25G光芯片国产率约为20%，25G以上光芯片国产率仅为5%。未来25G及以上速率芯片的打破，能够为我国带来近百亿元的直接市场规模，支撑近万亿元的5G家当发展。《中国5G家当发展前景预测与家当链投资机会剖析报告》中的数据显示，到2030年5G带动的直接产出和间接产出将分别达到6.3万亿元和10.6万亿元。随着5G家傍边孕育的未来家当逐渐崛起，反过来又将进一步支撑光电子芯片的市场规模向千亿级迈进。根据英国市场研究公司Technavio的预测，到2025年环球数据中央市场规模将达到5193.4亿美元，届时硅光芯片的直接市场规模也将得到巨大增长。
二是光电子芯片将催生万亿级卫星互联家当。
传统地面通信由于物理空间的限定无法覆盖环球，与之比较，卫星互联网技能作为一种颠覆性通信技能能够供应环球网络覆盖。特殊因此激光通信为根本的星间激光链路和星间信息传输，将成为卫星互联网未来的主沙场，它将成为低轨卫星网络的标配荷载和根本。卫星激光通信技能作为底层技能，能够带动太空通信家当的崛起。目前环球家当龙头正在加快布局，如美国太空探索技能公司（SpaceX）的“星链”操持拟共计发射4.2万颗卫星组建环球卫星互联网。2021年底，SpaceX已首次在“星链”卫星上利用了激光通信设备，并操持在未来发射的所有“星链”卫星中都配备星间激光链路。环球商业航天企业方案的未来发射的卫星数量大约为6万颗，一旦各种卫星组网成功，星间链路建成后，激光通信将成为卫星通信的主航道，孕育万亿级的市场规模。
三是光电子芯片将孕育万亿级的光打算家当，催生数十万亿的“消费光子”家当。
根据国际半导体家当协会的统计数据，2021年环球集成电路市场规模为4630.02亿美元。按照1元根本电路产值带动10元电子产品产值和100元国民经济的增长，集成电路带动了环球约4.6万亿美元的消费电子家当，带动了环球46万亿美元的经济增长。未来，随着光打算芯片取得打破并逐渐取代电子芯片，将催生万亿美元级的光子打算芯片家当，撬动下贱数十万亿美元的“消费光子”家当。这对重塑环球信息家当格局具有计策意义。
四是光电子芯片将催生万亿美元级元宇宙家当。
光电子芯片能够知足元宇宙的信息输入和输出需求，是实现人与机器、虚拟与现实信息互换的接口。彭博行业研究报告估量，元宇宙将在2024年达到8000亿美元市场规模。普华永道估量，元宇宙市场规模在2030年将达到1.5万亿美元。从当前来看，VR、AR及MicroLED是未来元宇宙的紧张沙场。根据数据剖析公司Statista发布的报告，2018年环球AR/VR市场规模为267亿美元，估量到2025年将达到8147亿美元，2019年至2025年复合增长率为63.01%。
五是光电子技能能够催生光传感等诸多新领域。
光电子技能作为信息获取的底层技能，能够支撑激光雷达、垂直腔面激光器（VCSEL）、3D传感等技能发展。在消费光子、红外成像、无人驾驶、光探测、光感知等领域，能够催生一大批新的市场运用，涵盖军事、国防、深空探测、机器视觉、科学仪器、量子通信、工业化自动化，以及机场、地铁、海关等危险爆炸物检测等。固态激光雷达将在无人驾驶、安防、机器人、工业运用、物联网等行业有着广泛的运用。
此外，光电子芯片在精密制造、生命科学以及国防军工等领域，也将催生浩瀚运用市场。如在精密制造领域的超快激光加工技能，生命科学领域的基因测序、脑科学、神经网络、医疗诊断等方面，国防军工领域的高超音速导弹、激光武器等方面，均会有广泛运用。
创新主动权、发展主动权必须牢牢节制在自己手中。未来，在国家计策级的支配和中国光电人的努力下，我国一定能够赢得光电子芯片的主动权，率先打造出世界级的光电子科技创新体集群。中国未来将迎着希望之光，率先迈进人类社会的“光子时期”。 （作者为陕西光电子先导院实行院长）
