智能时代，下一个颠覆性技术在哪里？丨光子技术篇

来源：必赢电子游戏网站 [2023-05-16 11:19:17]

自第一次工业革命起至今，人类社会发生了“从农业迈向（后）工业”体系的范式转换。而从全球科技演进史来看，人类的科技变革是由以“机-电-光-算”（机械、电路、光学、算法）为代表的底层技术推动的：过去200多年，是机械、电气（电子）的时代，但是，它们的性能现在已经发展到了极致，难以满足新一轮科技革命中人工智能、云计算、能源等核心技术-产业的需要。

世界亟待一场新的科技革命。2016年，必赢电子游戏网站创始合伙人米磊博士提出“米70定律”。米磊博士认为，光学技术会是未来科技一项非常关键基础技术，其成本会占到未来所有科技产品成本的70％。人类将迎来以集成光路为基础设施的智能化时代。

光与光子学

“光”自诞生以来，就在自然科学和社会科学层面对人类社会产生着巨大的影响。对宇宙的观测告诉我们，宇宙在爆炸的最初百分之一秒，基本粒子几乎都是光子，之后，在无数次的碰撞和交融中，宇宙才产生出电子和正电子等基本粒子。进入现代科学以来，爱因斯坦（Albert Einstein）在提出“光量子”（光子）这一概念的同时，也发现了光的“奥秘”，进而带动了实验和理论物理学在人类科学的多个领域的取得了巨大的进步。

光的物理维度

另一方面，从中国到古希腊，从春秋到中世纪，人类一直在追寻光的路上孜孜不倦：《墨经》中的小孔成像，沈括撰写的《梦溪笔谈》，伊斯兰科学家伊本·海什木（ibn·Haytham）的《光学》（Book of Optics），及笛卡尔（Rene Descartes）的《谈谈方法》（A Discourse on the Method）等名篇无不谈及光与光学。

同时，自人类文明发展伊始，人类社会同样与“光”密不可分，如农业需要阳光（植物的光合作用）、古代通信是用烽火，以及古老社会对太阳的崇拜。

光的社会维度

如今，随着光子在智能社会扮演的角色越来越重要——激光、量子光学、量子计算、可控核聚变等技术的进展背后也都离不开光学和光电子学的支撑。

基于国家自然基金F05研究方向，光学与光电子学划分为四个层级与16个细分领域：

原理、基础层的激光，光学和光电子材料；

器件、制造层的光子与光电子器件，应用光学和光电子集成技术与器件；

功能、效应层的光学信息获取、显示与处理，红外与太赫兹物理及技术、非线性光学，光谱信息学，量子光学；

应用、交叉层的空间、大气、海洋与环境光学，生物、医学光学与光子学，能源与照明光子学等。

光学与光电子学

而在这16大细分领域中，还可划分出142个子研究方向，具体参考下图。

光学和光电子学细分领域(1/2）

光学和光电子学细分领域（2/2）

我们认为，下一个时代，将会是光的时代。谁能占领光电子技术的制高点，就有机会成为第四次科技与工业革命的领航者。

向“光”而行：五大光子领域

一、信息光子

随着信息技术的发展，全球正朝着智能化和数字化的方向全面转变。为此，更小、更轻、更迅捷、更灵敏的感知、存储、运算和显示的信息技术和器件成了实现转变的重要推动力量。而作为信息载体，而相较于电子，光子具有以下五点“先天”优势：一是在传输信息时光子具有极快的响应时间。光子脉冲可以达到fs（飞秒）量级，信息速率可以达到几十个Tb/s。二是光子具有极高的信息容量，比电子高3-4个量级。采用光交互系统的新型使能技术可以实现低交换延迟和高传输带宽。三是光子具有极强的存储和计算能力，能以光速进行运算。

四是具有极强的并行和互连能力。不同波长的光可用于多路同时通信。

五是光子具有超低的能耗表现。1bit（比特）信息的能耗，光子器件比电子器件低3个数量级，仅为电子器件的千分之一。

凭借上述五点优势，光子在信息获取、信息传输、信息处理和信息显示方面拥有广大的应用空间。

01信息获取/感知

信息获取、感知方面，最为典型的案例便是人眼。最简单的眼睛结构可以探测周围环境的明暗，更复杂的眼睛结构可以提供视觉。而作为一种代替人类视觉的工具，光电传感器（又称“光传感器”）则是人类感知世界的另一种方式:1) 利用光电效应，光传感器能将光信号（红外、可见及紫外光辐射）转变成为电信号。借此，以实现检测光强、温度和分析气体成分；2) 光传感器可用以检测能转换成光量变化的其他非电量，如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度，以及物体的形状、工作状态的识别等；3) 光传感器具有信号响应速度快、能实现非接触测量、性能可靠、探测精度和分辨率高等特点；

4) 半导体光敏器件具有体积小、重量轻、功耗低、便于集成。可广泛应用于多个领域，如军事、航空航天、通信、智能产品、LED及自动化控制等。

例如，光纤具备不带电、体积小、质量轻、易弯曲、抗电磁干扰、抗辐射性能好等特性，适用于易燃易爆、空间受严格限制及强电磁干扰等恶劣环境。而光纤传感之一的功能就包含对外界信号（被测目标）的感知功能。这种“感知”实质上是外界信号对光纤中传播的光波实时调制。

02信息传输

信息载体的响应能力是决定信息速率与容量的主要因素。目前，电子脉冲脉宽最窄限度在纳秒量级。因此，在电子通信中信息速率被限定在Gb/s(109bit/s)量级。反观光子，其与电相比，信息容量要大出几个量级。此外，使用光子为信息载体，信息速率能够达到每秒几十、几百个Gb，甚至几个、几十个Tb(1012bit/s)。尽管目前光通信技术处于产能驱动快速成长期，但“光进铜退”已成为全球信息技术产业的发展趋势。在可见的未来，光通信将将会逐步取代电连接成为信息传输的终极方案。这也意味着1.6T光通信芯片、硅光模块、CPO技术、相干光模块等新技术将会面临更加广阔的市场需求。以源杰科技为例，源杰科技是一家专注于激光器光芯片（DFB、FP）的研发、生产与销售且具备芯片设计、晶圆制造、芯片加工和测试的IDM全流程业务体系的上市公司。

激光器芯片，图片来源：陕西源杰科技官网

目前，源杰科技产品覆盖10G、25G 及以上速率激光器芯片，主要应用于光通信领域。可用于数据中心的400G和800G模块，源杰科技也已取得较大的进展。

03信息计算/处理

自1965年戈登·摩尔（Gordon Moore）提出“摩尔定律”（Moore’s law）以来，摩尔定律一直是半导体行业发展的“黄金法则”。不过，随着半导体产业的迅猛发展，占据半导体产业核心位置的芯片制程已经面临着物理极限。同时，由于人工智能的飞速发展，能耗和算力问题也变得越来越紧迫。换言之，人类亟需寻找新的信息处理技术以满足智能时代高算力、低耗能的需求。而在解决算力和能耗的诸多技术路线中，光计算凭借其高并行度、高能效比和高速度在构建大规模矩阵-矩阵并行计算系统时具有巨大的优势，正逐渐走向了智能（算力）时代的核心位置。所谓光计算，指的是使用激光或二极管产生的光子进行计算，在此过程中，数据通常被表示为激光束的振幅或相位的变化，其突出优势表现在以下几个方面：

超低延迟：采用光作为传输信息媒质的新型计算技术，光子为玻色子，具有超低延迟和抗电磁干扰等特性。

高通量：光具有天然的并行处理能力以及成熟的波分复用技术，从而使数据处理能力和容量及带宽大幅度提升，单通道数据传输>1TB/s。

高能效比：无电热效应，光计算功耗低至0.01pJ运算，功耗是同算力电子芯片的1/100。换言之，相同功耗下，光子器件比电子器件快数百倍。

一般而言，光计算可以分为模拟光计算和数字光计算：

模拟光计算最典型的一个例子就是傅立叶运算，在图像处理等领域需要运用傅立叶变换相关的计算，如卷积计算。对模拟光计算而言，基于光学神经网络的矩阵运算是中短期可实现规模产业化的技术路径，切实解决AI算力需求与摩尔定律失效之间的矛盾。

数字光计算是利用光和光学器件组合形成经典的逻辑门，构建类似传统数字电子计算原理的计算系统，通过复杂的逻辑门组合操作实现计算。

具体到光计算架构而言，目前主流光计算架构按其技术路径大致可分为平面集成式和自由空间互连式两种：

平面集成式方案主要基于马赫-曾德干涉仪、微环谐振器、波导调制器等基本单元器件实现矢量-矩阵乘法、导向逻辑、伊辛机、脉冲神经网络及储备池计算等；

自由空间互连式光计算方案主要基于空间光场调制实现光学点乘、卷积、相关及光学神经网络等运算，包括斯坦佛矢量-矩阵乘法器、衍射光学神经网络、傅里叶光学滤波系统、智能超材料、阴影投影架构等。

以曦智科技于2021年发布的光计算处理器PACE（Photonic Arithmetic Computing Engine，光计算引擎）为例。PACE展示了一种可编程光学矩阵乘法器的实现方法。该系统在物理层面主要包括光芯片和电芯片，两块芯片由3D倒装堆叠的方式封装在一起；在功能层面主要包括信号输入、信号处理和信号输出三大部分。光信号在进入光芯片后，输入向量被光学调制器转化为多个光信号，这些光信号在经过可编程的光学矩阵A后，输出的光信号阵列即矩阵运算Ab的结果。在PACE中，所有的光器件都集成在一块光芯片上，而光芯片的控制电路和内存都部署在电芯片上。

PACE，图片来源：曦智科技官网

此外，光子在量子信息领域已体现了应用的优越性。不管是光量子计算还是光量子通信和光量子测量，目前都取得了一定的进展。

04信息存储

随着数据量、信息密度的激增，以及对于信噪比和误码率的要求的提升，使得高密度、大容量、轻便化的存储系统的需求越来越急切。而伴随着半导体激光器的成熟，光存储技术的优势逐步凸显。工作原理如下：在介质受到激光照射后，介质的某种性质(如反射率、反射光极化方向等)发生改变（物理或化学变化），进而将信息存储下来（存储介质性质的不同状态映射为不同的存储数据），之后，通过识别存储单元性质的变化来实现数据读取。不同于电子存储，光子除能进行一维、二维存储外，还能完成三维存储——存储容量巨大。此外，三维存储还能实现并行存取，即信息写入和读出都是“逐页”进行的，并能与运算器并行连接，由此速度很快。加之光子无电荷，既能防电磁干扰，读取准确，又不产生干扰，具有保密性。未来，随着全球数据量以指数级快速增长，低成本、超长期保存、超高密度光存储技术代表着信息存储的发展方向，而在众多路线中，全息光存储技术将有极大可能成为光存储未来的主流。

05信息显示

显示作为信息技术的重要组成部分，目前已被广发应用在通信、工业、交通、教育、航空航天医疗等各个领域。例如，主动发光显示的彩色显示技术就是利用相邻三个主动发光像素发出的三种独立的单色光进行混色后形成各种颜色，涉及的发光特指可见光。例如，20世纪50年代的阴极射线管显示技术；非主动发光技术是通过透射、反射、散射、干涉等现象，对其他光源所发出的光进行调制，例如，液晶显示技术。如今，显示技术应用范围正在不断扩大，终端硬件也将随之升级变化，显示产业正在发生深刻变革。在主动显示技术领域，Micro LED拥有自发光特性，能够生成与OLED相媲美的画面高亮度。同时，Micro LED不必担心高亮度会随着时间推移而衰减，更不必担心OLED的”烧屏”风险。

光电集成

随着超高速、超宽带、低功耗、超短时等通信和计算发展要求的不断提升，光电集成已成为突破信息系统面临的“速率”、“功耗”的重大技术趋势——超大容量超长距离光传输、数据中心光互连、片上光网络、硅基多材料混合的光电融合集成芯片和器件。

基于ONN数学模型的集成光神经网络芯片

图片来源：奇芯光电官网

近期在人工智能（大模型）的推动下，二级市场的光子及相关产业的板块收获了一波涨势，引发该现象的原因之一就在于人工智能的进一步发展需要光电芯片和器件等底层技术（器件）的突破。

未来，随着大模型的进一步发展，具备光电转换功能的高速率、低损耗的光芯片有望成为数据中心光互联底座的核心部件。因此，国内光电芯片（器件）制造企业的技术突破对于填补国内高端芯片空白至关重要。

二、能量光子

纵观历史，每一次的能源革命，都为人类带来了翻天覆地的变化，可以说从文明到生命，每一个惊人的变化后面都有对能源的使用，发展至今，尽管人类通过科技实现了诸多能源技术的突破，但对于“光”的依赖，从未改变。基于光电效应可知，当一个光子的频率大于物质的极限频率，光子将拥有足够能量来克服逸出功，使得一个电子逃逸。也正是因为“理解”了光电效应的存在，人类发明了太阳能电池（光伏）、激光等光电产品。

01高效吸收

以光伏技术（光伏电池板就是通过光子激发自由电子，产生光伏效应）为例，大致分为三个技术代际：第一代硅基太阳电池: 主要指单晶硅、多晶硅及非晶硅作为吸光层的太阳电池。不过，硅基电池晶体极限转换效率极大的限制了其未来的发展——硅太阳能电池、普通单晶硅电池、HJT电池、TOPCon电池的极限转换效率为29.40%、24.50%、27.50%、28.70%。第二代多元化合物薄膜太阳电池 :主要包括砷化镓(GaAs)、磷化铟 (InP)、铜铟镓硒(CIGS)、碲化镉 (CdTe)太阳电池。二代电池的优势在于，相比于硅属于间接跃迁型半导体材料，III-V族化合物太阳电池的直接跃迁型半导体吸光能力更强。不过，多元化合物电池的基板材料昂贵，且含有诸多稀有元素，因此不利于大规模商业化生产。于是，人类开发了第三代新型太阳电池: 主要包括钙钛矿太阳电池，染料敏化太阳电池有机太阳电池、量子点太阳电池。而在上述技术路线中，钙钛矿是非常具备前景的候选材料。

理论上讲，钙钛矿电池的极限转换效率区间在34%（单结钙钛矿）-68%（多节钙钛矿）间，总体高于晶硅电池，优势突出。此外，理论成本低、弱光响应好、温度系数更低、应用场景更多元也是钙钛矿作为第三代光伏电池的优势。

仁烁光能10MW研发中试产线

图片来源：仁烁光能官网

2021年2月，仁烁光能创造了全钙钛矿叠层里程碑式世界纪录——26.4%的转换效率，首次超越25.7%的单结钙钛矿电池。另外，该团队还一直保持着小尺寸电池效率29.0%的世界纪录。

02超快激光

基于爱因斯坦的解释，当处于低能级上的粒子（原子、分子或离子）吸收了适当频率外来能量（光）被激发而跃迁到相应的高能级上（受激吸收）后，总是力图跃迁到较低的能级去，同时将多余的能量以光子形式释放出来。如果被释放的光子则与外来的入射光子在频率、位相、传播方向等方面完全一致，这就意味着外来光得到了加强，即光被放大了——激光产生的原理。而利用激光的高强度和亮度可在1ms内能发射100J的光能量，这些“能量光子”足以使大多数材料在短时间内融化或汽化，因此可在工业制造端处理一些常规手段（高温、高压）无法处理的材料。比如，光刻、焊接、切割等——作为无接触加工方式，通过激光加工技术制造的工件具有清洁、机械损伤少、精度高等优点。

7321必赢app下载微精生产车间的飞秒激光装备

图片来源：7321必赢app下载微精

03高能激光

如果再让激光变得更强，便可在能源领域带来更大的震撼。比如，去年加州劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（LLNL：Lawrence Livermore National Laboratory）“可控核聚变点火成功”——实验目标输入2.05MJ的能量后，输出了3.15MJ的能量，能量增益达到1.53倍，人类首次在实验室环境实现可控核聚变的“净能量增益”。从技术角度来看，NIF就是用的192束激光从圆柱形靶件两端射入，在内部上形成X射线，随后让射线挤压中心的燃料靶丸，使其外表面内爆，内部氘氚燃料达到聚变条件。尽管是一项实验，但该实验结果验证了激光驱动的核聚变商业化是具备可行性的。

惯性约束原理

除了高效吸收（光伏发电）、高能光子（激光加工）、强光控制（激光系统）外，能量光子还可在节能环保（投影、照明）、超宽光谱（红外探测）等领域发挥作用。

三、光子制造

通过材料设计、制造工艺和集成技术等方式利用光子，可以跨越毫米、微米、纳米等多种尺度，进而在制造产业实现高精密、高能量、高韧性、高导电性等特性的材料、器件和设备，主要包括激光制造、光刻技术、原子制造等具有巨大的应用价值的技术。

光子制造——光刻技术

以光刻技术为例。其原理是在硅片表面覆盖一层具有高度光敏感性光刻胶，再使光线（紫外光、深紫外光或极紫外光）透过掩膜照射在硅片表面。此时，被光线照射到的光刻胶会发生化学反应。此后，用特定显影液洗去光刻胶，即实现了电路图从掩膜到硅片的转移。一般的光刻工艺要经历气相成底膜、旋转涂胶、软烘、对准与曝光、曝光后烘培、显影、坚膜烘培、显影检查八个工序，其占晶圆制造耗时的40%-50%，是晶圆制造最关键、最复杂和时间占比最高的环节。

光刻机，图片来源：网络

四、空间光子

空间光子是指利用光波作为信息的载体，对目标进行遥感、观测和探测，进而收集、储存和辨认目标信息。基于此，发展出来了高分辨可见光空间信息获取技术、光学遥感技术、空间干涉光谱成像技术、空间通信技术等。上述技术主要应用在以下几个个领域，对地观测、太空观测等。

01光学遥感技术

光学遥感是遥感技术的重要技术之一，通常是指对目标在可见光、近红外和短波红外电磁谱段进行成像观测，获取和分析被观测对象的光学特征。光学遥感系统大多使用可见光（0.3～0.7μm）、近红外（0.72～1.30μm）和短波红外（1.3～3.0μm）波段来形成地球表面的图像。近年来，随着遥感卫星种类和数量的不断增加，基于光学遥感图像的多源数据融合技术越来越被大家所重视。例如，长光卫星自主研发并发射的“吉林一号”高分02D星升空就是一高分辨光学遥感卫星，具备高分辨、大幅宽、高速数传等特点，可获取全色分辨率优于0.75m、多光谱分辨率优于3m、幅宽大于40km的高清影像。

光学A星，图片来源：长光卫星官网

02激光空间通信技术

发展至今，卫星通信技术能够发挥位置高远的优势，尤其在山区、沙漠、荒原等地面通信网不易部署的区域和战争、自然灾害等特殊场合中，卫星通信技术不可或缺。而随着空间光子的发展，激光通信技术正逐渐成为未来通信产业的重要支撑。与微波空间通信相比，激光波长比微波波长明显短，具有高度的相干性和空间定向性，这决定了卫星激光通信技术具有以下技术特点和优势：通信容量大。激光的频率比微波高3～4个数量级，频段更宽，短时间内可传输大量数据。通信速率高、功耗低。激光通信的速率能达到10Gbit/s，甚至更高；传输过程中能量集中，不易分散，功耗也比微波低。

抗干扰能力强。激光的束散角极窄，不容易被侦收和干扰。

在相同数传速率情况下，实现结构质量更轻、功耗和体积更小、投资费用更少。

卫星互联网，图片来源：网络

展望未来，激光空间通信技术有望成为未来空间产业重要的支撑力量。

五、生命光子

基于生物光子的研究，形成了生物光学、医学光学、光学成像等学科，随之在技术端也逐渐延伸出来以下几种主要技术：激光技术、纳米技术和生物技术等。

01生物光子

生物光子方面，以光遗传学为例。光遗传学曾被《自然》杂志评选为“2010年度最受关注科技成果技术”之一，其融合了光学和遗传学技术——通过遗传学方法将合适的外源光敏感蛋白靶向导入特定活细胞，利用特定波长的光照刺激光敏蛋白，调控神经元的活性，进而控制细胞乃至动物行为的开关。通过光遗传学方法，研究人员能够获关于脊髓回路的一些重要信息，并获取如嗅觉、视觉、触觉、听觉等细胞的信息反馈。同时，相较于于传统的药物注射和电刺激等手段，光遗传学技术特异性更强，灵敏性更好，毒性更低、其时间准确度可达到毫秒范围，在空间上可实现对单一细胞甚至亚细胞范围的精确控制。随着近年来脑科学逐渐成为科研和产业热点，不少大国也建立了“脑科学和类脑研究”的国家级项目或是研究计划。该类计划的一个核心方向就是打造用于全景式解析脑连接图谱和功能动态图谱的研究工具，用以解析脑连接图谱和功能动态图谱。以超维景为例，2017年，超维景研制出第一代2.2g微型化双光子显微镜，获取了小鼠在自由行为过程中大脑皮层神经元和神经突触活动的动态图像；2021年，超维景研制的第二代微型化双光子显微镜将成像视野扩大了7.8倍，具备获取大脑皮层上千个神经元功能信号的三维成像能力；今年3月，超维景助力北大团队再一次实现技术突破——微型化三光子显微镜 SUPERNOVA-3000问世，首次实现对自由行为小鼠的大脑全皮层和海马神经元功能成像。可以说，SUPERNOVA-3000 的研发成功，对于深脑成像的起到了重大意义。

双光子显微镜，图片源于：超维景

02医学光子

医学光子方面，主要包括医学光谱技术、医学成像术，新颖的激光诊断和激光医疗技术等。以光学相干断层成像技术为例，自1991年人类首次实现OCT对离体视网膜成像以来，OCT的发展十分迅速——相较于超声成像、核磁共振成像、X-射线计算机断层等技术，OCT具备更高的分辨率(几微米级)技较大的层析能力，因此，OCT对于解决透光性较差、散射较强的组织有着极佳的优势。比如，对于冠脉介入治疗，OCT借助其高分辨率的图像优势，可以提供更清晰的病变特征和支架植入情况，更精确的检测介入治疗后的血管内情况，如夹层、支架贴壁不良、组织脱垂等，且在管腔直径和面积方面的测量精度更高。以微光医疗为例。微光医疗目前拥有自主知识产权140余项，已完全自主掌握激光诊疗、光纤导管、图像处理三大核心底层技术，产品管线覆盖泛血管介入、泌尿外科、眼科等多领域，部分产品在技术创新与临床获益上均达到甚至超出全球领先水平。

Cornaris® P60，图片来源：微光医疗官网

尽管生命光子起步较晚，但考虑其能够融合创诸多学科和前沿技术，且与人类生命健康有着极大的相关性，具备极高的社会价值和经济价值，该技术的未来前景十分广阔。

欢迎“光”临，第四轮科技革命

科技发展史向我们阐述了一个道理：抓住一项时代的革命性技术，就能够成为时代的领航者。回顾人类有史以来的几次信息革命，中国都没有抢占到先机，因而错失了技术革命带来的重大历史机遇，逐渐在文明转型的国际竞争中掉队落伍。尽管在上一轮以互联网科技为代表的信息革命之中，中国涌现了大量的优秀的互联网企业，但一旦将它们放在全球视角下去看，能够抗衡国际科技巨头的中国科技企业仍是凤毛麟角。