中科院院士龚旗煌最新解读，一文读懂光子产业的布局与未来

点击：作者：平越来源：DeepTech深科技发布时间:2020-11-29 09:16:32

"科学没有国界，但是科学家有祖国。" 这是钱学森等老一代科学家留给我们最宝贵的精神财富。正是因为有了这样的信条，他们才能冲破重重阻力回到新中国，把自己的才华、青春甚至生命都奉献给了这片土地。而这句话，也是中国科学院院士龚旗煌在接受采访时最喜欢引用的一句话。

图 | 龚旗煌院士

11 月 24 日，龚旗煌在 “2020 中国光子产业高峰论坛” 活动上，发表了题为《光子的未来》的主旨报告。

在报告中，龚旗煌警示，现在大家都在讲 “卡脖子”，实际上，不仅仅是脖子被卡，手也被卡、脚也被卡。他认为，光子行业要发展的话，需要全面从基础上来做产业提升。

同时，龚旗煌指出，中国在光子学方面进展迅速，目前已经有可以卡别人脖子的研究突破，如光学晶体、非线性光学晶体等。

如今，北京已经成为全国光子领域的顶尖科技资源汇聚地，国家奖在光电子领域共计 15 项，占全国（40 项）总数的将近 40%，与光电有关的中科院两院院士 12 位，在北京占到了全国的三分之一。可惜的是，北京的光子产业做的不好。龚旗煌建议整合北京的优势资源，加大投入，建设世界一流光子学研发机构。

以下为现场报告内容，经过不改变原意的编辑和整理。

光子学的重要意义

光子学一词最早出现于 1970 年，荷兰科学家 Poldervaart 首次提出 Photonics 概念：“研究以光子为信息载体的科学” 和 “以光子作为能量载体的科学”。钱学森认为，光子学是与电子学平行的科学，应遵循 “光子学 — 光子技术 — 光子工业” 的发展模式。1994 年的香山会议，明确给光子学一个定义，即研究作为信息和能量载体的光子行为及其应用的科学，广义地讲，光子学是关于光子及其应用的科学。

在中国的光子学历史上，王大珩先生很有创意性地在中国学科上建了一个光学工程，它是和数理化一样的一级学科，光子学可以约等于光电子的概念。

上世纪 60 年代，激光出现之后，平均每三年就有一个诺贝尔奖颁给光子学的成果，不仅仅在物理学奖，甚至化学奖、生理学或医学奖，都是用光子学的技术做了很多的工作。所以在 2018 年，联合国教科文组织把 5 月 16 号定义为 “国际光日”。光子学不仅仅是推动了科学的发展，更多在人类进步当中起着越来越多的作用。

图 | 光子发展节点

光子的意义跟电子相比，第一，响应速度非常快，光子脉冲可以到 fs 量级，信息速率可以达到几十个 Tb/s；第二，极高的信息容量，比电子高 3-4 个量级；第三，有极强的存储和计算能力。之前非常热的光学全息成像，一次可以进行数百万比特的读写操作，光子能以 “光速” 进行超低能耗运算；第四，极强的并行和互连能力，光子是 “玻色子，不同波长的光可用于多路同时通信”。

如果说 20 世纪是电的世纪，那么，21 世纪是光的世纪。

包括太阳能的利用、光通信、光互联和光计算、激光武器，都是光子学一个重要的前景，所以我们迎接了 “光子世界”。

光子学的重要研究领域与方向，包含光子器件与光电集成、激光器件与应用、光电探测与传感、光电控制与处理、光传输与光交换、微纳光电子集成、量子光学与量子信息、微波光子学、生物医学光子学。实际上更重要的是一个系统工程，有光学加工制造的技术与应用、光电成像、光谱学和光的处理系统，还有光电测量、光电检测，以及真正最后形成的光学仪器和系统。

光和电是分不开的。从电的系统来看，从电学开始发展到电子学、电子回路、电子集成，再从电子系统、电子工程到电子产业。光也是类似，从光学、光子学、光子回路、光子集成，再到光子系统、光子工程、光子产业。光和电必须是交融在一起，这是未来很重要的一个发展方向。

图 | 光电融合示意图

光子技术是新一代信息技术的重要基础，估算一下，到 2020 年，相关产业链达到了 1.8 万亿美元的光子产业。包括很多大家熟悉的方向：数据、传输、能量激光、红外成像等等，现在的自动驾驶，用的很多也是光学的技术，传感靠光电与电磁波，这个产业的后期发展潜力非常大。

图 | 2020 年光子产业规模

国内外光子学布局

日本在 2010 年就开始实施光子融合系统基础技术开发计划（PECST），作为日本内阁府支持的尖端研究开发资助计划（FIRST）之一，目标是在 2025 年实现 “片上服务器” 和 “片上数据中心”。基于光子，这个计划很宏伟，也在推进之中。

2018 年，美国国防高级研究计划局（DARPA）宣布了第二阶段电子复兴计划项目：实现在人工智能、相控阵、传感器和数据处理等领域的突破性发展。

欧盟第八框架 —— 地平线 2020 计划（光子集成技术项目）已经累计投入 64.7 欧元，发布电子发展路线图：《欧洲光时代》，提出了光子学的发展方向。

2020 年，英国发布了光子的长期规划，研究内容覆盖光电子材料、光学和物理现象、加工工艺、光子学器件和系统，确定了 70 个光电研究主题，基本上覆盖了光子与光电子的全部领域。

中国在国家层面也对光子研究所有布局。包括科技部的重点研发计划 “光电子与微电子器件及集成” 专项；基金委，国家最基础的科学研究，有两个学部都在支持光学与光电子学，比如信息学部有信息光学与光电子器件、激光技术与技术光学；数理学部从光物理方面支持。

各个地方的布局也有很多，80% 的产业集中在华东、华中、华南地区，华东地区的长三角是最大的一个产业，达到 200 多亿。华东地区因为武汉光谷的带领，也有 200 亿的产值。华南地区是珠三角，也达到了几十亿的产值。

北大光子学独具优势

通过 20 多年的努力，北大光子学研究聚集了一批国内、国外一流的人才，也产生了一系列重要的研究进展。从高校来讲，现在不唯论文，但还是发表了一系列的重要成果，并且申请了专利。在产业化方面，学校往前推进一步，在长三角、珠三角建立了光电研究院。

在 2018 年 9 月份，教育部成立了前沿科学中心，北大的纳光电子前沿科学中心获首批之一，作为重点支持的方向，教育部给了很大的支持。在纳光电子前沿科技研究方面，人才队伍包括 3 位院士、8 位教育部长江特聘教授、15 人获国家杰出青年基金，多人获何梁何利科学奖等等。预设投资 1 个亿，重点建设纳光电子芯片设计、工艺制作公共平台，支撑光电子的发展。

图 | 集成光量子芯片和量子信息应用

图 | 光子晶体微纳器件与芯片

北大在硅基上设计出来的通用的光量子计算芯片、光量子模拟芯片，已经在南通长三角光电研究院进行孵化和推进。在常规微纳光学方面，研究了光子开关、光子逻辑门、光子二极管等等。还实现了新型光子芯片原型，像光子逻辑芯片、光子神经网络芯片、拓扑光子芯片等等，都已经往产业化发展推进。

同时也发展了一些更深入的概念，比如拓扑保护的高 Q 值光学谐振态和拓扑保护的单向辐射光学谐振态。

图 | 光子学新原理与新型集成光子器件

研究的高性能纳米激光器，为光芯片的发展做了很好的奠定基础。可以把整个器件做到毫米量级，把目前的尺度降到 9 个量级。

图 | 高性能纳米激光器

还有就是用微米光纤、微腔，大概是几十微米到百微米的尺度，实现了微腔光梳。现在作为一个预研项目，在军委支持下开展工作。微腔有很大的应用，非常敏感，可以实现单病毒、单分子的无标记、实时监测，已经在光电院进行产业转化。

图 | 微腔光梳与精准检测

此外，也在研究轻型化的钙钛矿光伏电池，性能达到了国际上最好的水准；新型三维显微成像技术，空间分辨率可以做到 100nm，深层超衍射极限分辨荧光显微可以达到毫米量级，这对于化学生物的过程，甚至是生命过程，有非常重要的意义。已经有样机出来，很快会进行产业化转移。

图 | 新型三维显微成像技术

光子学的主要挑战

现在大家都在讲 “卡脖子”，实际上，不仅仅是脖子被卡，手也被卡、脚也被卡。光子行业要发展的话，需要全面从基础上来做产业提升。

中国是材料大国，但不是材料强国，很多重要材料都要去国外买，才能获得最好的材料，所以我们要做先进光学材料研究。

我们的光学晶体、非线性光学晶体，这些都是目前可以卡别人脖子的地方。

图 | 光子学的研究方向

因为光子学是一个新兴领域，我们的布局稍微早一点。但是怎么做好，需要投入精力去做。以上这些都是光子学未来研究前沿，又是非常重要的应用前景的方向。一旦突破，会对我们的产业有非常大的推动作用。

统计一下，北京在光子领域汇聚全国顶尖的科技资源，国家奖在光电子领域共计 15 项，占全国（40 项）总数的将近 40%，与光电有关的中科院两院院士 12 位，在北京占到了全国的三分之一。有很多顶尖的团队在中科院半导体所、物理所、微电子所、北大、清华、北邮等等，都是光学很强的研究力量。同时有很多国家实验室与中心，都落户北京。

但是很可惜，看光子产业图，实际上北京的份额占的很小。所以建议整合北京的优势资源，加大投入。没有投入，就没有产出。同时培养人才、引进人才，创造留住人才、用好人才的环境，是需要思考的问题。

关于发展目标，一是面向光子发展前沿和国家战略需求，解决我国高端光子器件发展瓶颈；二是加强产学研协作，要有一套完善的光子工艺平台，即使北大投了一个亿，也做不了一个非常好的平台；三是培育光子领域高新技术企业，形成光子产业生态集群，要想办法使它落户在北京；四是具有自主知识产权的核心技术，实现部分关键材料和器件的国产化替代。

具体措施就是建设世界一流光子学研发机构，北京要做一个大的布局，如果还是现在这个样子，过了 5 年、10 年之后，在光子产业，也许北京还占不到一个地位。

龚旗煌履历：

身为中国科学院院士，北京大学博雅讲席教授、党委常委、常务副校长的龚旗煌，出生于福建省莆田市，为人随和、谦虚，学术造诣深厚。1983 年，他从北大物理系本科毕业后，留在本系开始研究生阶段学习；1988 年，他以中英联合培养博士生身份，赴英国曼彻斯特大学，之后获北大物理学博士并任教授，在 2013 年当选为中国科学院院士。

龚旗煌长期从事非线性与量子光学、时空小尺度光学前沿研究。在 Science、Nature Photonics、Nature Physics、Physics Reports 和 Physical Review Letters 等发表论文 500 余篇。先后担任国家基金委 “介观光学与飞秒物理创新研究群体”、“飞秒 - 纳米时空分辨光学实验系统” 国家重大科研仪器研制项目和科技部 “极端光学创新研究团队” 负责人。其团队主要研究方向为：介观量子光学与光量子芯片；突破经典极限光学与光电子学；量子态超快测量与光场调控等。