2023年，光子學產業的拐點即將到來？

光子學是光的科學，它是產生、傳輸、操縱和探測可見光和不可見光的技術，其產品包括雷射、照相機、發光二極體、光纖、顯示器、太陽能電池等等。幾乎所有的日常生活服務和商品都與光子學技術息息相關，尤其是最近比較熱門的雷射雷達、量子計算機和5G通信，更加確保了光子學技術成為當前一個至關重要的領域，並在眾多技術應用中都存在著巨大的發展潛力。

隨著社會變得越來越互聯、越來越數位化，人們的安全意識和環保意識越來越強，對光子學的創新需求也在不斷增長。光子學技術相關領域的工程師及其相關研究人員都在不斷尋求新的突破，以確保自身在光子學領域的主導地位。

基於此，英國的光子學研究人員近期公布了《2023年光子學發展報告》。該報告展望了未來十年甚至更長的時間裡光子學將面臨的挑戰，並試圖對光子學產業進行分類，確定未來技術的主要方向。

該報告實際上是英國研究人員為了保障英國在光子學領域的領先地位而做的研究，但我們認為對我國光學人也有一定參考和借鑑作用，故將主旨部分整理成文，以饗讀者。

《2023年光子學發展報告》是由26位英國頂尖光子學學者共同研討得出，代表了20個頂級的英國光子學研究機構，其研發總收入超過6.5億英鎊（折合人民幣56.92億元）。該報告將確定英國未來十年光子學研究的重點方向，並鼓勵當地政府、資助機構和企業參與制定和支持未來的創新戰略，動員研究人員將報告中的概念變為現實。

光子學「九大挑戰」

光子學技術目前已經成為全球先進產品和製造工藝的一部分，其本身技術及其應用所帶來的經濟佔比已經達到了全球經濟的11%（SPIE 2020）。為了進一步了解未來光子學技術的發展背景，研究人員將2017年英國工業戰略中確定的四大挑戰進行了更新，定義了光子學「九大挑戰」：數據、健康和老齡化、物理性汙染、流動性和運輸、氣候變化、國防和安全、經濟愛國主義、規模和食品生產。

圖1 光子學「九大挑戰」

這些挑戰被認為是未來光子學研究的關鍵驅動因素和重要影響因素，如何將光子學、電子學和許多其他技術結合起來並解決這些重大挑戰，往往是在光子學技術競爭中佔據主動地位的關鍵。

未來光子學研究方向

基於前面所提到的「九大挑戰」，此次研討會還為光子學技術未來的研究指明了方向，並將研究方向進行整理歸類於四大類課題：材料、光學和物理現象、未來製造工藝、設備及系統。

材料

開發先進材料一直是光子技術創新的核心，例如矽技術促進了太陽能電池的發展，磷化銦材料實現了遠距離通信，氮化鎵使高效白光LED成為可能。而在未來10年及以後的光子學技術發展中，材料創新仍然是光子學的主要驅動力。

圖2 材料課題中相關研究方向（顏色表示研究方向影響力，由強到弱為：紅-綠-藍-橙，下同）

在未來，材料課題中相關的主要研究方向包括：

1）傳統半導體、晶體和玻璃材料的深入研究

進一步加強對傳統材料的研究，有助於實現在新型紅外/紫外傳感、基於單光子光源的量子密碼通信和量子成像以及基於太陽能實現水中氫氣的有效提取等方面實現技術的突破。

2）新型二維材料的研究

這種材料以石墨烯材料為基礎，僅由幾層原子組成，具備獨有的鍵合特性，從而可以賦予其獨特的光學性質，並使得不同半導體二維材料堆積成層狀異質結構的概念具有了實現的可能性。

並且這種材料有助於與集成/矽光子學領域相結合，在未來可以將新型二維材料集成到光子器件的工藝中，一方面可以減少光子器件的體積，另一方面有望提升光子器件在數字經濟應用中的性能。

此外，通過波長量級的周期結構製成的超材料可以具備負折射率、超吸收及超分辨的特性，創造了「隱身鬥篷」、超材料吸波體及超材料調製器等誘人前景。

3）新型矽光子材料

由於矽材料有一個間接帶隙而使其不能發光，限制了矽材料在光子集成領域的應用。但通過在矽材料中摻雜其他材料，並控制其晶體結構，可以實現發光摻雜矽材料的製備，這一研究方向有可能進一步簡化光子集成的製備，也有望提高大規模光子器件製備的兼容性。

4）可重構自適應光子材料和可編程光子材料

某些亞穩定性材料，例如相變硫族化合物材料，可以在沒有電源的情況下實現不同狀態之間的切換和保持，使可重構、自適應和可編程的光子學成為可能。

此外，對大於100 GHz光調製器材料和亞ps開關材料的研究可以降低調製器在寬光譜帶寬運行時的損耗以及提高支持系統的數據容量；開發生物相容性光子材料和可持續/生物可降解的光子材料，可以進一步支持向更綠色的數字經濟過渡；利用計算機學習和人工智慧可以極大程度的提高研究人員對光子材料的優化和設計。

光學和物理現象

如果要將光子材料的進步與未來製造工藝和設備開發聯繫起來，那麼理解光與物質之間的相互作用是至關重要的。以下是光學和物理現象課題中的相關研究方向：

圖3 光學和物理現象課題中相關研究方向

1）阿秒物理。對阿秒科學的研究至今已有二十多年，揭開了亞原子時空解析度下分子結構的面紗。在該領域繼續進行相關研究，將進一步加深我們對光與物質相互作用在數據存儲、材料處理和能源效率方面應用的理解。

2）破壞真空的超高能脈衝現象。超高功率脈衝雷射器（超過100 MW）可以產生極端的高能脈衝現象，並有可能破壞真空，從而能夠對高能和粒子物理等新領域進行探索。此外，它還將有可能檢驗100年前出現的量子電動力學理論的預測，開闢物理學研究的新領域，並促進人類對宇宙的基本理解。

3）焦體積操縱。在光源開發之外，對光與物質相互作用的精細控制，將開闢光學處理和器件的新領域。目前對光的控制僅限於二維焦平面中的光束輪廓控制，然而，為了推進非線性過程和超嚴格公差的應用，如外科手術、神經系統光學成像和超短脈衝材料處理（如玻璃焊接、波導刻字等），需要在室溫下實現三維焦體積內的光束控制，從而推動了超快成像和光電探測器的發展。

4）中紅外量子有限探測。由於中紅外波長的光波可以識別出目標物獨有的特性，從而提高了研究人員對中紅外光譜區域的研究興趣。其中，中紅外量子有限探測可以實現超高靈敏度的傳感器，並可用於醫療診斷、高級成像和安全探測等應用中。

5）光控制納米量級運動。利用光來控制納米級的運動，將使生物光子學應用成為可能。例如在醫療過程中，利用光與物質的相互作用在分子尺度上進行控制和組裝，在生產新型動態光學元件和器件的過程中，可實現新型傳送帶的功能。

6）RF-微波-THz-光波的光機系統接口。超低噪聲特性的射頻、微波、太赫茲以及光波之間不同頻率區域的接口，可以作為電子信號和光學信息之間的量子兼容鏈路，從而實現量子計算機之間的安全通信。

7）光控化學和光控化學反應途徑。利用光來開啟、改變或控制化學反應及化學反應途徑，可以實現燃料的合成以及能量的儲存，為食品高效生產和快速化學合成提供了一種新型的解決方案，且該方案被證明是不存在汙染的。

未來製造工藝

新工藝是連接材料、物理現象與設備、系統的關鍵橋梁，以下是未來製造工藝課題中的主要研究方向：

圖4 未來製造工藝課題中相關研究方向

1）大規模集成（>1000個元器件）。大規模集成，即大批量生產，以及新功能、量子器件、等離子體電子和二維材料的集成。提高不同光子和非光子器件、工藝和系統的兼容性，實現多功能器件的集成，將是未來光子學的一個主要研究方向，其特性及利益遠遠大於單個器件的相互組合；

2）可持續光子材料。隨著光子學的廣泛、大規模應用，研究人員對生產工藝的經濟、可持續等方面也提出了要求，而符合可持續光子材料的光子學技術主要表現在光子學的節能製造和材料的再加工、再利用；

3）新型功能的光子學集成。光子技術的新功能可以進一步推動光子技術的創新，例如太陽能化學處理、再生醫學中的光學細胞操控以及有限空間（亞毫米空間）內的靈活光學操縱。他們的出現更新了傳統的光子學集成工藝，並產生了新型光子學工具，其應用也遠遠超出了原有的光子學領域；

4）光子技術新工藝。逐年遞增的大規模光子集成對光子技術的工藝也提出了新的要求，即都要求片上集成的納米光子學設備、納米材料組裝、晶圓級測試、高速納米成像和即時檢測等工藝都具備批量處理的能力。這一能力代表了光子學一個持續的趨勢，即從針對固定客戶的定製技術逐漸演變為針對消費者群的大規模生產技術。

設備及系統

21世紀的挑戰正在推動新型光子器件和系統的發展。以下是設備及系統課題中的主要研究方向：

圖5 設備及系統課題中相關研究方向

1）超高效率雷射器（>95%）。從雷射加工技術在汽車製造到醫療應用領域有著廣泛的應用。為了實現大規模的生產，必須提高成本效益、可靠性和能源效率，而超高效率雷射器（>95%）在該方面有巨大潛力，且具有可觀的經濟效益和環境效益；

2）高效高寬帶光伏電池。通過提高太陽能光伏電池的效率和帶寬可以使其更有效的獲取太陽能，進而可以使其在應對氣候變化和環境變化等方面發揮更大的作用；

3）高速、高靈敏度探測器。傳感系統發展的關鍵是探測器的創新，未來探測器的設備將包括大型成像陣列、多波長同時探測、超高靈敏度探測設備，其中包括短波長、中波長及紅外區域的單光子探測器和可見光區域的高速、高靈敏度探測器；

4）超寬帶光網絡、放大器、調製器和光纖。過去30年來，數據通信已成為社會的基石，光纖網絡已展示出其驚人的能力，可以在全球範圍內傳輸數據，以滿足社會對數字服務日益增長的需求。對數據的持續需求，包括部署5G，都需要開發超寬帶光網絡、放大器、調製器和光纖；

5）全光網絡及其組件。當前限制整個網絡性能的主要因素，是需要將傳輸數據的光信號轉化為用於數據處理及存儲的電信號，解決這一問題的首要方法是建立全光網絡。而大規模的全光開關和光存儲器是其中兩個最關鍵的組件。全光網絡及其組件的開發，將通過提高速度、降低延遲和增加帶寬實現數字經濟的擴張；

除以上研究方向以外，光子學與精密測量和成像密切相關。利用光子學技術在醫療領域還可以完成基因組篩查、深部組織光學成像及光學定點診斷等功能；利用單光子技術可以實現全固態雷射雷達系統的實現；利用集成光子學設備還可以在量子通信、集成傳感器、可重構\可編程電路和光子計算等領域有所突破。

總結

光子學未來可期。這篇報告展示了未來十年甚至以後的研究方向和思路，其中包括像生物可降解光子學、神經形態光子學和人工智慧設計材料等新型領域，也包括全光網絡、量子通信和矽光子學等領域的深入研究方向。

現如今，隨處可見的智慧型手機、攝像頭、計算機等智能設備，都離不開光子學技術及其工藝的發展。可以預言，下一個數字經濟、自主和智能製造的時代將更加依賴全球互聯的光學技術。

此外，該報告還對英國政府及研究人員提出了一系列研發建議：

1）研究人員應該及時學習新方法，在各自研究領域進行階段性的創新與改變，並進一步開拓新型研究領域；

2）政府應該為未來光子學創新的蓬勃發展提供充分的資金，支持研究人員的教育、設施的更新和能力的培養；

3）研究機構與研究人員應該盡力實現不同類型研究領域（新現象、新材料、新工藝和新系統設備）的平衡；

4）政府和研究機構應該及時支持不同領域的創新，即使在一般看來不太可能實現的領域；

5）以該報告為基礎，與當下光子學產業進度結合來完善和確認重點研究方向；

6）政府應該將光子學的未來願景與行業支持領域的路線圖相結合，並考慮將在何時、何地以及如何推動和支持其研究領域的方向；

7）面向全球光子學用戶和研究人員，及時更新對光子學領域研究的進展和見解。

☆ END ☆