光子时代：光子产业发展白皮书 202311-部分1

光子时代光子产业发展白皮书支持单位：中国科学院西安分院陕西省科学院西安高新区管委会参与单位：光子创新中心西科控股中科创星硬科技智库光电子先导院二O二三年十一月白皮书编委主要编撰人员：(排名不分先后)张思申董家宁侯文鹏李娜石晶纪喆李彦侯自普武慧童李彩侠陈烨冯凡璎刘伟刚柏帆于博洋艺(目TE录 09(二)光子学发展重要节点 (二)超快激光制造 22 25 (三)光学相干断层扫描技术(0CT) 三、光子信息 42 44 47 光子时代：光子产业发展白皮书 (一)光伏发电 58 60(三)激光惯性约束核聚变 64 一、国内四大新兴光子产业城市分析 68(一)武汉：打造“世界光谷” (二)西安：引领“追光时代” (三)苏州：迈向“高光之城” (四)无锡：构建“光子芯谷” 70二、光子产业发展结论与建议 (一)我国光子产业发展各环节存在的问题 70(二)我国光子产业发展的路径选择 71三、陕西光子产业发展的实践探索 73 75光子时代：光子产业发展白皮书随着全球集成电路产业发展进入“后摩尔时代”,其进一步提升的难度与时间成本都非常之高。在面向“后摩尔时代”的潜在颠覆性技术里，光子芯片已进入人们的视野。其所具有的高速度、低耗能、工艺技术相对成熟等优势，能够有效突破传统集成电路物理极限上的瓶颈，满足新一轮科技革命中人工智能、物联网、云计算等产业对信息获取、传输、计算、存储、显示的技术需求。国际巨头正投入大量资源进行研发，目前已对传统芯片形成部分替对我国而言，既要在传统赛道电子芯片领域尽快补短板，也要尽早在光子芯片等新赛道布局发力。双管齐下，抓住新一轮科技革命和产业变革的机遇，未来才有望实现“非——光子学是与电子学平行的科学芯片是人类信息技术史上的一次变革性突破。从石器时代的壁画、岩画，到农业时代的竹简、活字印刷术，再到工业时代的电话、电报、电视，人类信息生成、传输、处理、存储等载体发生了多次变革。从本质上讲，芯片就是通过利用半导体材料的物理特性来实现对承载信息的微观粒子(电子或光子等)的操控，进而实现信息生成、传电子芯片是利用电子来生成、处理和传输信息的，光子芯片则是利用光子来生成、处理、传输并自19世纪末、20世纪初物理学发现电子以来，人类开辟了电子技术的新时代。通过在半导体材料上对电子进行操控，人类实现了通过电子来生成、处理和传输信息，实现了信息技术的跨越式发展。从首个电子管被制造出来，到晶体管诞生，半导体技术不断发展。直到集成电路被发明出来，电子芯片成为现代信息技术的基石，推动人类社会进入了微电子科技时代。电子芯片诞生以来，经过六七十年的发展，围绕它已形成一个成熟、庞大的产业体系，“光子学是与电子学平行的科学。”科学家普遍认为，光子可以像电子一样作为信息载体来生成、处理、传输信息。荷兰科学家最早提出“以光子作为信息载体和能量载体的科学”。中国科学院西安光机所首任所长龚祖同院士(学部委员)在1978年9月召开的第2届全国高速摄影会议的发言中提到：激光问世以后，与其联系着的光子学逐步成长。1979年，钱学森教授在《中国激光》上著文，首次提出“光子学、光子技术和光子工业”的构想，并认为以集成光路为核心的光子计算机的运算能力可以超电子学有四个基本要素，分别是作为载体的电子、作为传输介质的电缆和电路、发电机和晶体管。与之对应，在光子学中信息载体是光子，传输介质是光波波导和光纤，激光发射器好比发电机，光电调制元件相当于电子开关和电子晶体管。从发展路线来看，电是从电学开始到电子学，再到电子回路、电子集成、电子系统、电子工程，最后到电子产业。光是从光学开始到光子学、光子回路、光子集成、光子系统、光子工程，最后到光子产业。根据底层的科学逻辑可以判断，人类一定会进入微光子学时代，利用微光子技术进行元器件的大规模集成一是以电子为载体的技术发展已趋近物理极限。当下集成电路是以硅为基础材料的，硅原子的直径约为0.22纳顶尖水平的台积电仍然在不断地进行3纳米及2纳米的技术研发及产能投资，但业内人士普遍认为集成电路的尺寸微缩最多到2030年就会达到物理极限，亟需寻找创新发展的出路。二是电子芯片尺寸降到极致时会出现“功耗墙”难题。比如，巨大的耗能压力就是计算机发展的最大技术障碍光子时代：光子产业发展白皮书之一。虽然国内外学术界和工业界进行了大量努力，但由于CMOS半导体功耗密度已接近极限，所以必须寻找新途径、新结构、新材料。三是过去几十年中处理器的性能以每年约55%的速度提升，而内存性能的提升速度约为每年10%,长期累积下来，不平衡的发展速度造成了当前内存的存取速度严重滞后于处理器的计算速度，访存瓶颈导致高性能处理器难以发挥出应有的功效。简单来讲，就是大量信息存储不过来、计算不过来。四是电子芯片性能提升的同时，性价比在降低。业界普遍认为，28纳米是芯片性价比最高的尺寸。根据SEMI国际半导体产业协会的芯片主流设计成本模型图，采用FinFET工艺的5纳米芯片设计成本已是28纳米工艺设计成本的近8倍，更复杂的GAA结构的设计成本只会更高，这仅是芯片设计、制造、封装、测试中的设计环节。制造环节的晶圆代工厂的研发、建厂、购买生产设备耗费的资金会更多，比如三星在美国得克萨斯州计划新建的5纳米晶圆厂预计投资高达170亿美元。光子相较电子具有超高速度、超高带宽、超低损耗和超强并行能力等优势，光子芯片可以在一定程度上解决电子芯片的缺陷。有物理基础的人应该知道，电子是费米子，是有质量的物质，所以在传输信号时会因为质量的惯性产生较多的能量损耗；光是玻色子，是物质之间的相互作用力，静止质量为零，传输信号时能量损耗小。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(太字节)/s,性能能够提升数百倍。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，能以光速进行超低能耗运算。四是具有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。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。如今，科学家们的期望，就是能够像芯片控制电子那样可靠地控制光子，以获得更好的性能。以能耗的视角来看，目前以集成电路为基础的数字产业能耗与日俱增，据测算未来五年它可能会消耗掉全球20%的电力供应。如果没有技术变革或突破，未来人类极有可能要在信息数据和能源之间做出选择。而以光子芯片为基础的技术路线，理论上有望将数字产业能耗降低至电子芯片的千分之一。因此，发展更为节能的光子技术，也是实现“碳中和”目标的关键一环。同时，光子技术的应用并不局限于芯片，其发展还可能推动人类更好地利用最大的“光子发射器”——太阳，以进一步挖掘能源领域的潜力。因此，从物理属性优势来看，光子技术不仅能够很好的解决电子芯片解决不了的难题，而且还能够在电子芯片现有领域之外，满足更大的产业应用需求。同时，根据底层的科学逻辑，可以预见光子学、光子技术、光子产业将和电子学、电子技术、电子产业一样高速发展。光子技术催生更广阔的应用场景光子能够对现有的电子芯片性能进行大幅度提升，解决电子芯片解决不了的功耗、访存能力和计算机整体性能等难题。更为重要的是，过去电子芯片主要应用于计算和存储领域，而光子芯片可以在信息获取、信息传输、信息处理、信息存储及信息显示等领域催生众多新的应用场景。在信息获取方面，激光雷达、光传感将在人工智能、自动驾驶、物联网等领域形成新的应用场景。在信息传输方面，形成了5G、光通信、量子通信等为代表的应用场景，产业规模巨大。在信息处理方面，形成了光子计算、量子计算等应用场景，未来将大幅度提升计算机性能。在信息存储方面，如5D激光存储在云计算、大数据中心等有巨大的应用场景。在信息显示方面，将形成VR、AR及MicroLED等新的信息显示应用场景。此外，光子芯片在生命健康、超导材料以及国防装备等方面，将形成神经光子学、免疫分析、高超音速武器等新的重大应用场景。综上所述，从产业发展角度来看，光子对电子并不是替代关系，准确地讲光子产业是对电子产业的升级，能够催生新的产业。可以说，信息时代的基础设施是电子芯片，人工智能时代将更多地依托光子芯片。光子芯片将是未来新一代信息产业的基础设施和核心支撑。 光子时代：光子产业发展白皮书——光子芯片是中国的重大战略机遇科技发展史印证了一个事实：谁能抓住一个时代的革命性技术，谁就能够成为一个时代的领航者。英国利用机械革命实现了对古代中国的超越，美国利用电子技术实现了对英国的超越。中国要实现中华民族伟大复兴，需要抓住光子技术革命的机遇。一轮科技革命红利扩散的周期大约为60年。从20世纪60年代开始，集成电路作为革命性技术推动了信息化的发展，到现在已经过去了60年，开始进入科技红利扩散的衰退期。2008年以美国金融危机为代表的全球经济衰退，本质上就是上一轮科技革命推动力衰退的体现。当下全球经济发展急需新一轮科技革命的驱动。作为集成电路的“非对称性”技术，光子芯片有望成为信息领域新的底层技术支撑。目前，全球光子芯片产业刚刚起步，作为独立于电子集成技术的新集成技术，其技术壁垒还没有形成，这为我国光子芯片提供了足够的研发时间与市场空间，也为我国信息产业发展提供了巨大的机会。近年来，我国在光子集成方面取得了一定的进展，着眼于光子集成技术实施了一系列重大研究计划，包括973、863、国家自然科学基金重大项目等。虽然过去国内在相关技术领域处于落后状态，但随着研究基础的加强及技术人员的不懈努力，目前国内已经具备了光子集成芯片研究条件，并且拥有巨大的光子芯片市场前景。芯片由电到光的转换，是我国实现赶超的战略机遇。在基础理论方面，中国与美国基本处于同一水平。现代光学理论源于爱因斯坦的原子辐射研究，基于爱因斯坦的研究设想，美国科学家于1960年发明了世界上第一台红宝石激光器。1961年，中国科学院长春光机所就研制出了中国第一台红宝石激光器。自现代光学产生以来，我国始终保持着持续的投入和研究，在基础理论研究方面一直与美国齐头并进。在技术方面，中外各有优势。比如，在光子集成技术研究方面，我国中科院西安光机所、中科院微电子所、中科院半导体所、上海微系统所和上海交大、清华大学、浙江大学、华中科技大学等都进行了长期研究，国家针对光子集成技术也实施了一系列重大研究计划，在光子集成技术方面取得了很大的成就。我国2016年启动的B类先导专项——大规模光子集成芯片致力于开发集成器件大于2000的大规模光子集成芯片，并最终实现了15408个器件的大规模集成，集成规模世界领先。在光子芯片设计水平方面，我国处于世界一流水平，例如曦智科技设计出了全球首款光子计算芯片原型板卡，最新的单个芯片可集成12000个光子元器件，在一些算法的实测性能已超过英伟达GPU的100倍，在光子计算领域领先国外。洛微科技发布了目前集成度最高的多通道FMCW激光雷达SoC光子芯片，单个芯片上可集成3000多个光子元器件，是目前全球单颗芯片集成度最高的硅光芯片之一。在产业化方面，全球还处于起步孕育期，产业生态尚未形成，美国仅具有微弱优势。美国于2004年首次实现大规模光子集成，2017年下半年英特尔开始大批量供应100G产品，标志着光子集成真正进入到主流应用领域。我国于2012年进入规模化集成阶段，与美国差距不大。总体而言，相较于美欧在集成电路、机械等领域拥有数十年的积累优势，我国在光子芯片领域与国外差距较小，与美国的差距仅有5~10年。随着国内相关技术的快速发展，中外差距正日益缩小，且我国在局部已具有领先优势。目前全球光子芯片产业尚未成熟、定型，这也为我国在“后摩尔时代”换道超车提供了巨大空间。——以科技革命的战略眼光看待光子芯片全球科技革命是沿着机械化、电气化、信息化、智能化的演进规律和逻辑在推进的。第一次科技革命是以蒸汽机为代表的机械革命；第二次科技革命是以电为代表的电气化时代；第三次科技革命是以集成电路为代表的信息化时代。过去200多年，本质上是机械和电的时代，但它们的性能现在已经发展到了极致。下一个时代，将是光+人工智能的时代——以集成光路为基础设施的智能化时代。回顾科技史可以发现，人类的技术变革是由以“机电光算”(机械、电路、光学、算法)为代表的底层技术推动的。未来，“机电光算”的发展趋势就是芯片化——电发展到集成电路，光发展到集成光路，机发展到MEMS芯片。光子时代：光子产业发展白皮书未来光子技术将变得更加重要，随着摩尔定律濒临失效，光子技术在科技产品中的占比将逐渐增加。基于此，2016年我们提出了“米70定律”,认为未来光学成本将占所有科技产品成本的70%。从现实发展情况来看，这一判断已在很多领域得到验证。例如，目前通信网络建设成本中的70%是光学成本，包括光学设备和系统的采购；无人驾驶汽车公司已将70%的资金投入到激光雷达等光学器件上；在显示领域，液晶面板中光学成本也占到了70%~80%的比例。未来，智能手机和智能汽车上的创新基本都是在光学方向发力。如果说19世纪是机械的世纪，20世纪是电的世纪，那么21世纪将是光的世纪。从技术演进和投资方向来看，美国20世纪70年代开始布局信息产业底层技术和基础设施电子芯片，80年代扶持软件产业发展，90年代布局光通信，2000年发力互联网，搭建了完整的互联网基础设施，引领了全球信息产业革命，获得巨大的产业红利、全球红利和时代红利。类比集成电路技术“器件系统-小型化-微型化-中小规模集成化-大规模集成化-芯片系统”的演进过程，可以说现在集成光路技术的整体发展正处于类似于上世纪60年代初集成电路的大规模集成阶段。在这个阶段，我们需要深入思考：现在是否应全面布局人工智能时代的基础设施?是否应该抓住千载难逢的行业发展机遇，以极具前瞻性的眼光，大力发展培育光子芯片，引领未来的“消费光子时代”?近十年来，欧美发达国家围绕光子产业发展皆进行了系统的部署和行动。以美国为例，1991年美国政府便将光子学列为国家发展重点，认为光子学在国家安全与经济竞争方面有深远的意义和潜力，通信和计算机研究与发展的未来世界属于光子学领域。此后相继成立了“美国光电子产业振兴会”、“国家光子计划”产业联盟、国家光子集成制造创新研究所。2021年，为确保美国在全球光基础技术创新方面保持领先，美国国会牵头成立了国家光学与光子学核心小组，并投入巨资支持光子技术发展。此外，IBM、Intel、思科等科技巨头也在光子芯片领域进行了广泛布局。我国多区域将光子产业作为最具战略性、基础性、先导性的新兴产业予以部署。北京加快布局建设光电子新型研发机构，致力于打造全国领先的光子技术与产业创新高地。陕西率先发布“追光计划”,致力于打造国内首个集“新型研发机构+共性技术平台+基金+产业集群”于一体的“两链”融合光子产业创新生态。“滑向球将要到达的地方，而不是它已经在的地方。”迎着智能化曙光，未来将掀起光子技术产业革命，类似于从电子工业的晶体管迈入集成电路时代的技术革命，集成光路将是半导体领域60年一遇的“换道超车”重要机遇。光子芯片或将成为第四次科技革命中5G、物联网、人工智能等技术和产业的基础设施，推动人类社会迈进“光子时代”。 光子时代：光子产业发展白皮书综述篇光子时代：光子产业发展白皮书人类社会发展进入依靠科学技术革命驱动阶段以本已经错失机遇，并很难在短期内追赶上。因此，审周期大约为60年。科技革命带来的技术扩散转移呈现着技术的扩散，经历复苏-繁荣-衰退-萧条周期性变机子材制信闻杂鞋业全球集成电路市场规模的79%。这仅仅是集成电路本 和生物工程发明和应用为主要标志第三次科技革命爆超高速率，超低功耗等特点，利用光信号进行数据获 光子时代：光子产业发展白皮书具有巨大的应用前景，在能量光子、生物光子、光子制造、空间光子等领域都具有更广泛的应用前景，如在能量光子领域，衍生出脑科学、基因测序、神经细胞光子修复等生命科学产业，在支撑人类揭开生命奥秘、改造生命和征服疾病等方面发挥颠覆性作用。在空间光子领域，催生卫星互联网、星际通讯等战略新兴产业。在能量光子方面，延伸的光伏产业、高超军事武器等保障国光子学光子学光子技术光子制造空间光子能量光子生物光子信息光子光子产业(三)光子技术是半导体领域60年一遇“换道超随着全球集成电路产业发展进入“后摩尔时代”,进一步提升的难度与时间成本都非常之高。在面向“后摩尔时代”的潜在颠覆性技术里，光子芯片已进入人们的视野。其所具有的高速度、低耗能、工艺技术相对成熟等优势，能够有效突破传统集成电路物理极限上的瓶颈，满足新一轮科技革命中人工智能、物联网、云计算等产业对信息获取、传输、计算、存储、显示的技术需求。国际巨头正投入大量资源进行研发，目前已对传统拓了大量新应用。对我国而言，发展光子技术与产业，能够助力我国抓住新一轮科技革命和产业变革的机遇，相对于欧美发达国家，我国科技创新起步较晚，在众多技术领域与欧美国家存在数十年，甚至上百年的差距。从下表可以看出，西方国家发展越早的技术，我国与其差距越大，追赶难度越高。如在发动机、涡轮机、医学技术、高分子化学领域，美国相较于我国的优势皆在10倍以上。而对于新兴的技术，如光学技术，我国与回顾20世纪50年代，苏联与美国在科技创新领域始终保持并跑状态。而在集成电路领域，围绕电子管和晶体管技术路线，苏联选择了电子管，而美国选择了晶体管，导致苏联错过了集成电路的最佳发展机遇，苏联解体后的俄罗斯，直到现在95%的芯片都是依赖进口。更为严重的后果，直接导致苏联及俄罗斯错过了全球信息产业发展的百年机遇，国家经济整体实力逐渐与美国拉全球光子产业刚刚起步，作为独立于电子集成技术的新集成技术，其技术壁垒还没有形成，这为我国光子技术提供了足够的研发时间与市场空间，也为我国信息产业发展提供了巨大的机会。光子技术将成为第四次科技革命中5G、物联网、人工智能等技术和产业的基础设(一)光比电的优势众所周知，电子与光子是当今和未来信息社会的两个最重要的微观信息载子，对它们的研究分别隶属于电子学与光子学的范畴。电子与光子除了具有能够承载信息的共性外，它们还有各自的个性。正是这些个性才决定了电子学与光子学分属不同的学科。关于光子与电子(1)光子具有极高的信息容量和效率作为信息载体，光与电相比信息容量要大出几个量级。例如，一般可见光的频率为5×1014Hz,而处于微波波段的电波频率仅为1010Hz量级；光子在光纤中能够直接传播上百公里以上，因此，前者可承载信息的容量承载的信息量为信息效率。如果考虑到光子的数字编码与光子的统计特性等，光子的信息效率远远高出电子。例如，在光子学中，如使用所谓光的压缩态、光子数态等作光子源，量子噪声则有可能减小到极小值，光子的信息效率自然也将成量级地提高，这时，一个光子甚至(2)光子具有极快的响应能力在信息领域，信息载体的响应能力是至关重要的，它是决定信息速率与容量的主要因素。在电子技术中，电子脉冲脉宽最窄限度在纳秒(ns,10-9s)量级，因此在电子通信中信息速率被限定在Gb/s(109bit/s)量级。对于光子技术来说，由于光子是玻色子，没有电荷，而且能在自由空间传播，因此，光子脉冲可轻易做到脉宽为皮秒(ps,10-12s)量级，甚至飞秒(fs,10-15s)量级。因此使用光子为信息载体，信息速率能够达 光子时代：光子产业发展白皮书到每秒几十、几百个Gb,甚至几个、几十个Tb(1012bit于是就能够以如此高的速率，通过光纤将信息传输到几千公里或更远的距离以外。这样，获得的信息比特率×传输距离之积将是非常可观的。显然，这对于电子技术(3)光子具有极强的互连能力与并行能力如上表所述，电子有电荷，因此电子与电子之间存在库仑作用力，这就使得它们彼此间无法交连。例如，在电子技术中，两根导线如果交连，就会形成短路。所以，在电路中为了实现互连，就只能像搭“立交桥”那样，将其运行路线彼此隔离，显然这就使互连受限，成为限制电子信息速率与容量的一个主要因素。另外，在电子技术中，电子信号也只能是串行提取、传输和处理的，对于两维以上的信号，如图像信号等，则只好依靠扫描一类的手段将其转换为一维串行信号来处理。这是另一个限制电子信息速率和容量的主要因素。对于光子来说，在这些方面恰恰显示出特有的优势。光子无电荷，彼此间不存在排斥和吸引力，具有良好的空间相容(4)光子具有极大的存储能力不同于电子存储，光子除能进行一维、二维存储外，尚能完成三维存储。再考虑频率“维”等，可用于存储的参量很多，因此，可以说，光子具有极大的存储能力。一个存储器的容量极限是由单位信息量(bit)所需最小存储介质体积决定的，对于光来说，这个量为其波长(λ)量级，因此，三维存储容量为(1/λ)3量级。如果使用可见光(λ~500nm),光子的存储能力则可达到1012bit/cm3量级。三维存储除容量大外，另外一个显著特点是并行存取，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。这样一些优点，都是“电子”无法与此外，由于光在时间与空间上的特性，可形成反演共轭波，在自适应控制等信息处理领域有独到应用；还由于光子的自旋为h,导致出现偏振、双折射效应等，光子时代：光子产业发展白皮书约为0.22nm,当制程降至7nm以下时，极易出现电涌和革命中人工智能、物联网、云计算等技术对于信息获40.88亿kWh,相当于三峡水电站2014年总发电量的投入约为1-2亿元，单次流片费用约为200万美元。而节点访存带宽需要2-4tb/s,其中单个内存控制器访存带宽需达到200-400GB/s(通信带宽需求为1600-3200Gbps)。目前，英特尔最新的至强处理器需约带宽需达到200-400GB/s(通信带宽需求为1600-3200Gbps)。目前，英特尔最新的至强处理器需约Computer,MPP系统)逐渐成为主流。在最新的分离交换机，CPU内集成电子路由的端口数、端口速争用引脚配额；与处理器核等资源争用功耗、面积配额；内部的多级交换机制也限制了带宽的大小。面对光矩阵运算的神经网络计算机的能效可以得到极大提Poldervaart首次提出关于光子学的定义规范，他认召开了全国光子学会议。经过多方组织和酝酿，于 先更名为《PHOTONICS—spectra》,并提出光子学是科学家龚祖同、钱学森等早在70年代末就频频发出呼香山科学会议上，对光子学的有关问题展开了热烈讨社会与科学发展中的作用有了越来越明确的认识和共光子时代：光子产业发展白皮书(1)材料离通信，氮化镓使高效白光LED成为可能。而在未来(2)光学和物理现象(3)未来制造工艺桥梁，具体产业发展方向如下：大规模集成(>1000个(4)设备及系统21世纪的挑战正在推动新型光子器件和系统的发效率激光器(>95%)、高效高宽带光伏电池、高速、高(1)医疗领域(2)人工智能领域开发依靠光子材料和传感器发展的便宜的移动设备，自由空间光通信(使用红外光谱)和可见光无线通信(LiFi,使用可见光谱),光子传感器在无人驾驶和(3)清洁能源领域排放；开发聚光器技术(利用透镜等光学技术)以用于(4)自动驾驶领域(5)食品安全领域(6)智能制造领域组成，其中北美地区包括美国和加拿大，欧洲包括德国、英国、法国和俄罗斯，亚太地区包括日本、中国(含中国台湾省)、韩国等国家，另外在大洋洲和非洲图光子产业全球分布情况(红色区域)SPIE(2022)的光学与光子学年报显示，全球有业研发、生产和销售光子核心器件和产品，其中中国(1804家)和美国(946家)企业占据了50%以上，这个数字在2012年以来增加了58%,新增企业主要分布在美国家企业日本 国家企业去国阿国Canada,84 图2021年世界光子企业分布情况滨松光子、奥林巴斯、Jasco等光子产业龙头，占据了然存在，例如，我国光纤预制棒产能接近全球份额的50%,位居世界第一，但在技术更加先进、附加值更高光子时代：光子产业发展白皮书图2021年世界光子企业分布情况全球光子产业细分领域中，除消费光子产品和占据较大份额外，能量光子(含激光武器)、生物光子、信息光子和光子制造等分别占据8%—20%左右的份额，能量光子、生物光子、信息光子、光子制造领域是未来全球光子产业的主要增量市场，各领域每年的增长率均维持在10%以上的较高增长率，特别是生物光子，因生物光子探测、诊断成像技术等光子技术在医疗技术、生命科学、食品安全等领域的应用，产业规模不断扩大，年均增长率高达13%。图2012年—2020年世界光子产业10个主要领域营收增长情况(亿美元)光2015年至2019年间，据经合组织(0ECD)测算全球整体产业的年均增长率仅为1.3%,相比之下，去全球光电子产业的复合年增长率为7%。相较之下，其增长速率已经超过中国5年国内生产总值复合增长率(增长率为整体上来看，未来全球光子产业的主要聚集区域仍然会分布在北美(美国、加拿大)、欧盟(英国、法国、德国)和东亚(中国、日本、韩国)等国家和地意意意意景意意意意景意意意意图全球光子产业规模及增长速度上世纪70年代末，美国商务部曾指出，未来全世界的光子产业将以比微电子产业高的多的速度发展，谁在光子产业方面取得主动权，谁就在21世纪的尖端科技较量中夺魁。1980年，美国成立了光电子学产业发展学会 Packard、Hughes/GM、IBM、Motsrola等涉及光子产业的龙头企业，这个协会的宗旨在于促进北美光电子产业在全球市场上竞争力的提高。1998年，美国国家委员会提出大力发展光学与光子技术战略；2012年，美国国家研究委员会(NRC)更新国家光学技术发展需求报告《光学与光子：必要技术》提出由光子技术驱动美国对相关5大领域的投资及竞争力；2012年，由美国光学学会0SA、光学与光子国际学会SPIE、IEEE光子学会IPS、美国激光研究所和美国物理学会激光科学分部APS等共同成立“美国光子计划”;2014年，公布了“光学与光子技术建立更光明的未来”报告，明确将支持发展光学与光子基础研究与早期应用研究计划开发。2019年北美的光子产品产量估计为1075亿美元，而在2015年这个数字仅为600亿美元，5年的复合年增长率约超过7%,保持了较高速度。和欧盟、中国、日本等经济体的激烈竞争下，美国意识到自己正在失去全球市场份额。奥巴马上台后，政府出台了与企业、大学、社区共同建立国家制造业创新网络的倡议(NNMI)。10年间，美国NNMI已建立了16个各有侧重的制造业创新研究所，形成了遍布全国的先进制造创新网络，在16个研究所中，美国集成光子制造创新研究所(AIMPhotonics)是政府投入最大的研究所，总投入6.1亿美元，在各领域投资金额排第一。自此，美国的光子产业开始专注信息光子、生物光子和能量光子，逐渐占领光通信、生物医疗和国防武器等重点领域，特别是激光器领域的光电子元件发展最为迅速。但尽管美国在光学与光子学领域取得了许多创新性成果，迫于欧洲和中国、日本等国在光子技术的发展，仍难稳定它在国际上的技术领先地位。2021年，为确保美国在全球光基础技术创新方面保持领先，美国国会牵头成立了国家光学与光子学核心小组，并向AIMPhotonics追加支持3.21亿美元，依托纽约州立大学理工学院核心集成光子研发线AlbanyNanoTechComplex,形成了世界上第一个开放获取的完整集成光子制造生态系统。欧洲光子产业的发展可以追溯到17世纪的法国(当然还不能与真正意义的现代光子产业相提并论),1665年成立的皇家玻璃制造厂(RoyalMirrorGlass 光子时代：光子产业发展白皮书Manufacture)为欧洲皇室提供高精度玻璃，也是新材料巨头法国圣班戈集团的前身。随后光谱制造商JobinYvon(1997年HORIBA集团收购了JobinYvon)和著名相机制造商徕卡(Leica)分别与1819和1849年诞生。经过百年的发展，欧洲光子产业的市场份额已经稳居世界第二。同时，欧盟认为大力发展光子学可以为欧盟在未来提供一个发展无碳经济的机会以及绿色环保社会的解决方案，加大了对光子产业的支持力度。2013年，欧盟议会通过新的科研框架计划“地平线2020”,其中，光子基础技术纳入第八框架，已累计投入64.7亿欧元；2018年，欧盟委员通过了法、德、意、英四国共同提出的“微电子联合研究创新项目”,并将在2024年前向该项目投资17.5亿欧元，预计会带动60亿欧元的私有投资，用于研发与工业场景联系紧密的芯片、集成电路、传感器等创新性技术与元器件；2019年，欧洲国家电子元件和系统领导地位联合执行体(ECSELJU)年度战略计划(2020),将多个光子领域技术作为重点研究方向；2020年，欧盟17个国家共同签署了“欧洲处理器和半导体科技计划联合声明”,投入1450亿欧元的资金，用于研究2nm先进工艺制造、先进处理器等半导体技术，建立起欧洲独有的先进的芯片设计以及产能。2019年，欧洲光子产业整体规模约1115亿美元，约占全球市场份额的19%,2015—2019年，欧洲光电子产业的增长率与全球保持，约为7%,它的增长速度超过了许多其他高科技产业(例如，IT行业：4.5%,医疗科技：4.9%,微电子：4%),这个速度是欧盟GDP年均增长率的三倍(2.3%),是欧盟工业生产增长率的五倍(1.5%),可见其增长的趋势十分迅猛。因此，欧洲光子产业虽然在欧洲是一个规模不大的产业，但其发展活力显而易见。在过去4年中，得益于光子产业的快速发展，欧洲得以保持其全球第二的市场份额，并为欧洲提供了39万个就业岗位。光子时代：光子产业发展白皮书 (15.6%)和法国(15.3%)占据欧洲光子产业的绝大部分，其余分布在荷兰、意大利、瑞士、瑞典和奥地利等国家。欧洲光子产业细分领域涵盖消费光子、能量光子、信息光子和光子制造等，比如用于先进制造业的激光加工，用于航天航空的光传感器、光通信模块等核心零部件，用于成像设备的高端精密光学元件，用于电子信息制造的光刻机、半导体芯片等产品。著名企业有Switerlang日本的光子产业肇始于十九世纪末，日本政府于1906年在东京建设了日本光学研究实验室。因日本参与第一次世界大战的影响，研究精密玻璃、光学涂层、精密光学组件和光电子器件等占据主流，主要服务于生产军事装备的光学器件。一战后，这些研究院所和企业开始涉足激光领域，主要研究激光的材料加工和光刻，比如世界著名的松下、奥林巴斯、佳能等企业逐渐掌握了高端光学技术和产品的生产，并以此在随后的半个世纪形成了巨大的产业链条，成为日本科技发展的主要贡献者。日本在20世纪50年代开展了基于红宝石晶体的有源光谱研究，并在1960年制造出日本第一台激光器，并逐渐掌握光刻和精密加工技术。1980年，为推动光电子技 (OITDA);到90年代初，Amada,Daihen,发那科、日立、松下、三菱，NEC,NIIC,Shibuya和东芝等光子制造企业在国际市场崭露头角，并牢牢把控日本本土市场(83%日本市场占有率)。经过一个多世纪的发展，大量的日资企业成为光子产业领域的先驱企业，尤其在信2010年，日本开始实施尖端研究开发资助计划是从600个提案中选出30个核心科研项目予以资助，项目资助的总金额达到1000亿日元；2013年，日本开始实施的国家顶级研究计划—先端研究开发计划(FirstProgram)中，部署了“光电子融合系统技术开发项目”;2019年，启动了旨在支持颠覆性创新、复兴科技创新立国的新项目“登月型”研发项目。提出了面向2050年的研发目标，主要包括容错型通用量子计算机等如今，近一半的日本光子企业将光子产品生产线设在海外，其中中国是主要的目的国。2005年，日本光子产业全球市场份额约占32%,这一比例在2011年下降至21%,在2015年下降至16%,因日本经济长期低迷、工业不振，到2019年，日本光子产业仅占全球市场份额的12%左右。根据日本光电子产业和技术发展协会 (0ITDA)的数据，2015年日本国内光电子市场总价值为649.68亿美元。但欧洲的Photonics21在对全球光子产业和产品类型进行调整后指出，日本光子产业市场总值已达到736.3亿美元。在过去的十年里，日本光子产业在光子产品生产技术、光学测量、图像处理、医疗技术、生命科学方面均有所增长。但在光通信、光学元器件、光显示和光伏等领域的份额有所下降。但仍然需要注意的是，虽然受到美国、欧盟和中国的影响，日本在光子产业领域拥有较多的核心技术和产品，其产品在高端市场拥有较大份额，仍然拥有较大的附加值，依旧是韩国光子产业发展相对较晚，但发展速度和规模扩张较快，光子产业已经成为韩国的主要支柱产业(韩国支柱产业：电子信息、半导体、显示器、汽车、造船、新再生能源领域)中附加值最高的核心产业。韩国开展光子技术研究的主要机构集中在首尔大学、高丽大学等高等院校和韩国光技术研究院、韩国科学技术研究院、韩国标准科学研究院等科研院所，主要涵盖第四代光源光通信和生物光子技术等领域。2010年，韩国光学会发布《国家光技术路线图建设》报告，制定了到2025年实现光子产业强国全球第二的宏大发展愿景，其中提到要实现20个以上引领全球的顶尖光子产品，并占据世界光子核心技术专利和光子国际标准的10%以上。2019年，韩国产业通商资源部发布了《光融合技术综合发展计划》,对光子技术与光产业发展计划予以全方面的大力支持。并计划通过大力发展光子产业到2025年实现全球根据Photonics21的统计数据显示，2019年韩国光子产品产值约为795亿美元，其中光显示贡献了50%的力量，三星显示(SamsungDisplay)和LG显示(LGDisplay)是全球主要的显示器制造商，占据了较大的市场份额。当前韩国光子产业主要涉及光通信、光显示、光伏、半导体、激光加工、生物光子、光学元器件(二)国内光子产业发展现状我国光子产业整体发展虽然与国外起步时间差距不大，但因为众所周知的系列原因阻碍了整个产业的发展步伐，在改革开放前还未形成规模化产业，多是以科研为目的。在1994年香山科学会议对“光子学的前沿与趋势”进行了深入讨论后，我国开始关注光子产业的发展，并对光子产业在经济发展中起到的推动性作用有了越来越明确的认识和共识。2015年以来，中国陆续发布的《“十三五”国家科技创新规划》《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》《“十三五”国家信息化规划》等国家战略规划中，均将光电子技术作为重要方向进行布局。2018年1月，工信部发布《中国光电子器件产业技术发展路线图(2018—2022年)》,聚焦光通信器件、通信光纤光缆、特种光纤、光传感器件四大方向。2020年，科技部等五部委联合制定《加强“从0到 光子时代：光子产业发展白皮书1”基础研究工作方案》,提出面向国家重大需求，对包括3D打印和激光制造在内的重大领域给予重点支持，推动关键核心技术突破。科技部启动“光电子与微电子器件及集成”专项，按照硅基光子集成技术、混合光子集成技术等6个技术方向进行部署。国家自然科学基金委从信息光学与光电子器件、激光技术与技术光学、光物理等方面支持光子技术原始创新。2021年，“信息光子技术”被列为“十四五”国家重点研发计划重点专SPIE(2020)统计年报显示，2018年中国的光子产业营收为338亿美元，约合人民币2141亿元，约占全球光子产业总营收的12%左右，市场规模十分庞大。从增长速度来看，2005年到2011年为中国光子产业爆发期，复合增长率高达22%,随后开始趋于平稳发展，2011年到2015年为12.4%,2015年到2019年为13%,连续14年保持中高增速。从市场份额来看，中国制造的光子产品在全球市场的份额增加从2005年的10%到2011年的21%和2019年的30%,14年增长了20%。Photonics21在2020年度报告中提出“很明显，中国现在已经成为国际光子产业发展的领导者，其规模和产量已领先于欧洲、北美、图2005-2019年中国光子产业市场图2005-2019年中国光子产业市场占有率中国光子产业在光显示和光伏两大领域年产值超过千亿元规模，特别是太阳能光伏产业，因较低的产品定价和生产成本，在2013年光伏双反案(Anti-DumpingandAnti-Bribery)失败之后迅速占据全球市场份额的60%以上。光显示领域因日本、韩国和中国台湾的企业对投资中国大陆的热衷，使得大量的企业和工厂在中国大陆陆续建成，全球市场占有率逼近40%。光通信在中国经历了3G时代的失败和4G时代的“补短板”后，进入光子时代：光子产业发展白皮书5G时代，中国的光设备、光纤光缆和光器件光模块三大领域，全球市场份额均超过50%。中国光通信企业已经24.6%、13.5%、6.5%的份额位居全球光通信设备市场的第1、第2和第5位，三家总份额接近全球市场的一半。而中国光纤光缆“五巨头”长飞、亨通、烽火、中天、富通，均可排进世界前十大供应商。因中美竞争等众所周知的原因，中国仍然在光刻机等光子制造领域面临“卡脖子”的情况。当前，中国在光子制造方面正全面发力，国家实施“极大规模集成电路制造装备及成套工艺”科技重大专项，2009年，国产首套90纳米高端光刻机研制成功，2019年，武汉光电国家研究中心突破光束衍射极限的限制，光刻出最小9纳 光子时代：光子产业发展白皮书米线宽的线段，一举实现光刻机材料、软件和零部件的三大国产化。2022年，上海微电子交付首台2D/3D高端封装光刻机。同时，由中科院西安光机所孵化的中科微星、北京卓镭和杭州奥创等光子制造产业化公司，专注于飞秒激光器及空间光调制器的产业化推广，中科微精则致力于飞秒激光高端制造装备的产业化，初步实现光子制造技术及装备从0到1的突破。同时，在光芯片领域，中国还有较大差距，市场机构LightCounting提出“尽管中国芯片供应商取得了重大进展，但在高速(50G及以上)组件的开发方面，仍落后于西方竞争对手2—3年。”这也是一块关键的短板，需要科研界、产业界的群策群力来完成。应用篇光子时代：光子产业发展白皮书——应用篇目前，我国制造业工业产值占全球近30%,大体相当于美国、日本、德国制造业增加值的总和。但现阶器件和核心技术竞争力比较薄弱，在“卡脖子”背景为我国高端制造业发展的主旋律。2020年起受疫情影(一)光刻机术含量最高的设备，被誉为“半导体工业皇冠上的明清洗机、离子注入机等),价值含量极大，对光刻精一是,向更短光源波长冲刺。光刻机历经五代，限。RET(分辨率增强技术)是指对掩模和光照系统做幅(0PC法)或相位(PSM法),调整光源入射角度(0AI法)等提高分辨率、增加焦深、改善图形质量，在内外环境影响下，国内加大光刻机研制力度。EUV光源为激光等离子光源(LPP),目前仅美国厂商 泛应用的主要为深紫外光刻机(DUV)、极紫外光刻机公司实质上只负责光刻机的设计和各模块集成，以工厂格罗方德(GobalFoundries)、存储厂海力士 大ASML、尼康、佳能的集成电路用光刻机出货超过达296.2亿美元，同比增长58.23%,占全球半导体设备设备投资的23%,相信未来随着物联网、5G等应用场景光子时代：光子产业发展白皮书国内唯一，世界唯二研制出光刻机双工件台的设备企领域的空白，打破了国外厂商对该技术产品的长期垄Arf浸没式光刻曝光光学系统的研发攻关正在顺利进与此同时，国内光刻机产业链在很多领域短板明(二)超快激光制造1)微细加工，高强度材料很难进行机械加工，机微结构加工，通过使用超快激光进行微结构的加光聚合物内部三维成型，光聚合材料具有光敏特2)激光去除污染，利用超快激光去除超洁净光滑 脉冲，即飞秒脉冲染料激光器、掺钛蓝宝石、镁橄榄件，主要包括激光晶体材料、光学镜片、泵浦源、振核心部件。在超快激光器中，激光芯片(20%-30%)和特种光纤(15%-20%)可占超快激光器总成本达激光器需要一种特殊的反射型啁啾体布拉格光栅 (VBG),用于脉冲展宽和压缩。全球光纤激光器龙头量从海外进口，主要代理商包括上海昊量、筱晓光子光子时代：光子产业发展白皮书 彩打标、隐形二维码标记、FPC柔性电路板的加工、应商有卓镭激光、安扬激光、贝林激光、Light超快激光占全球激光器市场占比不足20%,随着超快激测算，2022年全球超快激光器市场规模将达到166亿在国内科研基础不断夯实和需求扩张的双轮驱动长，预计到2026年中国超快激光行业市场规模将达到激光器设备供应商众多，技术趋于成熟，竞争激烈。目前，全球超快激光器60%以上的市场主要被通1)全球激光器龙头通过并购快速获取超快激光技2)全球超快激光器龙头布局上游核心零部件，进但国内激光器供应商凭借着具有竞争力的产品价格，良好的本地售后服务保障，快速的定制化研发设1)手机LCD屏异形切割设备年需求量在100台以上，全自动设备价格在250万元左右，半自动设备在70万元左右，属于目前超快激光应用最成熟的市场之贝林激光、Lightconversion等。安扬激光推出的2)手机摄像头蓝宝石盖板切割主要应用于苹果系3)玻璃摄像头盖板切割也是超快激光的主要应用4)特殊标记的防伪炫彩打标属于高端应用市场，5)隐形二维码标记也主要应用于苹果公司，预计着5G市场的逐步打开，这类材料的加工应用会持续增 在科研市场，超快激光器厂家同样众多，竞争激英诺光电、卓镭激光等。超快光纤激光器代表厂家有科研市场规模，算上所有皮秒、飞秒激光器，估计在(三)激光增材制造成形原理进行分类，最具代表性的为激光选区熔化当前激光增材制造主要研究热点及技术进展在材包括成型中缺陷的相互耦合作用机制研究及针对超高光子时代：光子产业发展白皮书国OS-SEUS公司的3D打印钛合金植入物Aries,具有爱康医疗推出3D打印钛合金骨科植入物，实现首例19生产所需耗材及辅助运行软件。伴随着制造技术的发展，下游应用领域持续拓宽，覆盖航天航空、医疗生质、流动等现象分析方法成熟，可提供完整的解决方案，已在行业内大范围制造工艺仿使用，处于垄断地增材制造设备的产业链的中游，产业规模占比最为航空航天等高端设备制造及修复领域的重要技术手17%,到2026年将达到372亿美元。至320亿元，年均复合增长率为41.42%,预计2023年产增速，促使我国增材制造产业占全球的比重在不断增业级增材制造设备制造商达到266家，同比增长美国国防部成立了国家选区熔化成形创新联盟熔化成形试点联盟投资4500万美元，创新联盟共包括利机构。众所周知的美国Boeing公司、Lockheed集了法国Airbus公司、欧洲宇航防务集团(EADS)的设备生产研发方面做了大量的研究工作，并且成功应用的设备主要还是以国外的产品为主，包括美国的 医学治疗，其中光学图像医学诊断市场占比超过2022年生物医学光子市场规模产业中的成功应用，激光医疗备受关注，市场保持CAGR>13.6%的增速，根据A1liedMarket光医疗器械企业约有200家，持续拉进与发达国家距光子时代：光子产业发展白皮书激光诊出(一)基因测序疗过程中使用的多种药物的浓度，大大提高了检测效和医疗服务需求多样化的发展，基于基因组学、多组