而從全球科技演進(jìn)史來看，人類的科技變革是由以“機(jī)-電-光-算”（機(jī)械、電路、光學(xué)、算法）為代表的底層技術(shù)推動的。
編者按：本文來自微信公眾號中科創(chuàng)星（casstars），創(chuàng)業(yè)邦經(jīng)授權(quán)發(fā)布。
(資料圖片僅供參考)
導(dǎo)語
自第一次工業(yè)革命起至今，人類社會發(fā)生了“從農(nóng)業(yè)邁向（后）工業(yè)”體系的范式轉(zhuǎn)換。而從全球科技演進(jìn)史來看，人類的科技變革是由以“機(jī)-電-光-算”（機(jī)械、電路、光學(xué)、算法）為代表的底層技術(shù)推動的：過去200多年，是機(jī)械、電氣（電子）的時代，但是，它們的性能現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展到了極致，難以滿足新一輪科技革命中人工智能、云計算、能源等核心技術(shù)-產(chǎn)業(yè)的需要。
世界亟待一場新的科技革命。
2016年，中科創(chuàng)星創(chuàng)始合伙人米磊博士提出“米70定律”。米磊博士認(rèn)為，光學(xué)技術(shù)會是未來科技一項(xiàng)非常關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)，其成本會占到未來所有科技產(chǎn)品成本的70％。人類將迎來以集成光路為基礎(chǔ)設(shè)施的智能化時代。
01光與光子學(xué)“光”自誕生以來，就在自然科學(xué)和社會科學(xué)層面對人類社會產(chǎn)生著巨大的影響。
對宇宙的觀測告訴我們，宇宙在爆炸的最初百分之一秒，基本粒子幾乎都是光子，之后，在無數(shù)次的碰撞和交融中，宇宙才產(chǎn)生出電子和正電子等基本粒子。
進(jìn)入現(xiàn)代科學(xué)以來，愛因斯坦（Albert Einstein）在提出“光量子”（光子）這一概念的同時，也發(fā)現(xiàn)了光的“奧秘”，進(jìn)而帶動了實(shí)驗(yàn)和理論物理學(xué)在人類科學(xué)的多個領(lǐng)域的取得了巨大的進(jìn)步。
▲光的物理維度
另一方面，從中國到古希臘，從春秋到中世紀(jì)，人類一直在追尋光的路上孜孜不倦：《墨經(jīng)》中的小孔成像，沈括撰寫的《夢溪筆談》，伊斯蘭科學(xué)家伊本·海什木（ibn·Haytham）的《光學(xué)》（Book of Optics），及笛卡爾（Rene Descartes）的《談?wù)劮椒ā罚ˋ Discourse on the Method）等名篇無不談及光與光學(xué)。
同時，自人類文明發(fā)展伊始，人類社會同樣與“光”密不可分，如農(nóng)業(yè)需要陽光（植物的光合作用）、古代通信是用烽火，以及古老社會對太陽的崇拜。
▲光的社會維度
如今，隨著光子在智能社會扮演的角色越來越重要——激光、量子光學(xué)、量子計算、可控核聚變等技術(shù)的進(jìn)展背后也都離不開光學(xué)和光電子學(xué)的支撐。
基于國家自然基金F05研究方向，光學(xué)與光電子學(xué)劃分為四個層級與16個細(xì)分領(lǐng)域：
l 原理、基礎(chǔ)層的激光，光學(xué)和光電子材料；
l 器件、制造層的光子與光電子器件，應(yīng)用光學(xué)和光電子集成技術(shù)與器件；
l 功能、效應(yīng)層的光學(xué)信息獲取、顯示與處理，紅外與太赫茲物理及技術(shù)、非線性光學(xué)，光譜信息學(xué)，量子光學(xué)；
l 應(yīng)用、交叉層的空間、大氣、海洋與環(huán)境光學(xué)，生物、醫(yī)學(xué)光學(xué)與光子學(xué)，能源與照明光子學(xué)等。
▲光學(xué)與光電子學(xué)
而在這16大細(xì)分領(lǐng)域中，還可劃分出142個子研究方向，具體參考下圖。
▲光學(xué)和光電子學(xué)細(xì)分領(lǐng)域(1/2）
▲光學(xué)和光電子學(xué)細(xì)分領(lǐng)域（2/2）
我們認(rèn)為，下一個時代，將會是光的時代。誰能占領(lǐng)光電子技術(shù)的制高點(diǎn)，就有機(jī)會成為第四次科技與工業(yè)革命的領(lǐng)航者。
02向“光”而行：5大光子領(lǐng)域信息光子隨著信息技術(shù)的發(fā)展，全球正朝著智能化和數(shù)字化的方向全面轉(zhuǎn)變。為此，更小、更輕、更迅捷、更靈敏的感知、存儲、運(yùn)算和顯示的信息技術(shù)和器件成了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)變的重要推動力量。而作為信息載體，而相較于電子，光子具有以下五點(diǎn)“先天”優(yōu)勢：
l 一是在傳輸信息時光子具有極快的響應(yīng)時間。光子脈沖可以達(dá)到fs（飛秒）量級，信息速率可以達(dá)到幾十個Tb/s。
l 二是光子具有極高的信息容量，比電子高3-4個量級。采用光交互系統(tǒng)的新型使能技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)低交換延遲和高傳輸帶寬。
l 三是光子具有極強(qiáng)的存儲和計算能力，能以光速進(jìn)行運(yùn)算。
l 四是具有極強(qiáng)的并行和互連能力。不同波長的光可用于多路同時通信。
l 五是光子具有超低的能耗表現(xiàn)。1bit（比特）信息的能耗，光子器件比電子器件低3個數(shù)量級，僅為電子器件的千分之一。
憑借上述五點(diǎn)優(yōu)勢，光子在信息獲取、信息傳輸、信息處理和信息顯示方面擁有廣大的應(yīng)用空間。
01
信息獲取/感知
信息獲取、感知方面，最為典型的案例便是人眼。最簡單的眼睛結(jié)構(gòu)可以探測周圍環(huán)境的明暗，更復(fù)雜的眼睛結(jié)構(gòu)可以提供視覺。而作為一種代替人類視覺的工具，光電傳感器（又稱“光傳感器”）則是人類感知世界的另一種方式:
1) 利用光電效應(yīng)，光傳感器能將光信號（紅外、可見及紫外光輻射）轉(zhuǎn)變成為電信號。借此，以實(shí)現(xiàn)檢測光強(qiáng)、溫度和分析氣體成分；
2) 光傳感器可用以檢測能轉(zhuǎn)換成光量變化的其他非電量，如零件直徑、表面粗糙度、應(yīng)變、位移、振動、速度、加速度，以及物體的形狀、工作狀態(tài)的識別等；
3) 光傳感器具有信號響應(yīng)速度快、能實(shí)現(xiàn)非接觸測量、性能可靠、探測精度和分辨率高等特點(diǎn)；
4) 半導(dǎo)體光敏器件具有體積小、重量輕、功耗低、便于集成?？蓮V泛應(yīng)用于多個領(lǐng)域，如軍事、航空航天、通信、智能產(chǎn)品、LED及自動化控制等。
例如，光纖具備不帶電、體積小、質(zhì)量輕、易彎曲、抗電磁干擾、抗輻射性能好等特性，適用于易燃易爆、空間受嚴(yán)格限制及強(qiáng)電磁干擾等惡劣環(huán)境。而光纖傳感之一的功能就包含對外界信號（被測目標(biāo)）的感知功能。這種“感知”實(shí)質(zhì)上是外界信號對光纖中傳播的光波實(shí)時調(diào)制。
▲圖：光纖探頭
02
信息傳輸
信息載體的響應(yīng)能力是決定信息速率與容量的主要因素。目前，電子脈沖脈寬最窄限度在納秒量級。因此，在電子通信中信息速率被限定在Gb/s(109bit/s)量級。
反觀光子，其與電相比，信息容量要大出幾個量級。此外，使用光子為信息載體，信息速率能夠達(dá)到每秒幾十、幾百個Gb，甚至幾個、幾十個Tb(1012bit/s)。
盡管目前光通信技術(shù)處于產(chǎn)能驅(qū)動快速成長期，但“光進(jìn)銅退”已成為全球信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢。在可見的未來，光通信將將會逐步取代電連接成為信息傳輸?shù)慕K極方案。這也意味著1.6T光通信芯片、硅光模塊、CPO技術(shù)、相干光模塊等新技術(shù)將會面臨更加廣闊的市場需求。
以源杰科技為例，源杰科技是一家專注于激光器光芯片（DFB、FP）的研發(fā)、生產(chǎn)與銷售且具備芯片設(shè)計、晶圓制造、芯片加工和測試的IDM全流程業(yè)務(wù)體系的上市公司。
▲激光器芯片，圖片來源：陜西源杰科技官網(wǎng)
目前，源杰科技產(chǎn)品覆蓋10G、25G 及以上速率激光器芯片，主要應(yīng)用于光通信領(lǐng)域?？捎糜跀?shù)據(jù)中心的400G和800G模塊，源杰科技也已取得較大的進(jìn)展。
03
信息計算/處理
自1965年戈登·摩爾（Gordon Moore）提出“摩爾定律”（Moore’s law）以來，摩爾定律一直是半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展的“黃金法則”。不過，隨著半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，占據(jù)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)核心位置的芯片制程已經(jīng)面臨著物理極限。
同時，由于人工智能的飛速發(fā)展，能耗和算力問題也變得越來越緊迫。換言之，人類亟需尋找新的信息處理技術(shù)以滿足智能時代高算力、低耗能的需求。
而在解決算力和能耗的諸多技術(shù)路線中，光計算憑借其高并行度、高能效比和高速度在構(gòu)建大規(guī)模矩陣-矩陣并行計算系統(tǒng)時具有巨大的優(yōu)勢，正逐漸走向了智能（算力）時代的核心位置。
所謂光計算，指的是使用激光或二極管產(chǎn)生的光子進(jìn)行計算，在此過程中，數(shù)據(jù)通常被表示為激光束的振幅或相位的變化，其突出優(yōu)勢表現(xiàn)在以下幾個方面：
l 超低延遲：采用光作為傳輸信息媒質(zhì)的新型計算技術(shù)，光子為玻色子，具有超低延遲和抗電磁干擾等特性。
l 高通量：光具有天然的并行處理能力以及成熟的波分復(fù)用技術(shù)，從而使數(shù)據(jù)處理能力和容量及帶寬大幅度提升，單通道數(shù)據(jù)傳輸>1TB/s。
l 高能效比：無電熱效應(yīng)，光計算功耗低至0.01pJ運(yùn)算，功耗是同算力電子芯片的1/100。換言之，相同功耗下，光子器件比電子器件快數(shù)百倍。
一般而言，光計算可以分為模擬光計算和數(shù)字光計算：
l 模擬光計算最典型的一個例子就是傅立葉運(yùn)算，在圖像處理等領(lǐng)域需要運(yùn)用傅立葉變換相關(guān)的計算，如卷積計算。對模擬光計算而言，基于光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的矩陣運(yùn)算是中短期可實(shí)現(xiàn)規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的技術(shù)路徑，切實(shí)解決AI算力需求與摩爾定律失效之間的矛盾。
l 數(shù)字光計算是利用光和光學(xué)器件組合形成經(jīng)典的邏輯門，構(gòu)建類似傳統(tǒng)數(shù)字電子計算原理的計算系統(tǒng)，通過復(fù)雜的邏輯門組合操作實(shí)現(xiàn)計算。
具體到光計算架構(gòu)而言，目前主流光計算架構(gòu)按其技術(shù)路徑大致可分為平面集成式和自由空間互連式兩種：
l 平面集成式方案主要基于馬赫-曾德干涉儀、微環(huán)諧振器、波導(dǎo)調(diào)制器等基本單元器件實(shí)現(xiàn)矢量-矩陣乘法、導(dǎo)向邏輯、伊辛機(jī)、脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及儲備池計算等；
l 自由空間互連式光計算方案主要基于空間光場調(diào)制實(shí)現(xiàn)光學(xué)點(diǎn)乘、卷積、相關(guān)及光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等運(yùn)算，包括斯坦佛矢量-矩陣乘法器、衍射光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、傅里葉光學(xué)濾波系統(tǒng)、智能超材料、陰影投影架構(gòu)等。
以曦智科技于2021年發(fā)布的光計算處理器PACE（Photonic Arithmetic Computing Engine，光計算引擎）為例。PACE展示了一種可編程光學(xué)矩陣乘法器的實(shí)現(xiàn)方法。該系統(tǒng)在物理層面主要包括光芯片和電芯片，兩塊芯片由3D倒裝堆疊的方式封裝在一起；在功能層面主要包括信號輸入、信號處理和信號輸出三大部分。光信號在進(jìn)入光芯片后，輸入向量被光學(xué)調(diào)制器轉(zhuǎn)化為多個光信號，這些光信號在經(jīng)過可編程的光學(xué)矩陣A后，輸出的光信號陣列 即矩陣運(yùn)算Ab的結(jié)果。在PACE中，所有的光器件都集成在一塊光芯片上，而光芯片的控制電路和內(nèi)存都部署在電芯片上。
▲PACE，圖片來源：曦智科技官網(wǎng)
此外，光子在量子信息領(lǐng)域已體現(xiàn)了應(yīng)用的優(yōu)越性。不管是光量子計算還是光量子通信和光量子測量，目前都取得了一定的進(jìn)展。
04
信息存儲
隨著數(shù)據(jù)量、信息密度的激增，以及對于信噪比和誤碼率的要求的提升，使得高密度、大容量、輕便化的存儲系統(tǒng)的需求越來越急切。而伴隨著半導(dǎo)體激光器的成熟，光存儲技術(shù)的優(yōu)勢逐步凸顯。
工作原理如下：在介質(zhì)受到激光照射后，介質(zhì)的某種性質(zhì)(如反射率、反射光極化方向等)發(fā)生改變（物理或化學(xué)變化），進(jìn)而將信息存儲下來（存儲介質(zhì)性質(zhì)的不同狀態(tài)映射為不同的存儲數(shù)據(jù)），之后，通過識別存儲單元性質(zhì)的變化來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)讀取。
不同于電子存儲，光子除能進(jìn)行一維、二維存儲外，還能完成三維存儲——存儲容量巨大。此外，三維存儲還能實(shí)現(xiàn)并行存取，即信息寫入和讀出都是“逐頁”進(jìn)行的，并能與運(yùn)算器并行連接，由此速度很快。加之光子無電荷，既能防電磁干擾，讀取準(zhǔn)確，又不產(chǎn)生干擾，具有保密性。
未來，隨著全球數(shù)據(jù)量以指數(shù)級快速增長，低成本、超長期保存、超高密度光存儲技術(shù)代表著信息存儲的發(fā)展方向，而在眾多路線中，全息光存儲技術(shù)將有極大可能成為光存儲未來的主流。
05
信息顯示
顯示作為信息技術(shù)的重要組成部分，目前已被廣發(fā)應(yīng)用在通信、工業(yè)、交通、教育、航空航天醫(yī)療等各個領(lǐng)域。
例如，主動發(fā)光顯示的彩色顯示技術(shù)就是利用相鄰三個主動發(fā)光像素發(fā)出的三種獨(dú)立的單色光進(jìn)行混色后形成各種顏色，涉及的發(fā)光特指可見光。例如，20世紀(jì)50年代的陰極射線管顯示技術(shù)；非主動發(fā)光技術(shù)是通過透射、反射、散射、干涉等現(xiàn)象，對其他光源所發(fā)出的光進(jìn)行調(diào)制，例如，液晶顯示技術(shù)。
如今，顯示技術(shù)應(yīng)用范圍正在不斷擴(kuò)大，終端硬件也將隨之升級變化，顯示產(chǎn)業(yè)正在發(fā)生深刻變革。在主動顯示技術(shù)領(lǐng)域，Micro LED擁有自發(fā)光特性，能夠生成與OLED相媲美的畫面高亮度。同時，Micro LED不必?fù)?dān)心高亮度會隨著時間推移而衰減，更不必?fù)?dān)心OLED的"燒屏"風(fēng)險。
光電集成
隨著超高速、超寬帶、低功耗、超短時等通信和計算發(fā)展要求的不斷提升，光電集成已成為突破信息系統(tǒng)面臨的“速率”、“功耗”的重大技術(shù)趨勢——超大容量超長距離光傳輸、數(shù)據(jù)中心光互連、片上光網(wǎng)絡(luò)、硅基多材料混合的光電融合集成芯片和器件。
▲基于ONN數(shù)學(xué)模型的集成光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)芯片
圖片來源：奇芯光電官網(wǎng)
近期在人工智能（大模型）的推動下，二級市場的光子及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的板塊收獲了一波漲勢，引發(fā)該現(xiàn)象的原因之一就在于人工智能的進(jìn)一步發(fā)展需要光電芯片和器件等底層技術(shù)（器件）的突破。
未來，隨著大模型的進(jìn)一步發(fā)展，具備光電轉(zhuǎn)換功能的高速率、低損耗的光芯片有望成為數(shù)據(jù)中心光互聯(lián)底座的核心部件。因此，國內(nèi)光電芯片（器件）制造企業(yè)的技術(shù)突破對于填補(bǔ)國內(nèi)高端芯片空白至關(guān)重要。
能量光子
縱觀歷史，每一次的能源革命，都為人類帶來了翻天覆地的變化，可以說從文明到生命，每一個驚人的變化后面都有對能源的使用，發(fā)展至今，盡管人類通過科技實(shí)現(xiàn)了諸多能源技術(shù)的突破，但對于“光”的依賴，從未改變。
基于光電效應(yīng)可知，當(dāng)一個光子的頻率大于物質(zhì)的極限頻率，光子將擁有足夠能量來克服逸出功，使得一個電子逃逸。也正是因?yàn)椤袄斫狻绷斯怆娦?yīng)的存在，人類發(fā)明了太陽能電池（光伏）、激光等光電產(chǎn)品。
01
高效吸收
以光伏技術(shù)（光伏電池板就是通過光子激發(fā)自由電子，產(chǎn)生光伏效應(yīng)）為例，大致分為三個技術(shù)代際：
第一代硅基太陽電池: 主要指單晶硅、多晶硅及非晶硅作為吸光層的太陽電池。不過，硅基電池晶體極限轉(zhuǎn)換效率極大的限制了其未來的發(fā)展——硅太陽能電池、普通單晶硅電池、HJT電池、TOPCon電池的極限轉(zhuǎn)換效率為29.40%、24.50%、27.50%、28.70%。
第二代多元化合物薄膜太陽電池 :主要包括砷化鎵(GaAs)、磷化銦 (InP)、銅銦鎵硒(CIGS)、碲化鎘 (CdTe)太陽電池。二代電池的優(yōu)勢在于，相比于硅屬于間接躍遷型半導(dǎo)體材料，III-V族化合物太陽電池的直接躍遷型半導(dǎo)體吸光能力更強(qiáng)。不過，多元化合物電池的基板材料昂貴，且含有諸多稀有元素，因此不利于大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)。
于是，人類開發(fā)了第三代新型太陽電池: 主要包括鈣鈦礦太陽電池，染料敏化太陽電池有機(jī)太陽電池、量子點(diǎn)太陽電池。而在上述技術(shù)路線中，鈣鈦礦是非常具備前景的候選材料。
理論上講，鈣鈦礦電池的極限轉(zhuǎn)換效率區(qū)間在34%（單結(jié)鈣鈦礦）-68%（多節(jié)鈣鈦礦）間，總體高于晶硅電池，優(yōu)勢突出。此外，理論成本低、弱光響應(yīng)好、溫度系數(shù)更低、應(yīng)用場景更多元也是鈣鈦礦作為第三代光伏電池的優(yōu)勢。
2021年2月，仁爍光能創(chuàng)造了全鈣鈦礦疊層里程碑式世界紀(jì)錄——26.4%的轉(zhuǎn)換效率，首次超越25.7%的單結(jié)鈣鈦礦電池。另外，該團(tuán)隊還一直保持著小尺寸電池效率29.0%的世界紀(jì)錄。
▲仁爍光能10MW研發(fā)中試產(chǎn)線
圖片來源：仁爍光能官網(wǎng)
02
超快激光
基于愛因斯坦的解釋，當(dāng)處于低能級上的粒子（原子、分子或離子）吸收了適當(dāng)頻率外來能量（光）被激發(fā)而躍遷到相應(yīng)的高能級上（受激吸收）后，總是力圖躍遷到較低的能級去，同時將多余的能量以光子形式釋放出來。如果被釋放的光子則與外來的入射光子在頻率、位相、傳播方向等方面完全一致，這就意味著外來光得到了加強(qiáng)，即光被放大了——激光產(chǎn)生的原理。
而利用激光的高強(qiáng)度和亮度可在1ms內(nèi)能發(fā)射100J的光能量，這些“能量光子”足以使大多數(shù)材料在短時間內(nèi)融化或汽化，因此可在工業(yè)制造端處理一些常規(guī)手段（高溫、高壓）無法處理的材料。比如，光刻、焊接、切割等——作為無接觸加工方式，通過激光加工技術(shù)制造的工件具有清潔、機(jī)械損傷少、精度高等優(yōu)點(diǎn)。
▲中科微精生產(chǎn)車間的飛秒激光裝備
圖片來源：中科微精
03
高能激光
如果再讓激光變得更強(qiáng)，便可在能源領(lǐng)域帶來更大的震撼。比如，去年加州勞倫斯·利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室（LLNL：Lawrence Livermore National Laboratory）“可控核聚變點(diǎn)火成功”——實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)輸入2.05MJ的能量后，輸出了3.15MJ的能量，能量增益達(dá)到1.53倍，人類首次在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境實(shí)現(xiàn)可控核聚變的“凈能量增益”。
從技術(shù)角度來看，NIF就是用的192束激光從圓柱形靶件兩端射入，在內(nèi)部上形成X射線，隨后讓射線擠壓中心的燃料靶丸，使其外表面內(nèi)爆，內(nèi)部氘氚燃料達(dá)到聚變條件。盡管是一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，但該實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了激光驅(qū)動的核聚變商業(yè)化是具備可行性的。
▲慣性約束原理
除了高效吸收（光伏發(fā)電）、高能光子（激光加工）、強(qiáng)光控制（激光系統(tǒng)）外，能量光子還可在節(jié)能環(huán)保（投影、照明）、超寬光譜（紅外探測）等領(lǐng)域發(fā)揮作用。
光子制造
通過材料設(shè)計、制造工藝和集成技術(shù)等方式利用光子，可以跨越毫米、微米、納米等多種尺度，進(jìn)而在制造產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)高精密、高能量、高韌性、高導(dǎo)電性等特性的材料、器件和設(shè)備，主要包括激光制造、光刻技術(shù)、原子制造等具有巨大的應(yīng)用價值的技術(shù)。
光子制造——光刻技術(shù)
以光刻技術(shù)為例。其原理是在硅片表面覆蓋一層具有高度光敏感性光刻膠，再使光線（紫外光、深紫外光或極紫外光）透過掩膜照射在硅片表面。此時，被光線照射到的光刻膠會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。此后，用特定顯影液洗去光刻膠，即實(shí)現(xiàn)了電路圖從掩膜到硅片的轉(zhuǎn)移。
一般的光刻工藝要經(jīng)歷氣相成底膜、旋轉(zhuǎn)涂膠、軟烘、對準(zhǔn)與曝光、曝光后烘培、顯影、堅膜烘培、顯影檢查八個工序，其占晶圓制造耗時的40%-50%，是晶圓制造最關(guān)鍵、最復(fù)雜和時間占比最高的環(huán)節(jié)。
▲光刻機(jī)，圖片來源：網(wǎng)絡(luò)
空間光子
空間光子是指利用光波作為信息的載體，對目標(biāo)進(jìn)行遙感、觀測和探測，進(jìn)而收集、儲存和辨認(rèn)目標(biāo)信息。基于此，發(fā)展出來了高分辨可見光空間信息獲取技術(shù)、光學(xué)遙感技術(shù)、空間干涉光譜成像技術(shù)、空間通信技術(shù)等。上述技術(shù)主要應(yīng)用在以下幾個個領(lǐng)域，對地觀測、太空觀測等。
01
光學(xué)遙感技術(shù)
光學(xué)遙感是遙感技術(shù)的重要技術(shù)之一，通常是指對目標(biāo)在可見光、近紅外和短波紅外電磁譜段進(jìn)行成像觀測，獲取和分析被觀測對象的光學(xué)特征。光學(xué)遙感系統(tǒng)大多使用可見光（0.3～0.7μm）、近紅外（0.72～1.30μm）和短波紅外（1.3～3.0μm）波段來形成地球表面的圖像。
近年來，隨著遙感衛(wèi)星種類和數(shù)量的不斷增加，基于光學(xué)遙感圖像的多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)越來越被大家所重視。例如，長光衛(wèi)星自主研發(fā)并發(fā)射的“吉林一號”高分02D星升空就是一高分辨光學(xué)遙感衛(wèi)星，具備高分辨、大幅寬、高速數(shù)傳等特點(diǎn)，可獲取全色分辨率優(yōu)于0.75m、多光譜分辨率優(yōu)于3m、幅寬大于40km的高清影像。
▲光學(xué)A星，圖片來源：長光衛(wèi)星官網(wǎng)
02
激光空間通信技術(shù)
發(fā)展至今，衛(wèi)星通信技術(shù)能夠發(fā)揮位置高遠(yuǎn)的優(yōu)勢，尤其在山區(qū)、沙漠、荒原等地面通信網(wǎng)不易部署的區(qū)域和戰(zhàn)爭、自然災(zāi)害等特殊場合中，衛(wèi)星通信技術(shù)不可或缺。而隨著空間光子的發(fā)展，激光通信技術(shù)正逐漸成為未來通信產(chǎn)業(yè)的重要支撐。
與微波空間通信相比，激光波長比微波波長明顯短，具有高度的相干性和空間定向性，這決定了衛(wèi)星激光通信技術(shù)具有以下技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢：
l 通信容量大。激光的頻率比微波高3～4個數(shù)量級，頻段更寬，短時間內(nèi)可傳輸大量數(shù)據(jù)。
l 通信速率高、功耗低。激光通信的速率能達(dá)到10Gbit/s，甚至更高；傳輸過程中能量集中，不易分散，功耗也比微波低。
l 抗干擾能力強(qiáng)。激光的束散角極窄，不容易被偵收和干擾。
l 在相同數(shù)傳速率情況下，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)質(zhì)量更輕、功耗和體積更小、投資費(fèi)用更少。
▲衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)，圖片來源：網(wǎng)絡(luò)
展望未來，激光空間通信技術(shù)有望成為未來空間產(chǎn)業(yè)重要的支撐力量。
生命光子
基于生物光子的研究，形成了生物光學(xué)、醫(yī)學(xué)光學(xué)、光學(xué)成像等學(xué)科，隨之在技術(shù)端也逐漸延伸出來以下幾種主要技術(shù)：激光技術(shù)、納米技術(shù)和生物技術(shù)等。
01
生物光子
生物光子方面，以光遺傳學(xué)為例。光遺傳學(xué)曾被《自然》雜志評選為“2010年度最受關(guān)注科技成果技術(shù)”之一，其融合了光學(xué)和遺傳學(xué)技術(shù)——通過遺傳學(xué)方法將合適的外源光敏感蛋白靶向?qū)胩囟ɑ罴?xì)胞，利用特定波長的光照刺激光敏蛋白，調(diào)控神經(jīng)元的活性，進(jìn)而控制細(xì)胞乃至動物行為的開關(guān)。
通過光遺傳學(xué)方法，研究人員能夠獲關(guān)于脊髓回路的一些重要信息，并獲取如嗅覺、視覺、觸覺、聽覺等細(xì)胞的信息反饋。同時，相較于于傳統(tǒng)的藥物注射和電刺激等手段，光遺傳學(xué)技術(shù)特異性更強(qiáng)，靈敏性更好，毒性更低、其時間準(zhǔn)確度可達(dá)到毫秒范圍，在空間上可實(shí)現(xiàn)對單一細(xì)胞甚至亞細(xì)胞范圍的精確控制。
隨著近年來腦科學(xué)逐漸成為科研和產(chǎn)業(yè)熱點(diǎn)，不少大國也建立了“腦科學(xué)和類腦研究”的國家級項(xiàng)目或是研究計劃。該類計劃的一個核心方向就是打造用于全景式解析腦連接圖譜和功能動態(tài)圖譜的研究工具，用以解析腦連接圖譜和功能動態(tài)圖譜。
以超維景為例，2017年，超維景研制出第一代2.2g微型化雙光子顯微鏡，獲取了小鼠在自由行為過程中大腦皮層神經(jīng)元和神經(jīng)突觸活動的動態(tài)圖像；2021年，超維景研制的第二代微型化雙光子顯微鏡將成像視野擴(kuò)大了7.8倍，具備獲取大腦皮層上千個神經(jīng)元功能信號的三維成像能力；今年3月，超維景助力北大團(tuán)隊再一次實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破——微型化三光子顯微鏡 SUPERNOVA-3000問世，首次實(shí)現(xiàn)對自由行為小鼠的大腦全皮層和海馬神經(jīng)元功能成像?？梢哉f，SUPERNOVA-3000 的研發(fā)成功，對于深腦成像的起到了重大意義。
▲雙光子顯微鏡，圖片源于：超維景
02
醫(yī)學(xué)光子
醫(yī)學(xué)光子方面，主要包括醫(yī)學(xué)光譜技術(shù)、醫(yī)學(xué)成像術(shù)，新穎的激光診斷和激光醫(yī)療技術(shù)等。
以光學(xué)相干斷層成像技術(shù)為例，自1991年人類首次實(shí)現(xiàn)OCT對離體視網(wǎng)膜成像以來，OCT的發(fā)展十分迅速——相較于超聲成像、核磁共振成像、X-射線計算機(jī)斷層等技術(shù)，OCT具備更高的分辨率(幾微米級)技較大的層析能力，因此，OCT對于解決透光性較差、散射較強(qiáng)的組織有著極佳的優(yōu)勢。
比如，對于冠脈介入治療，OCT借助其高分辨率的圖像優(yōu)勢，可以提供更清晰的病變特征和支架植入情況，更精確的檢測介入治療后的血管內(nèi)情況，如夾層、支架貼壁不良、組織脫垂等，且在管腔直徑和面積方面的測量精度更高。
以微光醫(yī)療為例。微光醫(yī)療目前擁有自主知識產(chǎn)權(quán)140余項(xiàng)，已完全自主掌握激光診療、光纖導(dǎo)管、圖像處理三大核心底層技術(shù)，產(chǎn)品管線覆蓋泛血管介入、泌尿外科、眼科等多領(lǐng)域，部分產(chǎn)品在技術(shù)創(chuàng)新與臨床獲益上均達(dá)到甚至超出全球領(lǐng)先水平。
▲Cornaris? P60，圖片來源：微光醫(yī)療官網(wǎng)
盡管生命光子起步較晚，但考慮其能夠融合創(chuàng)諸多學(xué)科和前沿技術(shù)，且與人類生命健康有著極大的相關(guān)性，具備極高的社會價值和經(jīng)濟(jì)價值，該技術(shù)的未來前景十分廣闊。
03歡迎“光”臨，第四輪科技革命科技發(fā)展史向我們闡述了一個道理：抓住一項(xiàng)時代的革命性技術(shù)，就能夠成為時代的領(lǐng)航者。
回顧人類有史以來的幾次信息革命，中國都沒有搶占到先機(jī)，因而錯失了技術(shù)革命帶來的重大歷史機(jī)遇，逐漸在文明轉(zhuǎn)型的國際競爭中掉隊落伍。盡管在上一輪以互聯(lián)網(wǎng)科技為代表的信息革命之中，中國涌現(xiàn)了大量的優(yōu)秀的互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)，但一旦將它們放在全球視角下去看，能夠抗衡國際科技巨頭的中國科技企業(yè)仍是鳳毛麟角。
如今，全球進(jìn)入“后摩爾時代”，新一輪的科技革命也在蓄勢待發(fā)，機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存。在一大批潛在顛覆性技術(shù)里，光子所具有的高速度、低耗能、工藝技術(shù)相對成熟等優(yōu)勢，無疑將會成為本輪革命的焦點(diǎn)之一。
當(dāng)前，科技大國與國際科技巨頭目前都已投入大量資源對光子進(jìn)行研發(fā)，并在半導(dǎo)體制造、光伏、人工智能及量子計算等多個重要領(lǐng)域開拓了大量新應(yīng)用。
反觀中國，我們要實(shí)現(xiàn)新的超越，就應(yīng)該抓住光子革命的重要機(jī)遇，大力發(fā)展光子技術(shù)與產(chǎn)業(yè)，助力我國抓住新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的機(jī)遇，實(shí)現(xiàn)“非對稱趕超”，更加硬氣地引領(lǐng)全球邁向新的文明世界。
參考資料：
1.光學(xué)和光電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究報告.中科創(chuàng)星行研部
2.2023光子白皮書.中科創(chuàng)星
3.瞭望｜光子芯片，能否讓中國“換道超車”？.米磊
4.鈣鈦礦太陽能電池，光伏投資的下一個戰(zhàn)場？中科創(chuàng)星
5.《主動發(fā)光顯示技術(shù)/非主動發(fā)光顯示技術(shù)》.馬群剛、王保平等編著
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