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改变世界的“光”,照亮了哪些产业?

来源:中科创星

#中科创星#

10天前

导语

光子产业是现代产业体系的“核心关键”,是未来产业的基石。

当前,5G通信、人工智能、物联网、生物技术、航空航天、智能制造、新能源、生命科学的蓬勃发展,人类即将开启新的“文明纪元”。光子技术作为前述产业最关键、最核心、最底层的技术,具有极强的“头雁”效应,将会占据未来产业成本的70%。

据国际光学工程学会SPIE统计分析,2012年光子产业的总营收为1.5万亿美元,2021年光电产品全球年收入超过2.1万亿美元,九年增长40%,年复合增长率为3.9%。

对此,中科创星认为,发展光子产业,既是推动中国打造未来万亿产值产业集群的重要着力点,也是抢占全球科技创新重要战略的切入点。

光子产业生态概述

光子产业可划分为上游的光子材料、中游的光子芯片/器件/模块,以及下游的设备/系统和产业应用。

上游:光子材料

对于光子技术而言,材料一直是光子产业的重要领域。每一次材料工艺的发展和新材料的出现,都会给下游产业带来革命性的影响。光子材料是指利用光子或光相互作用来实现信息产生、传输、存储、显示、探测及处理的材料,主要包括光学玻璃、光学晶体、光学塑料等。

光学玻璃

光学玻璃可控制光的传播方向,并改变光波段的相对光谱能量分布。一般包括无色光学玻璃、有色光学玻璃和特种光学玻璃。

其中,无色光学玻璃在光学仪器的制造中使用最多,如绝大多数透镜、棱镜等光学零件。无色光学玻璃还可进行进一步的细分——普通光学玻璃、耐辐射光学玻璃和激光玻璃:

普通光学玻璃一般用于光学透镜、棱镜、分划板、度盘、光栅、刻尺等;

耐辐射光学玻璃应用于存在γ射线、X射线等辐射性较强的场合;

激光玻璃应用于激光器的谐振腔中,是产生激光的零部件。

近10年,传统光学玻璃的应用从单纯光学转向光电子学、光子学,从扩展产业规模转向高性能、高质量产品。今后也将更多地用于光学信息科学,如自动驾驶车载镜头、机器视觉、增强现实和混合现实(AR/MR)以及生命科学等领域。

光学晶体

光学晶体具备均匀性、各向异性、对称性、自范性和稳定性,因此,随着光电技术的发展,光学晶体在光电技术中的重要性和不可替代性日益明显。不过,由于天然的光学晶体已远远满足不了要求,现在的光学晶体主要是人造晶体。

以激光晶体为例。当前,实用化的激光晶体已从最初的几种基质材料发展到数十种,并在各个方面获得了实际应用。如中、高功率激光应用方面主要Nd:YAG,低功率小型化激光的Nd:YVO4以及可调谐、超快激光应用主要是Ti:Al2O3,这三种基础激光晶体。

光学塑料

光学塑料是有机高分子聚合物,是工程塑料中具有严格光学性能和一定力学性能的塑料,可制作各种光学零件和各种滤光片。

根据材料受热后性能的变化,光学塑料可分为热逆性光学塑料和热固性光学塑料两大类:

热塑性光学塑料:随着温度的升高,材料变软,可以将其压制成所需要的形状,冷却后,零件形状固定。目前,光学塑料大部分是热塑性的,常用的有聚甲基丙烯酸甲酯(俗称“有机玻璃”)、聚苯乙烯、聚碳酸酯等。

热固性光学塑料:在温度变化的初期,材料随温度升高而变软,具有可塑性,再继续升温,材料伴随化学反应的发生而变硬,使形状固定;如果冷却后再加热,材料也不再软化,不再具有可塑性。常见的热固性光学塑料有CR39树脂、环氧光学塑料等。

正因为光学塑料具有易成型,重量轻、耐冲击和价格低等特点,所以除代替光学玻璃外,光学塑料还可用于制备人工水晶体、隐形眼镜、无碎片眼镜等。

据观研报告网发布的《中国光学材料行业发展深度研究与投资战略预测报告(2022-2029年)》显示:2021年,光学材料市场规模超33亿元。其中,光学玻璃占比超过80%,主要应用于天文、国防、航天、工业等领域。

目前,除部分高端光学玻璃仍需进口外,当前国内光学玻璃的自给率和产能较高;光学晶体方面,国内已经可以稳定供应包括非线性光学晶体、激光晶体、双折射晶体、磁光晶体、声光及电光晶体、闪烁晶体等各类光学晶体,且已广泛用于激光器件、光通信器件、红外器件中;壁垒较高的光学塑料则主要依赖进口。

光子中游:光(电)芯片/器件/模块

光(电)芯片

光(电)芯片是光子产业的关键价值环节,广泛应用于光纤接入、5G 通信网络、数据中心等场景,且占据产业链的价值最高点——价值占比通常在40%~60%,对于高端光器件而言价值占比会更高。

目前,主流的光子芯片主要包括化合物半导体激光器芯片(又称“激光二极管芯片”)和光电探测器芯片。

激光器芯片

根据谐振腔制造工艺不同,半导体激光器芯片可进一步细分为面发射芯片(VCSEL)和边发射芯片(EEL):

边发射激光芯片(EEL)是在芯片的两侧镀光学膜形成谐振腔,沿平行于衬底表面发射激光,边发射型激光种类较多,包括FP(Fabry–Pérot,法布里-珀罗激光器)、DFB(Distributed Feedback Laser, 分布反馈式激光器)以及EML(Electroabsorption Modulated Laser,电吸收调制激光器)等。

面发射激光芯片(VCSEL)是在芯片的上下两面镀光学膜,形成谐振腔,由于光学谐振腔与衬底垂直,能够实现垂直于芯片表面发射激光,主要为VCSEL(垂直腔面发射激光器)。面发射激光芯片有低阈值电流、稳定单波长工作、可高频调制、容易二维集成、没有腔面阈值损伤、制造成本低等优点,但输出功率及电光效率较边发射激光芯片低。

激光芯片作为基础核心技术,已形成相对明确的发展方向,主要为(工业)高功率、(通信)高速率:

高功率半导体激光芯片的主要应用方向之一是功率型激光器的泵浦源。在高功率激光器中,泵浦源将产生的光线通过多模耦合器入射到光学谐振腔的特种光纤中。该特种光纤里掺杂了稀土元素,吸收光子能量后发生能级跃迁,然后以辐射形式从激发态跃迁回基态,释放的能量以准直激光束的形式输出。据炬光科技招股书数据显示,2019~2025年全球高功率半导体激光元器件市场规模将从16.40亿美元快速增长到28.21亿美元。实现更高功率、更高效率、更高可靠性等性能指标会是未来近10年来国内外各团队的研究热点。

高速率激光芯片是决定信息传输速度和网络可靠性的关键元件之一。目前国内高速激光芯片技术落后1~2代,国产化率不高。考虑到光纤接入、5G/6G 移动通信网络、数据中心等需求加大,高速率激光芯片市场广阔,国产替代动力较强。据华泰研究预测,全球高速率激光芯片市场规模有望由2021年的11.4亿美元提升至2025年的19.4亿美元;其中,25G及以上速率芯片市场规模预计由2021年的8.34亿美元提升至2025年的17.44亿美元。

区别于集成电路IC芯片,光芯片在芯片设计环节的附加值较低,核心技术集中于生产制造环节——在制造工艺上,光芯片性能的提升不完全依靠尺寸的减小,更注重外延结构设计与生长。这意味着,布局创新性激光芯片技术,提升制造工艺和自研设备占比仍是未来支撑光芯片产业的立身之本。

光电探测芯片

光电探测器是一种能够将光辐射能量根据半导体的性质将其转换为不同电信号(电流或电压)的芯片,在科学研究和工业领域的高速光通信和高分辨率成像中提供了创新性和颠覆性的应用。

根据芯片的光响应机制的不同,光电探测器整体上可分为两大类:一类是光热探测器,一类是光子探测器。光热探测器是将光敏材料吸收的光辐射能量转变为晶格的热运动能量,从而引起光敏材料的温度上升,使得材料的电学性质或其他物理性质改变的一种光电探测器件。

典型的光热探测器为热敏电阻和热释电探测器。而光子探测器是基于光电效应制备的光电探测器,是应用最为广泛的探测器。在诸多光电探测器中占据主导地位的是高性能半导体光电二极管、固体成像探测器与红外探测器。

据Gartner预测,预计2022E~2025E全球光探测芯片市场保持10.0%的年均复合增速,至2025年市场规模达66.7亿美元。未来,随着技术不断突破和生态体系的完善,国内芯片企业有望实现更高的性价比,实现更高程度的国产替代。

光计算芯片

以光子为信息载体,基于集成在同一衬底上的完整的具有计算功能的光电集成芯片,目前研究热点主要在人工神经网络、神经形态计算(类脑计算)以及量子计算等应用场景。鉴于光计算的模拟计算本质,基于光子的光电模拟计算或将有更丰富的发展方向,如启发式算法求解器、储水池计算、离散傅里叶变换以及光电模拟功能运算器件等,与现有的数字计算互为辅助创造更有前景的计算芯片。

据Yole数据显示,2021年全球硅光芯片市场规模1.51亿美元。此外,据Yole预计,到2027年,全球硅光芯片市场规模有望增长至9.72亿美元,2021~2027年CAGR高达36%;其中,数据中心通信和光计算为2027年硅光芯片最主要的两大应用场景,市场规模分别为4.68亿美元和2.44亿美元。

展望未来,光计算芯片最先落地场景将是人工智能相关场景,以实现下一代高速低功耗智能计算加速器,同时由于深度学习神经网络已相对成熟,因而光子神经网络芯片或将最先工程化落地。

光存储

随着信息社会的发展,数据呈现爆发式增长,主流的存储数据的方法,仍然存在单位成本高的问题,存储寿命短等问题,在此情况下,面对大数据时代的长期保存、低能耗和高可靠的存储要求,光存储技术重新受到市场的追捧。据IDC预计,2018年全球有存储价值的数据为2.6ZB,预计到2025年这类数据量为7.5ZB,其中企业级冷数据为1.8ZB,未来行业空间广阔。

所谓光存储,是指利用激光照射介质,通过激光与介质的相互作用使介质发生物理、化学变化,将信息存储下来的技术。相较于磁存储和半导体存储,光存储具有寿命超长、安全可靠性高和成本低廉等优点,现已广泛应用于国民经济的各行业。

其中,蓝光存储(Blu-ray Disc,简称 BD)是光存储的第三代技术,也会是未来的主流技术。按照读写性能,蓝光存储可分为只读型和可记录型,其中可记录型又分为一次记录和可重复擦写,一次性记录蓝光存储(BD-R)具有容量大、一次刻录不可篡改、寿命长等特性,是目前技术应用最成熟、最先进的企业级光存储介质。

此外,针对存储密度的制约,目前或将来亟待发展的技术还包括:多层蓝光存储技术、多波长多阶光存储 、全息存储等。

不过,由于蓝光存储市场发展周期较短,国际标准在全球范围内没有得到大规模统一,其国际标准主要由索尼、松下等海外巨头制定推广,绝大部分技术专利和产品规格被其控制,同时联合发起成立 BDA(国际蓝光联盟)在全球推广蓝光存储规格标准。光存储技术壁垒高,国内蓝光存储厂商(极)少,国产之路任重道远。

整体而言,考虑到下游光通信、自动驾驶、消费电子等需求丰富,光芯片厂商横向拓展空间广阔。

光学器件/模块

光器件位于光子产业链中游,目前最大的应用市场是光通信产业。其主要功能是在通信传输网络中实现光电信号的转换、传输和放大等。依据器件工作时是否需要电源驱动,光器件大体可分为有源器件和无源器件。其中,有源器件主要负责信号变换与放大,无源器件主要负责信号的传输。

激光器

激光器一般包括增益介质、泵浦源和谐振腔三个部分。而按照增益介质划分,主要包括半导体激光器、气体与准分子激光器、固体激光器、自由电子激光器以及紫外和X射线激光器等。

据《2021中国激光产业发展报告》数据显示, 2020年全球激光器销售额为160.1亿美元,材料加工与光刻、通讯与光存储、科研和军事位列前三,占比分别为39.6%、24.5%、13.8%。Laser Focus World数据则显示,随着智能设备、新能源和医疗等产业的需求增长,我国激光器2021年的市场规模约为129亿美元,占全球激光器近70%的市场份额。未来,随着通信、材料、能源和医疗等产业的发展,高功率激光器将会迎来更大的市场空间。

光探测器

光探测器又称光电二极管,其工作原理是基于光辐射与物质的相互作用所产生的光电效应。一般包括,移相开关二极管(PIN型)、雪崩光电二极管(APD型)、单光子雪崩光电二极管(SPAD型)。

其中,PIN型光电二极管是使用最广泛的光电探测器之一,其优点在于i层具有显著的设计空间。APD型光电二极管具备高度灵敏性,已广泛应用于ToF类激光雷。SPAD型光电二极管则是指在盖革模式下工作的APD,其具备极快的响应速度和极高的灵敏度等特性,成为弱光探测和高速成像研究领域的热点技术之一。

从应用端来看,光电探测器在红外遥感、红外热成像、安防、自动驾驶、工业自动化等领域均有重要作用。而从市场端来看,目前,国外厂商占据主导地位。比如,在APD市场,滨松、First Sensor和日本京东半导体占全球6成以上市场份额;SiPM市场,安森美、滨松、博通等头部厂商市占率合计83%。据相关报告显示,预计2020~2025年,全球光电探测器市场将以9.6%左右的年均复合增速增长,到2025年市场规模将达到151亿元以上。

光放大器

光放大器是基于激光的受激辐射,通过将泵浦光的能量转变为信号光的能量实现放大的器件,主要用于通信端。一般可以分为光纤放大器(OFA)和半导体光放大器(SOA)两种。其中,光纤放大器还可分为掺铒(Er)光纤放大器(EDFA),掺镨光纤放大器以及拉曼放大器(FRA)等。

从市场端来看,2021年全球光放大器市场规模达到9.54亿美元,预计2027年将达到15.81亿美元,年复合增长率为7.83%;地区层面来看,中国是全球最大的光放大器市场,约占38%的市场份额,其次是北美和欧洲。

光连接器

光连接器又称“光纤连接器”,其主要作用是快速连接两根光纤,使光信号可以连续而形成光通路,进而影响光传输系统的性能——带宽、传输速度、可靠性、安全性、重要性。随着我国光纤覆盖率不断提高,对光纤连接器的需求也在不断增长。

据ResearchAndMarkets预测,预计到2027年将达到77.8亿美元,预测期间的年复合增长率为9.2%。

光开关

光开关是光交换系统的基本单元器件,其作用是对光传输线路或集成光路中的光信号进行物理切换或逻辑操作。随着现代数据中心的数据传输速率的提升,光纤网络的需求越来越大,因而建立一个高效的全光网络,以提高速度、降低延迟和增加带宽至关重要。

作为光交换系统中最基本和最核心的部件,高速光开关的重要性堪比电子芯片。据市场调研机构Technavio报告显示,2020~2025年,全球光开关市场将增长至45.7亿美元,年复合增长率达11.74%。

光波分复用器

在同一根光纤中同时传输两个或众多不同波长光信号的技术,称为光波分复用。波分复用器主要包括粗波分复用器(CWDM)、密集波分复用器(DWDM)两大类:

粗波分复用器(CWDM)的波长间隔更宽,对合波器、分波器等相关配套设备的精度要求较低,因而本身成本以及配套设备成本均较低,主要用于城域网接入层;

密集波分复用器(DWDM)的波长间隔窄,可同时传输更多的光信号,极大地提升了光纤传输容量,虽然成本相对较高,但在信息传输量快速增长的情况下,更具市场潜力。

由于光波分复用能以较低的成本在有限的传输芯数中实现逐步扩容升级的要求,同时具备超大容量的光传输、实现更为广阔的区域范围内的信息传递优势,光波分复用技术在现代光纤网络传输中已成为成熟常规化的传输手段。

光滤波器

光滤波器是用来进行波长选择的仪器,它可以从众多的波长中挑选出所需的波长,而除此波长以外的光将会被拒绝通过。主要应用于光纤通信、光网络等。基于光栅原理的滤波器:体光栅滤波器、阵列波导光栅滤波器(AWG)、光纤光栅滤波器、声光可调谐滤波器。

光模块(本文指的是光收发一体模块)

光模块是实现光信号传输过程中光电转换和电光转换功能的光电子器件,通常由光发射器件(TOSA,含激光器)、光接收器件(ROSA,含光探测器)、功能电路和光(电)接口等部分组成。

光模块常见的划分方式是传输速率,目前有1.6T,800G,400G、100G、40G、25G、10G等(400G是目前光通信产业的主要竞争方向,800G和1.6T及以上是未来追逐方向)。

作为信息光电子技术领域核心的光电子器件,光模块是构建现代高速信息网络的基础,主要应用于电信承载网、接入网、数据中心及以太网三大场景。

近两年来,随着数据流量及数据交汇量的增长以及Al高算力传输需求,数通光模块市场的发展开始加速。据Yole预测,光收发模块市场规模将由2021年的102亿美元增长至2027年的247亿美元,年复合增长率为16%。

整体而言,光子器件行业集中度相对分散,2021年行业前四名份额集中度为35%,原因主要在于光子器件技术壁垒较高且种类繁多,对于后进者来说,机会较大。但不可否认的是,这也导致了整合并购的加剧;再者,目前全球有源器件市场规模远大于无源器件市场规模,占光通信器件中占据65%;此外,中国厂商,有源器件端则偏弱(无源器件实力较强),因而市场仍是国外企业占据主导地位。

展望未来,伴随着云计算、物联网等业务的蓬勃发展,网络数据流量持续爆发式增长,全球光电子器件市场仍将快速发展。据Gartner数据显示,2021年全球光电子器件市场规模达414亿美元,预计2025年市场规模有望达到561亿美元,五年(2021~2025年)CAGR为9%。与此同时,从技术端来看,光学器件也将向着速率高、频谱宽、损耗小、功耗低、灵敏度高、集成度高等方向发展。

硅光集成

集成光子技术是以衬底材料作为光学介质,基于芯片工艺集成相应的单元功能光子芯片,实现对光子进行发射、传输、调制和处理,以实现其在光通信、光互连、光计算等领域中的实际应用。

硅基光子集成是最为热门的研究。其最大的动力之一是与CMOS工艺的兼容性,二是工艺成熟度高,经济效益高。目前,主流的集成光子体系有三个:

一是Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料衬底上的单片集成;

二是硅基光子集成;

三是铌酸锂光子集成,其中,LNOI是研究热点。除此之外,以硅酸盐或者玻璃材料为基础的无源光子集成已有一定产业规模,具有低成本与低损耗的优势,但由于波导弯曲半径过大导致无法高度集成且难以实现有源集成,就目前来看并不适应未来大规模集成趋势。

未来,国内在硅光产业方面可重点布局面向数据中心互连、自动驾驶激光雷达、健康检测、白色智能家电等方向硅光产品的全产业链能力建设,尤其是数据中心互连应用场景。

同时,需要针对市场需求着力支持高端产品的研制,比如光通信领域数据中心互连的400G光收发芯片、25.6/51.2Tbps的光开关芯片等,以及光传感领域自动驾驶激光雷达OPA光束控制芯片、FMCW芯片等。

据Yole的预测,硅光光模块市场将从2019年约5亿美元增长到2025年约40亿美元,复合年增长率达41%。而LightCouting数据则显示,2022年硅光子技术将在每秒峰值速度、能耗、成本方面全面超越传统光模块预测,到2024年硅光光模块市场市值将达65亿美金,占比高达60%。

但愈是热门,愈要理性看待。

首先是波导损耗问题,目前硅基光波导技术尚不成熟,但从根本层面上讲硅在1550nm波长损耗低适合做波导,有望在未来突破;硅基集成有源器件,如何在硅上生长高质量的三五族半导体非常值得研究,量子阱、量子点技术备受关注,但如何将激光从有源层跨过4~5μm的缓冲层,耦合到硅基波导中也是亟待突破的问题;与CMOS工艺的兼容也存在痛点,比如目前单元功能光子芯片工艺在百纳米级,而电子芯片28nm工艺已经成熟。

光学仪器/设备与应用市场

光学仪器/设备

光学设备种类繁多,既有由单个光学器件构成的,又有由多个光学器件和其他元器件集成的系统,这些或简单或复杂的仪器/设备可用于观察、记录、检测、分析、传递和制造。因而在信息、能源、生命医学、空间探索和国防安全等领域都不可或缺:

信息领域:激光雷达、AR/VR眼镜、光纤、光子计算机等;

能源领域:太阳能电池、工业激光、照明系统等;

生命领域:OCT、质子/重离子治疗设备、激光医疗器械等;

光子制造:光刻机、超快激光器、激光超声仪等;

空间领域:激光通信卫星、光学遥感、空间望远镜等。

以半导体产业为例。芯片制造包括多个工艺,如初步氧化、涂胶、曝光、显影、刻蚀、离子注入等。其中,光刻是最复杂工艺,其所需的光刻机是最贵的半导体设备,某种程度上可以说,光刻机的技术水平决定了集成电路的水平。

而光刻机的工艺能力则又取决于其光源的波长,尤其是当制程突破7nm及以下时,就需要极紫外光激光,可达13.5nm极短波长的光源,该光源无法从激光器中产生,须由高能激光轰击金属锡激发的等离子体而产生。

事实上,除了半导体产业之外,人工智能、自动驾驶等未来具备万亿市场规模的产业对于光的需求也越来越大。

人工智能

2016年,米磊博士便提出,“光是人工智能时代的底层基础设施”。同时,基于对算力、算法和数据“三驾马车”的发展趋势,米磊博士认为超强算力、NLP以及数据安全也将会成为人工智能发展的重要方向。据此,中科创星自2016年始便开始布局人工智能产业链相关技术,并在早期投资了智谱华章、中科闻歌、瑞莱智慧等硬科技企业。

如今,随着以GPT为代表的AI大模型的发展,新一轮人工智能浪潮再度来临,考虑到大模型的工作原理是在大规模无标注数据上进行训练,学习出一种特征和规则,然后做出一系列“决策”,因此,就其本质而言仍属于“大力出奇迹”(“大算力+强算法”)的结果。

这也意味着能否高效准确地处理大容量实时数据和分析多元复杂场景将会成为制约未来发展人工智能的决定性因素(之一),因此,面对算力高速增长的需求,兼具更高计算性能与更低能耗的特性的光芯片(模块)将会成为人工智能时代重要的“底层基础设施”。

由于硅光芯片具备传输速率高、计算密度大等优势,能够在低成本的前提下有效提高传输性能。同时,基于硅光芯片而集成的硅光模块能够大幅缩小体积,进而能够有效降低成本并控制功耗,是未来人工智能发展重要基础零部件。

此外,CPO(Co-Packaged Optics,共封装光学)由于具备功耗更低、成本更低、集成度更高的有点,能够将硅光芯片封装而成的光引擎和交换ASIC共同装配在同一个插槽上,因而在提升大模型性能方面优势明显。

自动驾驶/车载光学

与人工智能发展具有强关联的产业,便是自动驾驶。作为自动驾驶感知层的核心硬件,传感器的灵敏度往往决定了收集到的信息的质量的好坏,进而也影响了自动驾驶对于环境的决策判断。目前,自动驾驶的传感器主要包括车载摄像头、雷达(激光雷达、超声波雷达、毫米波雷达等)、智能车灯等,都绕不开光学器件。

车载摄像头:目前在L2级别的自动驾驶中主要应用于倒车监控、全景泊车辅助、盲点检测、自适应巡航、前方碰撞预警、车道偏离告警、交通信号及标志牌识别等场景。据ICVTank预测,2025年全球车载摄像头市场规模将达到273亿美元,2015~2025年 10年CAGR为16.0%。其中,国内市场预计2025年将达到237亿元,年复合增速32.7%。

激光雷达:激光雷达是通过发射激光束来测量视场中物体轮廓边沿与设备间的相对距离,从而准确捕捉这些轮廓信息组成点云,并绘制出3D环境地图再传输到系统进行分析并下达车辆行驶指令。要实现穿透浓雾、暴雨、尘土、扬沙,甚至是强烈的顶灯灯光等功能,离不开镜头、透镜、棱镜、转镜等光学零部件。据沙利文统计预测,至2025年全球激光雷达市场规模为135.4亿美元,较2019年可实现64.5%的年均复合增长率。其中,中国激光雷达市场规模将达240.7亿元。

HUD:将投影仪发出的光线经过一系列反射成像到玻璃上,使得驾驶员能够保持目视前方的同时获取必要行车信息,能够提升驾驶安全性。天风证券则预测,到2025年国内HUD抬头显示系统市场规模将达177亿元,全球市场规模达584亿元。当前,HUD的全球整机市场主要由外资主导,因此对于国内企业来说,未来在零部件、整机大有可为。

智能车灯:对于行车安全至关重要。以LED灯为例,其平均寿命可达 3 万小时以上,同功耗下亮度更高,发光效率更高、能耗更低、能够快速响应控制指令。据盖世汽车研究院分析,LED车灯搭载率与渗透率正快速增长,2022年中国LED车灯市场规模约为700亿元。

数字经济与元宇宙

据IDC数据显示,中国元宇宙相关IT支出将在 2025达到近2000亿美元,2021~2025年复合增长率将达到20.2%。而对于元宇宙产业发展来讲,影响最为“直接”的因素就是硬件设备,尤其是显示设备的发展——元宇宙的沉浸式特性对硬件的要求极高。据此,作为下一代智能终端的AR/VR的发展对于元宇宙产业来说至关重要,而两者都十分依赖光学模组,这一点,可以从AR和VR的光学成本占比中看到。

简言之,光子技术作为新一代信息产业基石,是我国推动5G/6G通信、人工智能、智能驾驶和万物互联等领域的核心支撑型技术。毫无疑问的是,光子产业也将会成为下一轮科技革命与大国崛起的前沿堡垒。

全球光子产业发展现状

全球光子产业市场规模

光子产业是一个快速发展的行业。自20世纪80年代始,世界各国便在光子产业投入了大量精力,截至2021年,全球光电产品总规模已经超过2.1万亿美元。随着“消费光子”时代的到来,将带来超过10万亿美金的巨大市场。

从细分市场来看,十大光子驱动的细分市场表现出不同的增长率,前四大增长领域是:半导体制造(+24%),光伏(+21%),传感(+14%),显示器(+8%)。

从国家层面来看,2012~2020年,全球有53个国家和地区参与光子产业全球分工。产值方面,日本名列持续保持第一,但收入同比增长已经趋于平缓。中国则在过去十年中,光子产业在全球占比中出现了显着增长,2012~2020年的年复合增长率接近23%。

从公司层面来看,2020年全球共有4842家企业研发、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)合计企业占据了一半以上的市场份额。SPIE表示,在过去的4年里,光子产业在全球创造了超过500万个工作岗位。日本光子产业从业人数一直趋于持平。2020年,中国在光子产业从业人员数量几乎是2012年的4倍,雇佣员工数量最多。

全球主要国家/地区光子产业规划和布局

美国方面。围绕其国家优先战略需求,自20世纪70年代以来,美国便重点在光子产业战略规划层面进行了相应布局:

20世纪70年代末,美国成立了光电子学产业发展学会(OIDA),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,美国国防部将光子学列为美国的20项关键技术之一。

2013年,美国国家委员会出版《光学和光子学:对本国至关重要的技术》报告,提出美国光学和光子学界面临的五项“大挑战”问题。同时,将光学与光子技术视为BRAIN计划及生物经济蓝图、先进制造、大数据、材料基因计划这四大发展优先战略的底层支撑技术。

2014年,美国成立“国家光子计划”产业联盟,明确表明将会支持发展光学与光子基础研究与早期应用研究计划开发,研究包括生物光子学、从微弱光到单个光子、复杂媒介成像、超低功耗纳米光电子四大领域。

2021年,由美国国会牵头成立了国家光学与光子学核心小组。美国制造光子学研究所与美国空军研究实验室和纽约州立大学研究基金会达成了一项为期七年的新合作协议,其中包括总额超过3.21亿美元的支持。纽约州州长凯西·霍楚(Kathy Hochul)表示:“这些资金将用于帮助确保先进光子的制造准备,这项技术对国家安全以及高性能微电子的未来至关重要。”

2022年8月9日,拜登签署《2022年美国芯片与科学法案》,该法案旨在向美国半导体行业和尖端科研领域提供资金支持,包括《2022年芯片法案》《研发与创新法案》《美国最高法院安全资金法案》。其中,《2022年芯片法案》拨款527亿美元拨款给半导体(芯片)相关基金。

欧洲方面。于21世纪初开始逐渐加码光电子产业。

2007年1月,欧美启动第七个科技框架计划,简称“FP7”,总预算为505.21亿欧元;2013年,欧盟议会通过新的科研框架计划“地平线2020”。“FP7”和“地平线2020”都将光子学技术重点投资领域。

2019年,欧洲国家电子元件和系统领导地位联合执行体(ECSEL JU)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3月,欧盟发布了《欧洲新工业战略》,战略将支持发展对欧洲未来工业有重要战略意义的关键使能技术,以增强欧盟在全球产业竞赛中的竞争力和地缘政治角逐中的战略自主性,光子学名列其中。

此外,英、德、荷等国家也发布了自己的计划:

英国方面。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。

德国方面。2005年,德国推出“卓越计划”,促进德国高等学府光学科研发展。2015年,德国教学研究联邦组织(BMBF)成立数字光子出产(DPP)基地,并每年赞助200万欧元,连续赞助15年。此外,德国Q.ANT公司牵头14家企业形成了“PhoQuant”技术联盟攻关光量子计算芯片,当地的联邦教育和研究部共同出资5000万欧元用于对该技术研发的扶持。

荷兰方面。2022年4月,荷兰通过国家基金并动员其他私营部门机构,向光子集成电路(PIC)产业投入11亿欧元,推动本土企业发展。PhotonDelta联盟表示:“这是荷兰政府巩固和扩大该国作为集成光子学世界领导者地位的国家计划的一部分。”

PhotonHub简介,来源:https://www.photonhub.eu/photonics-for-you/

亚太地区,中、日、韩也在积极筹备光子产业。

日本方面。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。二战后,日本大力发展本国科技,光学领域做了如下部署:

1980年,日本成立了光产业技术振兴协会(OITDA)。

2010年,日本实施光子融合系统基础技术开发计划(PECST),该项目总金额达到1000亿日元。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”。

2019年,日本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,并提出了面向2050年的研发目标。

韩国方面。韩国光子产业发展相对较晚,但发展速度和规模扩张较快。

2010年12月,韩国发布《国家光技术路线图建设》报告,提出到2025年,实现光子产业强国全球第二的愿景,实现创造引领全球市场顶尖产品20个以上、确保世界光子技术源头专利与国际标准率占10%以上、建设创新研发基础与全球网络等3个目标。

2019年12月,制定《光融合技术综合发展计划》,布局重点项目,加大新技术研发投入。除了《国家光技术路线图建设》之外,也于2019年发布了《光融合技术综合发展计划》,表示会全方面、大力支持光子技术与光产业发展。

中国方面。我国光子产业整体发展虽然与国外起步时间差距不大,但由于改革开放前还未形成规模化产业,多是以科研为目的。1994年,香山科学会议后,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,国务院先后发布《中国制造2025》《“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》等国家战略规划,均将光电子技术作为重要方向。

2018年,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。

2019年国家自然科学基金委启动了《国家自然科学基金“十四五”发展规划》和《2021—2035年科学基金中长期发展规划》编制工作后,目前部分“优先发展领域”已公布,包括:高速、集成化半导体光电子器件、超高速光开关、高速光通信、光互连......生物、医学光子学、微光学技术与器件、新型光电子功能材料中的关键科学问题与器件研究、光子晶体及其应用等光相关领域。据相关数据显示,2018和2019年国家自然科学基金资助光学和光电子学研究保持高速增长(2018年资助项目655个,资助金额46252.23万元;2019年资助项目590个,资助金额55078.31万元)。2020年整体资金规模达到41458万元,但项目资助数量增加至663个。

2019年,科技部建立重点研发计划 “光电子与微电子器件及集成”专项;同时,基金委,国家基础科学研究的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。

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项。

除国家层面政策外,国内地方政府也纷纷加码布局光子产业。例如,2016年中科创星成立了国内首只光电芯片基金——“陕西先导光电集成创投基金”,该基金总规模10亿元,主要围绕消费光子、光子集成芯片和光电应用产业进行布局和投资。2021年,陕西布局光子产业链,以补链、强链为抓手,实施“追光计划”,计划到2023年,全省新增一批光子雏鹰或小巨人企业、光子科技冠军企业、本土培育的光子硬科技上市公司,产业规模达到1000亿元。

光子产业未来展望

市场前景广阔,场景融合将成趋势

光子产业是极具有潜力的庞大产业,其中的细分市场都小则百亿,大则近万亿。比如LED产业,2019年的规模已经达到7548亿元,预计2025年会突破万亿。(国家半导体照明工程研发及产业联盟)。

另一方面,光子技术作为未来引领时代变革的核心技术之一,具备极强的“辐射能力”和“渗透能力”,未来光子技术将会从单点应用转换为多元应用,与各大产业紧密结合——消费电子、传感测量、智能终端、生物医疗、量子信息、超级计算、能源化工、军事安全等。

上游材料亟待突破,光芯片更是关键

纵观光子产业,下游应用前景广阔已是共识。反观上游材料、中游芯片/器件、设备/系统作为技术根基,在基础研究和技术成果产业化方面仍需加大力度。其中,材料和芯片是制约光子产业发展的重要因素。尤其是光子芯片,作为光子产业的核心价值环节,光子芯片在信息、能量、生物等各大前沿科技领域都起着不可或缺的作用。

材料端。未来10年及以后,材料创新仍然是光子学的主要驱动力。主要包括,二维材料和超材料、传统半导体、晶体和玻璃材料、新型硅光子材料、可重构自适应光子材料和可编程光子材料、生物相容性光子材料、高速运转有机材料、可持续生物降解有机材料等。

芯片端。与电子产业相似,光子产业的确定性趋势是集成光子。在后摩尔时代,不管是光通信,还是光计算和光传感,具备高工艺成熟度、高经济效益和强兼容性的硅光芯片将会成为未来光子芯片的主流方向。此外,从技术角度来讲,目前硅光技术成熟度仍有待提升,克服前文所提到的一些难点。

制造工艺/系统设备市场,大有可为

工艺端。新工艺是连接材料、物理现象与设备、系统的关键桥梁,具体产业发展方向如下:大规模集成(>1000个元器件)、可持续光子材料、新型功能的光子学集成、光子技术新工艺、大批量流程的即时检测、等离子体光子学的高效集成、光子学的节能制造等。

设备/系统端。21世纪的挑战正在推动新型光子器件和系统的发展。具体产业发展方向如:超越CMOS集成光子学、超高效率激光器(>95%)、高效高宽带光伏电池、高速、高灵敏度探测器、超宽带光网络、放大器、下一代非机械激光雷达、亚纳米光学成像、调制器和光纤、全光网络及其组件。

大国博弈,政策驱动光子产业发展

当前全球经济处在下行周期之中,而要走出经济低谷,需要全球再度引爆新一轮的科技与产业革命——随着新技术的不断产生,其与产业将共同支撑财富增长和文明进步。

同时,前沿科学的每一步的突破,都需要“政-产-学-研-用-金”的支持。因此,未来国家将会对光子技术和产业提供重要的政策和资金支持,如,建设国家级关键共性技术平台和研发机构、引导和鼓励光子产业基金的建立、强化关键公共技术工程师、战略科学家的培育和引育,以及吸引全球科技企业争相落地中国等。

借此,我国将诞生多个千万亿级产业集群,同时大幅提高我国科技产品和服务的附加值,助力我国科技产业实现跨越式发展,实现全球格局下“技术-产业”的超越。

更重要的是,未来60年,随着人类社会迈进“光子时代”,我们的世界将会发生更加深刻的改变。

参考资料:

1.光学和光电子产业发展研究报告.中科创星行研部

2.瞭望|光子芯片,能否让中国“换道超车”?.米磊.瞭望智库

3.在光子时代“逐鹿未来”|国际光日.中科创星

4.Europe’s age of light!How photonics will power growth and innovation.Photonics21

5.Optics & Photonics 2022 Industry Report.SPIE

6.智能驾驶方兴未艾,车载光学长坡厚雪.国金证券

7.半导体激光芯片国产替代:光纤激光器芯片进入加速期,光通信芯片长期空间广阔.海通国际

8.《硬科技:大国竞争的前沿》.国务院发展研究中心国际技术经济研究所 西安市中科硬科技创新研究院.人民邮电出版社

9.《光学材料与元件制造》.叶辉,候昌伦.浙江大学出版社

10.《光学机械基础:光学材料及其加工工艺(第二版)》.崔建英.清华大学出版社

11.中国光学材料行业发展深度研究与投资战略预测报告(2022-2029年).观研网

责编: 爱集微

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