光子技术，关注什么？

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过去数十年，芯片行业遵循摩尔定律主要围绕着硅大做文章，并屡屡突破，取得了之前未敢预期的进展。但进入最近几年，硅芯片越来越接近理论极限，于是行业便探寻新的机会。

这时候，具有极高的传输速度和极低的信号衰减的光子技术便异军突起，在信息传输和处理方面提供了无与伦比的优势。面对这个前景可期的技术，全球厂商正在加大在这方面的投入。

为了帮助相关领域的决策者和实践者提供有价值的光子技术研究参考，深圳东壁科技数据公司联合中国科学院西安光学精密机械研究所、中科创星发布了《光子技术前沿蓝皮书》(以下简称“蓝皮书”)。

光子技术，未来可期

如文章开篇所说，在摩尔定律临近失效的当下，光子技术拥有了很大的吸引力。尤其是在生成式人工智能汹涌来袭之后，光子技术正在加速走向现实。

从蓝皮书中可以看到，作为一项极具潜力的技术，光子技术的发展可以追溯到 20 世纪初，而随着量子力学的建立和激光技术的发明，光子技术迎来了快速发展期。进入 21 世纪，随着信息技术的爆炸性增长，光子技术在高速通信、量子计算等领域的应用日益广泛，以其独特的优势和广泛的应用前景，成为全球研究的热点。

“光子技术作为一门涉及光的产生、传输、检测和处理的技术，光子技术不仅在通信、计算、医疗、能源等领域发挥着重要作用，也凭借其自身的快速发展推动了相关产业的革新。”蓝皮书中强调。

但是，如蓝皮书所说，光子技术仍面临一系列挑战。例如，光子器件的集成度和稳定性需要进一步提高，光子系统的能效和成本效益比需要进一步优化。此外，光子技术的研究和应用需要跨学科的合作和全球范围内的协同发展。这也促使全球领先的专家投入到光子技术的研究中，并推动相关技术落地。

例如在在太阳能光伏领域，钙钛矿太阳能电池技术的突破成为了创业的热点领域。

来到光计算方面，全球知名的分析机构Yole也在其报告中也直言，虽然光学计算仍处于早期阶段，一些大公司也已将重点从光学计算转向光学 I/O，但新的光学计算初创公司不断涌现，探索各种方法。

例如在2017年，刚从麻省理工学院毕业的沈亦晨博士与校友尼古拉斯·哈里斯共同在 Nature Photonics 发布了一篇名为《使用相干纳米光子电路进行深度学习》的论文，提出使用马赫曾德干涉仪组成的光学芯片代替 GPU 进行神经网络计算的方案，理论上只要使用 100nm 的制程，就可以利用光计算可以将主频提升到 100GHz，并且功耗只有传统电子芯片的十万分之一。同年，沈亦晨回国创立了以光计算为核心的人工智能芯片公司曦智科技，并在 2019 年发布了全球首款光子芯片原型板卡，将庞大的光子计算系统集成到板卡上，验证了以光子替代电子进行高性能计算的可行性。2021 年，曦智科技发布高性能光子计算处理器 PACE，成功验证了光子计算的优越性。

知名分析机构Yole在一份报告中更是披露，2022 年硅光子 PIC 市场价值 6800 万美元，预计 2028 年将创造超过 6 亿美元的市场价值，2022-2028 年复合年增长率为 44%。

不过，正如东壁科技数据创始人、原中国科学院科技战略咨询研究院研究员、深圳大学特聘教授吴登生在接受半导体行业观察等采访的时候所说，在广为关注的光技术方面，国内已经发布了很多高质量论文。但是，距离这些研究成果的转化落地，依然需要一定的时间。

有见及此，东壁科技选择与中科创星联手发布这个蓝皮书，希望能够为整个光子技术行业提供指导。

十年演进，关注什么？

在与半导体行业观察等交流时，吴登生教授直言:“我们想着从高质量论文分析入手，分析行业态势，围绕研究-技术-产业这个链条研究，希望为行业提供参考，加速科研成果转化。”

锚着这个目标，东壁科技在全球范围内采集了83种光子领域的重要期刊在2014到2023年发布的与光相关的论文，并对其进行分析。据其统计显示，过去十年光子领域发表的科研论文数量为 256245 篇，并在整体上呈现出稳定增长趋势。

图 1:2014-2023 年光子技术论文数量的年份变化趋势

而通过对论文关键词的分析，蓝皮书总结出了过去十年光子领域最受关注的细分技术。从左侧柱状图可以看到，关键词“光致发光”相关的论文数量最高，其次是“冷发光”、“非线性光学”、“石墨烯”等关键词，表明这些领域在光子研究中具有较高的关注度。

图 2:2014-2023 年光子相关论文关键词分布和年份变化趋势

右侧折线图则展示出这些高频关键词在2014至2023年间的年度发文量变化趋势。从图中可以看出，多个关键词的发文量呈现总体上升趋势，其中“深度学习”在近几年，尤其是 2022 年和 2023 年，有显著的增长。其他如“硅光子学”、“光学性质”也表现出波动但总体上升的趋势，显示出相关领域的研究活跃程度不断增加。同时，不同关键词之间的曲线相对交织，反映出光子学研究领域中热点方向和研究主题的多样性和研究重点的动态变化。

而通过对光子领域科研论文标题、摘要和作者关键词数据进行处理，蓝皮书撰写团队挖掘并展示该领域中 40 个主题，并进行词云图可视化，结合领域专家知识确定各主题的具体名称。图 3 展示了 2014年至 2023 年光子技术领域的 8 大核心研究主题词云图。

图 3:2014-2023 年光子技术领域的 8 大核心主题词云图

据蓝皮书总结，在分析的时间范围内，“光学图像处理与机器学习”这一研究主题的论文数量的增长率超过了整体平均水平加上标准差，表明这是一个蓬勃发展的朝阳领域。在同期，“光纤传感与温度检测”和“量子光学与发射特性研究”这两个领域的论文数量也保持了较高的增长态势。这可能与全球对于高精度传感技术和量子技术日益增长的需求有关。

至于“光波动力学与偏振特性”，因为论文数量增长率明显低于整体平均水平减去标准差，所以蓝皮书将其标准为夕阳领域。

图 4:2014-2023 年光子技术与人工智能技术相关论文年份变化趋势

值得强调的是，如图4所示，光子技术与人工智能的相关研究逐年增加，尤其在 2020 年后增长较快，这表明随着 AI 技术的快速发展，光子技术在 AI 应用中的重要性不断提升，二者的融合正在驱动着新型光子计算和信息处理技术的进步。图 5也表明，光子技术与光芯片技术的研究在此期间也有显著增加，尤其在 2018 年以后呈现持续上升趋势。

图 5:2014-2023 年光子技术与光芯片技术相关论文年份变化趋势

基于这些分析，蓝皮书总结道:“光芯片是高速数据处理和传输的核心，相关研究的增长反映出光子技术在推动光芯片技术进步中起到的关键作用，为未来的数据密集型应用提供支持。”

中国光子，亟待突破

从这个蓝皮书的分析中可以看到，中国已然成为了光子技术高质量论文的主要贡献国。

如下表所示，在统计周期内，中国以 103,177 篇论文领跑，占总论文数的40.26%，显示出其在光子技术研究方面的投入。美国以 40,554 篇论文位列第二，占比 15.83%。其他主要国家如德国、印度(13,559 篇，5.29%)和英国(13,368 篇，5.22%)等也积极参与，虽然其论文数量明显低于中美两国，但仍反映出全球在光子技术领域的广泛兴趣和研究潜力。

表 1:光子技术领域主要国家论文总数与比例

蓝皮书强调，中国在光子技术领域的论文数量占据主导地位，表明其在全球科学研究中的快速崛起，而美国的持续贡献则显示出其强大的研究基础和创新能力，其他国家的参与丰富了这一领域的国际竞争格局。

又因为光子是一个涉及多个学科的交叉领域，如表 2所示，和光子技术产生交叉的领域共有 15 个，分析在这些交叉领域，不同国家论文数量分布的差异。在工程、电气与电子领域，中国同样表现突出，发表了 21,430 篇论文，美国的论文数量为 4,549 篇，说明中国在这一技术领域的快速发展。此外，在应用物理、材料科学和多学科等领域，中国的论文数量也显著高于其他国家。在物理、原子、分子与化学领域，中国与美国的差距较小，分别为 7,439 和 6,878 篇。

表 2:光子技术领域主要国家论文学科领域分布

蓝皮书总结说，总体来看，中国在光子技术领域的研究规模显著增长，而美国的研究活跃度相对而言有所下降。这一趋势不仅表明中国在光子技术领域的迅速追赶，也可能意味着未来国际科研格局的变化。其他国家在这一领域的表现则显示出一定的波动性，未来的发展需要继续关注。

“虽然中国的科研论文数量已经处于领先地位，但是在基础研究质量和关键技术影响力方面与美国、欧盟国家和日本等科研强国的差距并没有显著缩小。中国的相关机构应该更加关注高质量科研成果的产出，继续提升重大原创科研成果的产出能力。”蓝皮书建议。

从蓝皮书中我们还能看到，中国企业对光子技术的支持方向上与美国企业有较大差别。同时，中国企业喜欢资助成熟技术，而国外更倾向资助先进技术，这是需要中国光子产业注意的一点。因为企业对科学研究的资助代表了一种多元化的科研投入机制，它不仅反映了企业对科技创新的重视，也体现了企业在推动科学进步中扮演的积极角色。

“企业通常对市场需求有更敏锐的洞察力，因此它们的资助往往集中在具有潜在商业价值的领域，这有助于加速科技成果的转化和产业化过程。”蓝皮书强调。

对于中国光子产业来说，如果能在发表高质量论文和技术转化方面找到一条切实可行的路径，这对于中国光子技术的现状，必将带来质的飞跃。这也是东壁科技和中科创星所希望看到的。

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