"科學沒有國界，但是科學家有祖國。" 這是錢學森等老一代科學家留給我們最寶貴的精神財富。正是因為有了這樣的信條，他們才能沖破重重阻力回到新中國，把自己的才華、青春甚至生命都奉獻給了這片土地。而這句話，也是中國科學院院士龔旗煌在接受采訪時最喜歡引用的一句話。

11 月 24 日，龔旗煌在 “2020 中國光子產業高峰論壇” 活動上，發表了題為《光子的未來》的主旨報告。

在報告中，龔旗煌警示，現在大家都在講 “卡脖子”，實際上，不僅僅是脖子被卡，手也被卡、腳也被卡。他認為，光子行業要發展的話，需要全面從基礎上來做產業提升。

同時，龔旗煌指出，中國在光子學方面進展迅速，目前已經有可以卡別人脖子的研究突破，如光學晶體、非線性光學晶體等。

如今，北京已經成為全國光子領域的頂尖科技資源匯聚地，國家獎在光電子領域共計 15 項，占全國（40 項）總數的將近 40%，與光電有關的中科院兩院院士 12 位，在北京占到了全國的三分之一。可惜的是，北京的光子產業做的不好。龔旗煌建議整合北京的優勢資源，加大投入，建設世界一流光子學研發機構。

以下為現場報告內容，經過不改變原意的編輯和整理。

光子學的重要意義

光子學一詞最早出現于 1970 年，荷蘭科學家 Poldervaart 首次提出 Photonics 概念：“研究以光子為信息載體的科學” 和 “以光子作為能量載體的科學”。錢學森認為，光子學是與電子學平行的科學，應遵循 “光子學 — 光子技術 — 光子工業” 的發展模式。1994 年的香山會議，明確給光子學一個定義，即研究作為信息和能量載體的光子行為及其應用的科學，廣義地講，光子學是關于光子及其應用的科學。

在中國的光子學歷史上，王大珩先生很有創意性地在中國學科上建了一個光學工程，它是和數理化一樣的一級學科，光子學可以約等于光電子的概念。

上世紀 60 年代，激光出現之后，平均每三年就有一個諾貝爾獎頒給光子學的成果，不僅僅在物理學獎，甚至化學獎、生理學或醫學獎，都是用光子學的技術做了很多的工作。所以在 2018 年，聯合國教科文組織把 5 月 16 號定義為 “國際光日”。光子學不僅僅是推動了科學的發展，更多在人類進步當中起著越來越多的作用。

圖 | 光子發展節點

光子的意義跟電子相比，第一，響應速度非常快，光子脈沖可以到 fs 量級，信息速率可以達到幾十個 Tb/s；第二，極高的信息容量，比電子高 3-4 個量級；第三，有極強的存儲和計算能力。之前非常熱的光學全息成像，一次可以進行數百萬比特的讀寫操作，光子能以 “光速” 進行超低能耗運算；第四，極強的并行和互連能力，光子是 “玻色子，不同波長的光可用于多路同時通信”。

如果說 20 世紀是電的世紀，那么，21 世紀是光的世紀。

包括太陽能的利用、光通信、光互聯和光計算、激光武器，都是光子學一個重要的前景，所以我們迎接了 “光子世界”。

光子學的重要研究領域與方向，包含光子器件與光電集成、激光器件與應用、光電探測與傳感、光電控制與處理、光傳輸與光交換、微納光電子集成、量子光學與量子信息、微波光子學、生物醫學光子學。實際上更重要的是一個系統工程，有光學加工制造的技術與應用、光電成像、光譜學和光的處理系統，還有光電測量、光電檢測，以及真正最后形成的光學儀器和系統。

光和電是分不開的。從電的系統來看，從電學開始發展到電子學、電子回路、電子集成，再從電子系統、電子工程到電子產業。光也是類似，從光學、光子學、光子回路、光子集成，再到光子系統、光子工程、光子產業。光和電必須是交融在一起，這是未來很重要的一個發展方向。

圖 | 光電融合示意圖

光子技術是新一代信息技術的重要基礎，估算一下，到 2020 年，相關產業鏈達到了 1.8 萬億美元的光子產業。包括很多大家熟悉的方向：數據、傳輸、能量激光、紅外成像等等，現在的自動駕駛，用的很多也是光學的技術，傳感靠光電與電磁波，這個產業的后期發展潛力非常大。

圖 | 2020 年光子產業規模

國內外光子學布局

日本在 2010 年就開始實施光子融合系統基礎技術開發計劃（PECST），作為日本內閣府支持的尖端研究開發資助計劃（FIRST）之一，目標是在 2025 年實現 “片上服務器” 和 “片上數據中心”。基于光子，這個計劃很宏偉，也在推進之中。

2018 年，美國國防高級研究計劃局（DARPA）宣布了第二階段電子復興計劃項目：實現在人工智能、相控陣、傳感器和數據處理等領域的突破性發展。

歐盟第八框架 —— 地平線 2020 計劃（光子集成技術項目）已經累計投入 64.7 歐元，發布電子發展路線圖：《歐洲光時代》，提出了光子學的發展方向。

2020 年，英國發布了光子的長期規劃，研究內容覆蓋光電子材料、光學和物理現象、加工工藝、光子學器件和系統，確定了 70 個光電研究主題，基本上覆蓋了光子與光電子的全部領域。

中國在國家層面也對光子研究所有布局。包括科技部的重點研發計劃 “光電子與微電子器件及集成” 專項；基金委，國家最基礎的科學研究，有兩個學部都在支持光學與光電子學，比如信息學部有信息光學與光電子器件、激光技術與技術光學；數理學部從光物理方面支持。

各個地方的布局也有很多，80% 的產業集中在華東、華中、華南地區，華東地區的長三角是最大的一個產業，達到 200 多億。華東地區因為武漢光谷的帶領，也有 200 億的產值。華南地區是珠三角，也達到了幾十億的產值。

北大光子學獨具優勢

通過 20 多年的努力，北大光子學研究聚集了一批國內、國外一流的人才，也產生了一系列重要的研究進展。從高校來講，現在不唯論文，但還是發表了一系列的重要成果，并且申請了專利。在產業化方面，學校往前推進一步，在長三角、珠三角建立了光電研究院。

在 2018 年 9 月份，教育部成立了前沿科學中心，北大的納光電子前沿科學中心獲首批之一，作為重點支持的方向，教育部給了很大的支持。在納光電子前沿科技研究方面，人才隊伍包括 3 位院士、8 位教育部長江特聘教授、15 人獲國家杰出青年基金，多人獲何梁何利科學獎等等。預設投資 1 個億，重點建設納光電子芯片設計、工藝制作公共平臺，支撐光電子的發展。

圖 | 集成光量子芯片和量子信息應用

圖 | 光子晶體微納器件與芯片

北大在硅基上設計出來的通用的光量子計算芯片、光量子模擬芯片，已經在南通長三角光電研究院進行孵化和推進。在常規微納光學方面，研究了光子開關、光子邏輯門、光子二極管等等。還實現了新型光子芯片原型，像光子邏輯芯片、光子神經網絡芯片、拓撲光子芯片等等，都已經往產業化發展推進。

同時也發展了一些更深入的概念，比如拓撲保護的高 Q 值光學諧振態和拓撲保護的單向輻射光學諧振態。

圖 | 光子學新原理與新型集成光子器件

研究的高性能納米激光器，為光芯片的發展做了很好的奠定基礎。可以把整個器件做到毫米量級，把目前的尺度降到 9 個量級。

圖 | 高性能納米激光器

還有就是用微米光纖、微腔，大概是幾十微米到百微米的尺度，實現了微腔光梳。現在作為一個預研項目，在軍委支持下開展工作。微腔有很大的應用，非常敏感，可以實現單病毒、單分子的無標記、實時監測，已經在光電院進行產業轉化。

圖 | 微腔光梳與精準檢測

此外，也在研究輕型化的鈣鈦礦光伏電池，性能達到了國際上最好的水準；新型三維顯微成像技術，空間分辨率可以做到 100nm，深層超衍射極限分辨熒光顯微可以達到毫米量級，這對于化學生物的過程，甚至是生命過程，有非常重要的意義。已經有樣機出來，很快會進行產業化轉移。

圖 | 新型三維顯微成像技術

光子學的主要挑戰

現在大家都在講 “卡脖子”，實際上，不僅僅是脖子被卡，手也被卡、腳也被卡。光子行業要發展的話，需要全面從基礎上來做產業提升。

中國是材料大國，但不是材料強國，很多重要材料都要去國外買，才能獲得最好的材料，所以我們要做先進光學材料研究。

我們的光學晶體、非線性光學晶體，這些都是目前可以卡別人脖子的地方。

圖 | 光子學的研究方向

因為光子學是一個新興領域，我們的布局稍微早一點。但是怎么做好，需要投入精力去做。以上這些都是光子學未來研究前沿，又是非常重要的應用前景的方向。一旦突破，會對我們的產業有非常大的推動作用。

統計一下，北京在光子領域匯聚全國頂尖的科技資源，國家獎在光電子領域共計 15 項，占全國（40 項）總數的將近 40%，與光電有關的中科院兩院院士 12 位，在北京占到了全國的三分之一。有很多頂尖的團隊在中科院半導體所、物理所、微電子所、北大、清華、北郵等等，都是光學很強的研究力量。同時有很多國家實驗室與中心，都落戶北京。

但是很可惜，看光子產業圖，實際上北京的份額占的很小。所以建議整合北京的優勢資源，加大投入。沒有投入，就沒有產出。同時培養人才、引進人才，創造留住人才、用好人才的環境，是需要思考的問題。

關于發展目標，一是面向光子發展前沿和國家戰略需求，解決我國高端光子器件發展瓶頸；二是加強產學研協作，要有一套完善的光子工藝平臺，即使北大投了一個億，也做不了一個非常好的平臺；三是培育光子領域高新技術企業，形成光子產業生態集群，要想辦法使它落戶在北京；四是具有自主知識產權的核心技術，實現部分關鍵材料和器件的國產化替代。

具體措施就是建設世界一流光子學研發機構，北京要做一個大的布局，如果還是現在這個樣子，過了 5 年、10 年之后，在光子產業，也許北京還占不到一個地位。

龔旗煌履歷：

身為中國科學院院士，北京大學博雅講席教授、黨委常委、常務副校長的龔旗煌，出生于福建省莆田市，為人隨和、謙虛，學術造詣深厚。1983 年，他從北大物理系本科畢業后，留在本系開始研究生階段學習；1988 年，他以中英聯合培養博士生身份，赴英國曼徹斯特大學，之后獲北大物理學博士并任教授，在 2013 年當選為中國科學院院士。

龔旗煌長期從事非線性與量子光學、時空小尺度光學前沿研究。在 Science、Nature Photonics、Nature Physics、Physics Reports 和 Physical Review Letters 等發表論文 500 余篇。先后擔任國家基金委 “介觀光學與飛秒物理創新研究群體”、“飛秒 - 納米時空分辨光學實驗系統” 國家重大科研儀器研制項目和科技部 “極端光學創新研究團隊” 負責人。其團隊主要研究方向為：介觀量子光學與光量子芯片；突破經典極限光學與光電子學；量子態超快測量與光場調控等。

龔旗煌提出通過電荷快速轉移獲得超快響應和大系數的三階非線性光學材料的新方法，實現了高性能超快低閾值全光開關；開拓飛秒 / 納米時空高分辨光學測量，實現了納微結構超快光調控及電子態的人工調控。

原文標題：中科院院士龔旗煌最新解讀，一文讀懂光子產業的布局與未來

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責任編輯：haq