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光子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展前景與萬(wàn)億產(chǎn)值的光子產(chǎn)業(yè)鏈全景圖詳解

感知芯視界 ? 來(lái)源:中科創(chuàng)星 ? 作者:中科創(chuàng)星 ? 2023-06-05 13:09 ? 次閱讀

來(lái)源:中科創(chuàng)星,謝謝

光子產(chǎn)業(yè)是現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)體系的“核心關(guān)鍵”,是未來(lái)產(chǎn)業(yè)的基石。

編輯:感知芯視界

當(dāng)前,5G通信人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、生物技術(shù)、航空航天、智能制造、新能源、生命科學(xué)的蓬勃發(fā)展,人類即將開(kāi)啟新的“文明紀(jì)元”。光子技術(shù)作為前述產(chǎn)業(yè)最關(guān)鍵、最核心、最底層的技術(shù),具有極強(qiáng)的“頭雁”效應(yīng),將會(huì)占據(jù)未來(lái)產(chǎn)業(yè)成本的70%。

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據(jù)國(guó)際光學(xué)工程學(xué)會(huì)SPIE統(tǒng)計(jì)分析,2012年光子產(chǎn)業(yè)的總營(yíng)收為1.5萬(wàn)億美元,2021年光電產(chǎn)品全球年收入超過(guò)2.1萬(wàn)億美元,九年增長(zhǎng)40%,年復(fù)合增長(zhǎng)率為3.9%。


對(duì)此,中科創(chuàng)星認(rèn)為,發(fā)展光子產(chǎn)業(yè),既是推動(dòng)中國(guó)打造未來(lái)萬(wàn)億產(chǎn)值產(chǎn)業(yè)集群的重要著力點(diǎn),也是搶占全球科技創(chuàng)新重要戰(zhàn)略的切入點(diǎn)。

PART 01

光子產(chǎn)業(yè)生態(tài)概述

光子產(chǎn)業(yè)可劃分為上游的光子材料、中游的光子芯片/器件/模塊,以及下游的設(shè)備/系統(tǒng)和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用。

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上游:光子材料

對(duì)于光子技術(shù)而言,材料一直是光子產(chǎn)業(yè)的重要領(lǐng)域。每一次材料工藝的發(fā)展和新材料的出現(xiàn),都會(huì)給下游產(chǎn)業(yè)帶來(lái)革命性的影響。光子材料是指利用光子或光相互作用來(lái)實(shí)現(xiàn)信息產(chǎn)生、傳輸、存儲(chǔ)、顯示、探測(cè)及處理的材料,主要包括光學(xué)玻璃、光學(xué)晶體、光學(xué)塑料等。

01

光學(xué)玻璃

光學(xué)玻璃可控制光的傳播方向,并改變光波段的相對(duì)光譜能量分布。一般包括無(wú)色光學(xué)玻璃、有色光學(xué)玻璃和特種光學(xué)玻璃。

其中,無(wú)色光學(xué)玻璃在光學(xué)儀器的制造中使用最多,如絕大多數(shù)透鏡、棱鏡等光學(xué)零件。無(wú)色光學(xué)玻璃還可進(jìn)行進(jìn)一步的細(xì)分——普通光學(xué)玻璃、耐輻射光學(xué)玻璃和激光玻璃:

普通光學(xué)玻璃一般用于光學(xué)透鏡、棱鏡、分劃板、度盤、光柵、刻尺等;

耐輻射光學(xué)玻璃應(yīng)用于存在γ射線、X射線等輻射性較強(qiáng)的場(chǎng)合;

激光玻璃應(yīng)用于激光器的諧振腔中,是產(chǎn)生激光的零部件。

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近10年,傳統(tǒng)光學(xué)玻璃的應(yīng)用從單純光學(xué)轉(zhuǎn)向光電子學(xué)、光子學(xué),從擴(kuò)展產(chǎn)業(yè)規(guī)模轉(zhuǎn)向高性能、高質(zhì)量產(chǎn)品。今后也將更多地用于光學(xué)信息科學(xué),如自動(dòng)駕駛車載鏡頭、機(jī)器視覺(jué)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和混合現(xiàn)實(shí)(AR/MR)以及生命科學(xué)等領(lǐng)域。

02

光學(xué)晶體

光學(xué)晶體具備均勻性、各向異性、對(duì)稱性、自范性和穩(wěn)定性,因此,隨著光電技術(shù)的發(fā)展,光學(xué)晶體在光電技術(shù)中的重要性和不可替代性日益明顯。不過(guò),由于天然的光學(xué)晶體已遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了要求,現(xiàn)在的光學(xué)晶體主要是人造晶體。

以激光晶體為例。當(dāng)前,實(shí)用化的激光晶體已從最初的幾種基質(zhì)材料發(fā)展到數(shù)十種,并在各個(gè)方面獲得了實(shí)際應(yīng)用。如中、高功率激光應(yīng)用方面主要Nd:YAG,低功率小型化激光的Nd:YVO4以及可調(diào)諧、超快激光應(yīng)用主要是Ti:Al2O3,這三種基礎(chǔ)激光晶體。

03

光學(xué)塑料

光學(xué)塑料是有機(jī)高分子聚合物,是工程塑料中具有嚴(yán)格光學(xué)性能和一定力學(xué)性能的塑料,可制作各種光學(xué)零件和各種濾光片。

根據(jù)材料受熱后性能的變化,光學(xué)塑料可分為熱逆性光學(xué)塑料和熱固性光學(xué)塑料兩大類:

熱塑性光學(xué)塑料:隨著溫度的升高,材料變軟,可以將其壓制成所需要的形狀,冷卻后,零件形狀固定。目前,光學(xué)塑料大部分是熱塑性的,常用的有聚甲基丙烯酸甲酯(俗稱“有機(jī)玻璃”)、聚苯乙烯、聚碳酸酯等。

熱固性光學(xué)塑料:在溫度變化的初期,材料隨溫度升高而變軟,具有可塑性,再繼續(xù)升溫,材料伴隨化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生而變硬,使形狀固定;如果冷卻后再加熱,材料也不再軟化,不再具有可塑性。常見(jiàn)的熱固性光學(xué)塑料有CR39樹(shù)脂、環(huán)氧光學(xué)塑料等。

正因?yàn)楣鈱W(xué)塑料具有易成型,重量輕、耐沖擊和價(jià)格低等特點(diǎn),所以除代替光學(xué)玻璃外,光學(xué)塑料還可用于制備人工水晶體、隱形眼鏡、無(wú)碎片眼鏡等。

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據(jù)觀研報(bào)告網(wǎng)發(fā)布的《中國(guó)光學(xué)材料行業(yè)發(fā)展深度研究與投資戰(zhàn)略預(yù)測(cè)報(bào)告(2022-2029年)》顯示:2021年,光學(xué)材料市場(chǎng)規(guī)模超33億元。其中,光學(xué)玻璃占比超過(guò)80%,主要應(yīng)用于天文、國(guó)防、航天、工業(yè)等領(lǐng)域。

目前,除部分高端光學(xué)玻璃仍需進(jìn)口外,當(dāng)前國(guó)內(nèi)光學(xué)玻璃的自給率和產(chǎn)能較高;光學(xué)晶體方面,國(guó)內(nèi)已經(jīng)可以穩(wěn)定供應(yīng)包括非線性光學(xué)晶體、激光晶體、雙折射晶體、磁光晶體、聲光及電光晶體、閃爍晶體等各類光學(xué)晶體,且已廣泛用于激光器件、光通信器件、紅外器件中;壁壘較高的光學(xué)塑料則主要依賴進(jìn)口。

光子中游:光(電)芯片/器件/模塊

01

光(電)芯片

光(電)芯片是光子產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵價(jià)值環(huán)節(jié),廣泛應(yīng)用于光纖接入、5G 通信網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)中心等場(chǎng)景,且占據(jù)產(chǎn)業(yè)鏈的價(jià)值最高點(diǎn)——價(jià)值占比通常在40%~60%,對(duì)于高端光器件而言價(jià)值占比會(huì)更高。

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目前,主流的光子芯片主要包括化合物半導(dǎo)體激光器芯片(又稱“激光二極管芯片”)和光電探測(cè)器芯片。

▌激光器芯片

根據(jù)諧振腔制造工藝不同,半導(dǎo)體激光器芯片可進(jìn)一步細(xì)分為面發(fā)射芯片(VCSEL)和邊發(fā)射芯片(EEL):

邊發(fā)射激光芯片(EEL)是在芯片的兩側(cè)鍍光學(xué)膜形成諧振腔,沿平行于襯底表面發(fā)射激光,邊發(fā)射型激光種類較多,包括FP(Fabry–Pérot,法布里-珀羅激光器)、DFB(Distributed Feedback Laser, 分布反饋式激光器)以及EML(Electroabsorption Modulated Laser,電吸收調(diào)制激光器)等。

面發(fā)射激光芯片(VCSEL)是在芯片的上下兩面鍍光學(xué)膜,形成諧振腔,由于光學(xué)諧振腔與襯底垂直,能夠?qū)崿F(xiàn)垂直于芯片表面發(fā)射激光,主要為VCSEL(垂直腔面發(fā)射激光器)。面發(fā)射激光芯片有低閾值電流、穩(wěn)定單波長(zhǎng)工作、可高頻調(diào)制、容易二維集成、沒(méi)有腔面閾值損傷、制造成本低等優(yōu)點(diǎn),但輸出功率及電光效率較邊發(fā)射激光芯片低。

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激光芯片作為基礎(chǔ)核心技術(shù),已形成相對(duì)明確的發(fā)展方向,主要為(工業(yè))高功率、(通信)高速率

高功率半導(dǎo)體激光芯片的主要應(yīng)用方向之一是功率型激光器的泵浦源。在高功率激光器中,泵浦源將產(chǎn)生的光線通過(guò)多模耦合器入射到光學(xué)諧振腔的特種光纖中。該特種光纖里摻雜了稀土元素,吸收光子能量后發(fā)生能級(jí)躍遷,然后以輻射形式從激發(fā)態(tài)躍遷回基態(tài),釋放的能量以準(zhǔn)直激光束的形式輸出。據(jù)炬光科技招股書數(shù)據(jù)顯示,2019~2025年全球高功率半導(dǎo)體激光元器件市場(chǎng)規(guī)模將從16.40億美元快速增長(zhǎng)到28.21億美元。實(shí)現(xiàn)更高功率、更高效率、更高可靠性等性能指標(biāo)會(huì)是未來(lái)近10年來(lái)國(guó)內(nèi)外各團(tuán)隊(duì)的研究熱點(diǎn)。

高速率激光芯片是決定信息傳輸速度和網(wǎng)絡(luò)可靠性的關(guān)鍵元件之一。目前國(guó)內(nèi)高速激光芯片技術(shù)落后1~2代,國(guó)產(chǎn)化率不高??紤]到光纖接入、5G/6G 移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)中心等需求加大,高速率激光芯片市場(chǎng)廣闊,國(guó)產(chǎn)替代動(dòng)力較強(qiáng)。據(jù)華泰研究預(yù)測(cè),全球高速率激光芯片市場(chǎng)規(guī)模有望由2021年的11.4億美元提升至2025年的19.4億美元;其中,25G及以上速率芯片市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)由2021年的8.34億美元提升至2025年的17.44億美元。

區(qū)別于集成電路IC芯片,光芯片在芯片設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的附加值較低,核心技術(shù)集中于生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)——在制造工藝上,光芯片性能的提升不完全依靠尺寸的減小,更注重外延結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與生長(zhǎng)。這意味著,布局創(chuàng)新性激光芯片技術(shù),提升制造工藝和自研設(shè)備占比仍是未來(lái)支撐光芯片產(chǎn)業(yè)的立身之本。

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▌光電探測(cè)芯片

光電探測(cè)器是一種能夠?qū)⒐廨椛淠芰扛鶕?jù)半導(dǎo)體的性質(zhì)將其轉(zhuǎn)換為不同電信號(hào)(電流或電壓)的芯片,在科學(xué)研究和工業(yè)領(lǐng)域的高速光通信和高分辨率成像中提供了創(chuàng)新性和顛覆性的應(yīng)用。

根據(jù)芯片的光響應(yīng)機(jī)制的不同,光電探測(cè)器整體上可分為兩大類:一類是光熱探測(cè)器,一類是光子探測(cè)器。光熱探測(cè)器是將光敏材料吸收的光輻射能量轉(zhuǎn)變?yōu)榫Ц竦臒徇\(yùn)動(dòng)能量,從而引起光敏材料的溫度上升,使得材料的電學(xué)性質(zhì)或其他物理性質(zhì)改變的一種光電探測(cè)器件。

典型的光熱探測(cè)器為熱敏電阻和熱釋電探測(cè)器。而光子探測(cè)器是基于光電效應(yīng)制備的光電探測(cè)器,是應(yīng)用最為廣泛的探測(cè)器。在諸多光電探測(cè)器中占據(jù)主導(dǎo)地位的是高性能半導(dǎo)體光電二極管、固體成像探測(cè)器與紅外探測(cè)器。

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據(jù)Gartner預(yù)測(cè),預(yù)計(jì)2022E~2025E全球光探測(cè)芯片市場(chǎng)保持10.0%的年均復(fù)合增速,至2025年市場(chǎng)規(guī)模達(dá)66.7億美元。未來(lái),隨著技術(shù)不斷突破和生態(tài)體系的完善,國(guó)內(nèi)芯片企業(yè)有望實(shí)現(xiàn)更高的性價(jià)比,實(shí)現(xiàn)更高程度的國(guó)產(chǎn)替代。

▌光計(jì)算芯片

以光子為信息載體,基于集成在同一襯底上的完整的具有計(jì)算功能的光電集成芯片,目前研究熱點(diǎn)主要在人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、神經(jīng)形態(tài)計(jì)算(類腦計(jì)算)以及量子計(jì)算等應(yīng)用場(chǎng)景。鑒于光計(jì)算的模擬計(jì)算本質(zhì),基于光子的光電模擬計(jì)算或?qū)⒂懈S富的發(fā)展方向,如啟發(fā)式算法求解器、儲(chǔ)水池計(jì)算、離散傅里葉變換以及光電模擬功能運(yùn)算器件等,與現(xiàn)有的數(shù)字計(jì)算互為輔助創(chuàng)造更有前景的計(jì)算芯片。

據(jù)Yole數(shù)據(jù)顯示,2021年全球硅光芯片市場(chǎng)規(guī)模1.51億美元。此外,據(jù)Yole預(yù)計(jì),到2027年,全球硅光芯片市場(chǎng)規(guī)模有望增長(zhǎng)至9.72億美元,2021~2027年CAGR高達(dá)36%;其中,數(shù)據(jù)中心通信和光計(jì)算為2027年硅光芯片最主要的兩大應(yīng)用場(chǎng)景,市場(chǎng)規(guī)模分別為4.68億美元和2.44億美元。

展望未來(lái),光計(jì)算芯片最先落地場(chǎng)景將是人工智能相關(guān)場(chǎng)景,以實(shí)現(xiàn)下一代高速低功耗智能計(jì)算加速器,同時(shí)由于深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)已相對(duì)成熟,因而光子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)芯片或?qū)⒆钕裙こ袒涞亍?/strong>

▌光存儲(chǔ)

隨著信息社會(huì)的發(fā)展,數(shù)據(jù)呈現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng),主流的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的方法,仍然存在單位成本高的問(wèn)題,存儲(chǔ)壽命短等問(wèn)題,在此情況下,面對(duì)大數(shù)據(jù)時(shí)代的長(zhǎng)期保存、低能耗和高可靠的存儲(chǔ)要求,光存儲(chǔ)技術(shù)重新受到市場(chǎng)的追捧。據(jù)IDC預(yù)計(jì),2018年全球有存儲(chǔ)價(jià)值的數(shù)據(jù)為2.6ZB,預(yù)計(jì)到2025年這類數(shù)據(jù)量為7.5ZB,其中企業(yè)級(jí)冷數(shù)據(jù)為1.8ZB,未來(lái)行業(yè)空間廣闊。

所謂光存儲(chǔ),是指利用激光照射介質(zhì),通過(guò)激光與介質(zhì)的相互作用使介質(zhì)發(fā)生物理、化學(xué)變化,將信息存儲(chǔ)下來(lái)的技術(shù)。相較于磁存儲(chǔ)和半導(dǎo)體存儲(chǔ),光存儲(chǔ)具有壽命超長(zhǎng)、安全可靠性高和成本低廉等優(yōu)點(diǎn),現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各行業(yè)。

其中,藍(lán)光存儲(chǔ)(Blu-ray Disc,簡(jiǎn)稱 BD)是光存儲(chǔ)的第三代技術(shù),也會(huì)是未來(lái)的主流技術(shù)。按照讀寫性能,藍(lán)光存儲(chǔ)可分為只讀型和可記錄型,其中可記錄型又分為一次記錄和可重復(fù)擦寫,一次性記錄藍(lán)光存儲(chǔ)(BD-R)具有容量大、一次刻錄不可篡改、壽命長(zhǎng)等特性,是目前技術(shù)應(yīng)用最成熟、最先進(jìn)的企業(yè)級(jí)光存儲(chǔ)介質(zhì)。

此外,針對(duì)存儲(chǔ)密度的制約,目前或?qū)?lái)亟待發(fā)展的技術(shù)還包括:多層藍(lán)光存儲(chǔ)技術(shù)、多波長(zhǎng)多階光存儲(chǔ) 、全息存儲(chǔ)等。

不過(guò),由于藍(lán)光存儲(chǔ)市場(chǎng)發(fā)展周期較短,國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)在全球范圍內(nèi)沒(méi)有得到大規(guī)模統(tǒng)一,其國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)主要由索尼、松下等海外巨頭制定推廣,絕大部分技術(shù)專利和產(chǎn)品規(guī)格被其控制,同時(shí)聯(lián)合發(fā)起成立 BDA(國(guó)際藍(lán)光聯(lián)盟)在全球推廣藍(lán)光存儲(chǔ)規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)。光存儲(chǔ)技術(shù)壁壘高,國(guó)內(nèi)藍(lán)光存儲(chǔ)廠商(極)少,國(guó)產(chǎn)之路任重道遠(yuǎn)。

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整體而言,考慮到下游光通信、自動(dòng)駕駛、消費(fèi)電子等需求豐富,光芯片廠商橫向拓展空間廣闊。

02

光學(xué)器件/模塊

光器件位于光子產(chǎn)業(yè)鏈中游,目前最大的應(yīng)用市場(chǎng)是光通信產(chǎn)業(yè)。其主要功能是在通信傳輸網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)光電信號(hào)的轉(zhuǎn)換、傳輸和放大等。依據(jù)器件工作時(shí)是否需要電源驅(qū)動(dòng),光器件大體可分為有源器件和無(wú)源器件。其中,有源器件主要負(fù)責(zé)信號(hào)變換與放大,無(wú)源器件主要負(fù)責(zé)信號(hào)的傳輸。

▌激光器

激光器一般包括增益介質(zhì)、泵浦源和諧振腔三個(gè)部分。而按照增益介質(zhì)劃分,主要包括半導(dǎo)體激光器、氣體與準(zhǔn)分子激光器、固體激光器、自由電子激光器以及紫外和X射線激光器等。

據(jù)《2021中國(guó)激光產(chǎn)業(yè)發(fā)展報(bào)告》數(shù)據(jù)顯示, 2020年全球激光器銷售額為160.1億美元,材料加工與光刻、通訊與光存儲(chǔ)、科研和軍事位列前三,占比分別為39.6%、24.5%、13.8%。Laser Focus World數(shù)據(jù)則顯示,隨著智能設(shè)備、新能源和醫(yī)療等產(chǎn)業(yè)的需求增長(zhǎng),我國(guó)激光器2021年的市場(chǎng)規(guī)模約為129億美元,占全球激光器近70%的市場(chǎng)份額。未來(lái),隨著通信、材料、能源和醫(yī)療等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,高功率激光器將會(huì)迎來(lái)更大的市場(chǎng)空間。

▌光探測(cè)器

光探測(cè)器又稱光電二極管,其工作原理是基于光輻射與物質(zhì)的相互作用所產(chǎn)生的光電效應(yīng)。一般包括,移相開(kāi)關(guān)二極管PIN型)、雪崩光電二極管(APD型)、單光子雪崩光電二極管(SPAD型)。

其中,PIN型光電二極管是使用最廣泛的光電探測(cè)器之一,其優(yōu)點(diǎn)在于i層具有顯著的設(shè)計(jì)空間。APD型光電二極管具備高度靈敏性,已廣泛應(yīng)用于ToF類激光雷。SPAD型光電二極管則是指在蓋革模式下工作的APD,其具備極快的響應(yīng)速度和極高的靈敏度等特性,成為弱光探測(cè)和高速成像研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)技術(shù)之一。

從應(yīng)用端來(lái)看,光電探測(cè)器在紅外遙感、紅外熱成像、安防、自動(dòng)駕駛、工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域均有重要作用。而從市場(chǎng)端來(lái)看,目前,國(guó)外廠商占據(jù)主導(dǎo)地位。比如,在APD市場(chǎng),濱松、First Sensor和日本京東半導(dǎo)體占全球6成以上市場(chǎng)份額;SiPM市場(chǎng),安森美、濱松、博通等頭部廠商市占率合計(jì)83%。據(jù)相關(guān)報(bào)告顯示,預(yù)計(jì)2020~2025年,全球光電探測(cè)器市場(chǎng)將以9.6%左右的年均復(fù)合增速增長(zhǎng),到2025年市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到151億元以上。

▌光放大器

放大器是基于激光的受激輻射,通過(guò)將泵浦光的能量轉(zhuǎn)變?yōu)樾盘?hào)光的能量實(shí)現(xiàn)放大的器件,主要用于通信端。一般可以分為光纖放大器(OFA)和半導(dǎo)體光放大器(SOA)兩種。其中,光纖放大器還可分為摻鉺(Er)光纖放大器(EDFA),摻鐠光纖放大器以及拉曼放大器(FRA)等。

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從市場(chǎng)端來(lái)看,2021年全球光放大器市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到9.54億美元,預(yù)計(jì)2027年將達(dá)到15.81億美元,年復(fù)合增長(zhǎng)率為7.83%;地區(qū)層面來(lái)看,中國(guó)是全球最大的光放大器市場(chǎng),約占38%的市場(chǎng)份額,其次是北美和歐洲。

▌光連接器

光連接器又稱“光纖連接器”,其主要作用是快速連接兩根光纖,使光信號(hào)可以連續(xù)而形成光通路,進(jìn)而影響光傳輸系統(tǒng)的性能——帶寬、傳輸速度、可靠性、安全性、重要性。隨著我國(guó)光纖覆蓋率不斷提高,對(duì)光纖連接器的需求也在不斷增長(zhǎng)。

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據(jù)ResearchAndMarkets預(yù)測(cè),預(yù)計(jì)到2027年將達(dá)到77.8億美元,預(yù)測(cè)期間的年復(fù)合增長(zhǎng)率為9.2%。

▌光開(kāi)關(guān)

光開(kāi)關(guān)是光交換系統(tǒng)的基本單元器件,其作用是對(duì)光傳輸線路或集成光路中的光信號(hào)進(jìn)行物理切換或邏輯操作。隨著現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)傳輸速率的提升,光纖網(wǎng)絡(luò)的需求越來(lái)越大,因而建立一個(gè)高效的全光網(wǎng)絡(luò),以提高速度、降低延遲和增加帶寬至關(guān)重要。

作為光交換系統(tǒng)中最基本和最核心的部件,高速光開(kāi)關(guān)的重要性堪比電子芯片。據(jù)市場(chǎng)調(diào)研機(jī)構(gòu)Technavio報(bào)告顯示,2020~2025年,全球光開(kāi)關(guān)市場(chǎng)將增長(zhǎng)至45.7億美元,年復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)11.74%。

▌光波分復(fù)用器

在同一根光纖中同時(shí)傳輸兩個(gè)或眾多不同波長(zhǎng)光信號(hào)的技術(shù),稱為光波分復(fù)用。波分復(fù)用器主要包括粗波分復(fù)用器(CWDM)、密集波分復(fù)用器(DWDM)兩大類:

粗波分復(fù)用器(CWDM)的波長(zhǎng)間隔更寬,對(duì)合波器、分波器等相關(guān)配套設(shè)備的精度要求較低,因而本身成本以及配套設(shè)備成本均較低,主要用于城域網(wǎng)接入層;

密集波分復(fù)用器(DWDM)的波長(zhǎng)間隔窄,可同時(shí)傳輸更多的光信號(hào),極大地提升了光纖傳輸容量,雖然成本相對(duì)較高,但在信息傳輸量快速增長(zhǎng)的情況下,更具市場(chǎng)潛力。

由于光波分復(fù)用能以較低的成本在有限的傳輸芯數(shù)中實(shí)現(xiàn)逐步擴(kuò)容升級(jí)的要求,同時(shí)具備超大容量的光傳輸、實(shí)現(xiàn)更為廣闊的區(qū)域范圍內(nèi)的信息傳遞優(yōu)勢(shì),光波分復(fù)用技術(shù)在現(xiàn)代光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸中已成為成熟常規(guī)化的傳輸手段。

▌光濾波器

濾波器是用來(lái)進(jìn)行波長(zhǎng)選擇的儀器,它可以從眾多的波長(zhǎng)中挑選出所需的波長(zhǎng),而除此波長(zhǎng)以外的光將會(huì)被拒絕通過(guò)。主要應(yīng)用于光纖通信、光網(wǎng)絡(luò)等?;诠鈻旁淼臑V波器:體光柵濾波器、陣列波導(dǎo)光柵濾波器(AWG)、光纖光柵濾波器、聲光可調(diào)諧濾波器。

▌光模塊(本文指的是光收發(fā)一體模塊)

光模塊是實(shí)現(xiàn)光信號(hào)傳輸過(guò)程中光電轉(zhuǎn)換和電光轉(zhuǎn)換功能的光電子器件,通常由光發(fā)射器件(TOSA,含激光器)、光接收器件(ROSA,含光探測(cè)器)、功能電路和光(電)接口等部分組成。

光模塊常見(jiàn)的劃分方式是傳輸速率,目前有1.6T,800G,400G、100G、40G、25G、10G等(400G是目前光通信產(chǎn)業(yè)的主要競(jìng)爭(zhēng)方向,800G和1.6T及以上是未來(lái)追逐方向)。

作為信息光電子技術(shù)領(lǐng)域核心的光電子器件,光模塊是構(gòu)建現(xiàn)代高速信息網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ),主要應(yīng)用于電信承載網(wǎng)、接入網(wǎng)、數(shù)據(jù)中心及以太網(wǎng)三大場(chǎng)景。

近兩年來(lái),隨著數(shù)據(jù)流量及數(shù)據(jù)交匯量的增長(zhǎng)以及Al高算力傳輸需求,數(shù)通光模塊市場(chǎng)的發(fā)展開(kāi)始加速。據(jù)Yole預(yù)測(cè),光收發(fā)模塊市場(chǎng)規(guī)模將由2021年的102億美元增長(zhǎng)至2027年的247億美元,年復(fù)合增長(zhǎng)率為16%。

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整體而言,光子器件行業(yè)集中度相對(duì)分散,2021年行業(yè)前四名份額集中度為35%,原因主要在于光子器件技術(shù)壁壘較高且種類繁多,對(duì)于后進(jìn)者來(lái)說(shuō),機(jī)會(huì)較大。但不可否認(rèn)的是,這也導(dǎo)致了整合并購(gòu)的加?。辉僬?,目前全球有源器件市場(chǎng)規(guī)模遠(yuǎn)大于無(wú)源器件市場(chǎng)規(guī)模,占光通信器件中占據(jù)65%;此外,中國(guó)廠商,有源器件端則偏弱(無(wú)源器件實(shí)力較強(qiáng)),因而市場(chǎng)仍是國(guó)外企業(yè)占據(jù)主導(dǎo)地位。

展望未來(lái),伴隨著云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等業(yè)務(wù)的蓬勃發(fā)展,網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量持續(xù)爆發(fā)式增長(zhǎng),全球光電子器件市場(chǎng)仍將快速發(fā)展。據(jù)Gartner數(shù)據(jù)顯示,2021年全球光電子器件市場(chǎng)規(guī)模達(dá)414億美元,預(yù)計(jì)2025年市場(chǎng)規(guī)模有望達(dá)到561億美元,五年(2021~2025年)CAGR為9%。與此同時(shí),從技術(shù)端來(lái)看,光學(xué)器件也將向著速率高、頻譜寬、損耗小、功耗低、靈敏度高、集成度高等方向發(fā)展。

03

硅光集成

集成光子技術(shù)是以襯底材料作為光學(xué)介質(zhì),基于芯片工藝集成相應(yīng)的單元功能光子芯片,實(shí)現(xiàn)對(duì)光子進(jìn)行發(fā)射、傳輸、調(diào)制和處理,以實(shí)現(xiàn)其在光通信、光互連、光計(jì)算等領(lǐng)域中的實(shí)際應(yīng)用。

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硅基光子集成是最為熱門的研究。其最大的動(dòng)力之一是與CMOS工藝的兼容性,二是工藝成熟度高,經(jīng)濟(jì)效益高。目前,主流的集成光子體系有三個(gè):

一是Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體材料襯底上的單片集成;

二是硅基光子集成;

三是鈮酸鋰光子集成,其中,LNOI是研究熱點(diǎn)。除此之外,以硅酸鹽或者玻璃材料為基礎(chǔ)的無(wú)源光子集成已有一定產(chǎn)業(yè)規(guī)模,具有低成本與低損耗的優(yōu)勢(shì),但由于波導(dǎo)彎曲半徑過(guò)大導(dǎo)致無(wú)法高度集成且難以實(shí)現(xiàn)有源集成,就目前來(lái)看并不適應(yīng)未來(lái)大規(guī)模集成趨勢(shì)。

未來(lái),國(guó)內(nèi)在硅光產(chǎn)業(yè)方面可重點(diǎn)布局面向數(shù)據(jù)中心互連、自動(dòng)駕駛激光雷達(dá)、健康檢測(cè)、白色智能家電等方向硅光產(chǎn)品的全產(chǎn)業(yè)鏈能力建設(shè),尤其是數(shù)據(jù)中心互連應(yīng)用場(chǎng)景。

同時(shí),需要針對(duì)市場(chǎng)需求著力支持高端產(chǎn)品的研制,比如光通信領(lǐng)域數(shù)據(jù)中心互連的400G光收發(fā)芯片、25.6/51.2Tbps的光開(kāi)關(guān)芯片等,以及光傳感領(lǐng)域自動(dòng)駕駛激光雷達(dá)OPA光束控制芯片、FMCW芯片等。

據(jù)Yole的預(yù)測(cè),硅光光模塊市場(chǎng)將從2019年約5億美元增長(zhǎng)到2025年約40億美元,復(fù)合年增長(zhǎng)率達(dá)41%。而LightCouting數(shù)據(jù)則顯示,2022年硅光子技術(shù)將在每秒峰值速度、能耗、成本方面全面超越傳統(tǒng)光模塊預(yù)測(cè),到2024年硅光光模塊市場(chǎng)市值將達(dá)65億美金,占比高達(dá)60%。

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但愈是熱門,愈要理性看待。

首先是波導(dǎo)損耗問(wèn)題,目前硅基光波導(dǎo)技術(shù)尚不成熟,但從根本層面上講硅在1550nm波長(zhǎng)損耗低適合做波導(dǎo),有望在未來(lái)突破;硅基集成有源器件,如何在硅上生長(zhǎng)高質(zhì)量的三五族半導(dǎo)體非常值得研究,量子阱、量子點(diǎn)技術(shù)備受關(guān)注,但如何將激光從有源層跨過(guò)4~5μm的緩沖層,耦合到硅基波導(dǎo)中也是亟待突破的問(wèn)題;與CMOS工藝的兼容也存在痛點(diǎn),比如目前單元功能光子芯片工藝在百納米級(jí),而電子芯片28nm工藝已經(jīng)成熟。

光學(xué)儀器/設(shè)備與應(yīng)用市場(chǎng)

01

光學(xué)儀器/設(shè)備

光學(xué)設(shè)備種類繁多,既有由單個(gè)光學(xué)器件構(gòu)成的,又有由多個(gè)光學(xué)器件和其他元器件集成的系統(tǒng),這些或簡(jiǎn)單或復(fù)雜的儀器/設(shè)備可用于觀察、記錄、檢測(cè)、分析、傳遞和制造。因而在信息、能源、生命醫(yī)學(xué)、空間探索和國(guó)防安全等領(lǐng)域都不可或缺:

信息領(lǐng)域:激光雷達(dá)、AR/VR眼鏡、光纖、光子計(jì)算機(jī)等;

能源領(lǐng)域:太陽(yáng)能電池、工業(yè)激光、照明系統(tǒng)等;

生命領(lǐng)域:OCT、質(zhì)子/重離子治療設(shè)備、激光醫(yī)療器械等;

光子制造:***、超快激光器、激光超聲儀等;

空間領(lǐng)域:激光通信衛(wèi)星、光學(xué)遙感、空間望遠(yuǎn)鏡等。

以半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)為例。芯片制造包括多個(gè)工藝,如初步氧化、涂膠、曝光、顯影、刻蝕、離子注入等。其中,光刻是最復(fù)雜工藝,其所需的***是最貴的半導(dǎo)體設(shè)備,某種程度上可以說(shuō),***的技術(shù)水平?jīng)Q定了集成電路的水平。

而***的工藝能力則又取決于其光源的波長(zhǎng),尤其是當(dāng)制程突破7nm及以下時(shí),就需要極紫外光激光,可達(dá)13.5nm極短波長(zhǎng)的光源,該光源無(wú)法從激光器中產(chǎn)生,須由高能激光轟擊金屬錫激發(fā)的等離子體而產(chǎn)生。

事實(shí)上,除了半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)之外,人工智能、自動(dòng)駕駛等未來(lái)具備萬(wàn)億市場(chǎng)規(guī)模的產(chǎn)業(yè)對(duì)于光的需求也越來(lái)越大。

02

人工智能

2016年,米磊博士便提出,“光是人工智能時(shí)代的底層基礎(chǔ)設(shè)施”。同時(shí),基于對(duì)算力、算法和數(shù)據(jù)“三駕馬車”的發(fā)展趨勢(shì),米磊博士認(rèn)為超強(qiáng)算力、NLP以及數(shù)據(jù)安全也將會(huì)成為人工智能發(fā)展的重要方向。據(jù)此,中科創(chuàng)星自2016年始便開(kāi)始布局人工智能產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)技術(shù),并在早期投資了智譜華章、中科聞歌、瑞萊智慧等硬科技企業(yè)。

如今,隨著以GPT為代表的AI大模型的發(fā)展,新一輪人工智能浪潮再度來(lái)臨,考慮到大模型的工作原理是在大規(guī)模無(wú)標(biāo)注數(shù)據(jù)上進(jìn)行訓(xùn)練,學(xué)習(xí)出一種特征和規(guī)則,然后做出一系列“決策”,因此,就其本質(zhì)而言仍屬于“大力出奇跡”(“大算力+強(qiáng)算法”)的結(jié)果。

這也意味著能否高效準(zhǔn)確地處理大容量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和分析多元復(fù)雜場(chǎng)景將會(huì)成為制約未來(lái)發(fā)展人工智能的決定性因素(之一),因此,面對(duì)算力高速增長(zhǎng)的需求,兼具更高計(jì)算性能與更低能耗的特性的光芯片(模塊)將會(huì)成為人工智能時(shí)代重要的“底層基礎(chǔ)設(shè)施”。

由于硅光芯片具備傳輸速率高、計(jì)算密度大等優(yōu)勢(shì),能夠在低成本的前提下有效提高傳輸性能。同時(shí),基于硅光芯片而集成的硅光模塊能夠大幅縮小體積,進(jìn)而能夠有效降低成本并控制功耗,是未來(lái)人工智能發(fā)展重要基礎(chǔ)零部件。

此外,CPO(Co-Packaged Optics,共封裝光學(xué))由于具備功耗更低、成本更低、集成度更高的有點(diǎn),能夠?qū)⒐韫庑酒庋b而成的光引擎和交換ASIC共同裝配在同一個(gè)插槽上,因而在提升大模型性能方面優(yōu)勢(shì)明顯。

03

自動(dòng)駕駛/車載光學(xué)

與人工智能發(fā)展具有強(qiáng)關(guān)聯(lián)的產(chǎn)業(yè),便是自動(dòng)駕駛。作為自動(dòng)駕駛感知層的核心硬件,傳感器的靈敏度往往決定了收集到的信息的質(zhì)量的好壞,進(jìn)而也影響了自動(dòng)駕駛對(duì)于環(huán)境的決策判斷。目前,自動(dòng)駕駛的傳感器主要包括車載攝像頭、雷達(dá)(激光雷達(dá)、超聲波雷達(dá)、毫米波雷達(dá)等)、智能車燈等,都繞不開(kāi)光學(xué)器件。

車載攝像頭:目前在L2級(jí)別的自動(dòng)駕駛中主要應(yīng)用于倒車監(jiān)控、全景泊車輔助、盲點(diǎn)檢測(cè)、自適應(yīng)巡航、前方碰撞預(yù)警、車道偏離告警、交通信號(hào)及標(biāo)志牌識(shí)別等場(chǎng)景。據(jù)ICVTank預(yù)測(cè),2025年全球車載攝像頭市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到273億美元,2015~2025年 10年CAGR為16.0%。其中,國(guó)內(nèi)市場(chǎng)預(yù)計(jì)2025年將達(dá)到237億元,年復(fù)合增速32.7%。

激光雷達(dá):激光雷達(dá)是通過(guò)發(fā)射激光束來(lái)測(cè)量視場(chǎng)中物體輪廓邊沿與設(shè)備間的相對(duì)距離,從而準(zhǔn)確捕捉這些輪廓信息組成點(diǎn)云,并繪制出3D環(huán)境地圖再傳輸?shù)较到y(tǒng)進(jìn)行分析并下達(dá)車輛行駛指令。要實(shí)現(xiàn)穿透濃霧、暴雨、塵土、揚(yáng)沙,甚至是強(qiáng)烈的頂燈燈光等功能,離不開(kāi)鏡頭、透鏡、棱鏡、轉(zhuǎn)鏡等光學(xué)零部件。據(jù)沙利文統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè),至2025年全球激光雷達(dá)市場(chǎng)規(guī)模為135.4億美元,較2019年可實(shí)現(xiàn)64.5%的年均復(fù)合增長(zhǎng)率。其中,中國(guó)激光雷達(dá)市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)240.7億元。

HUD:將投影儀發(fā)出的光線經(jīng)過(guò)一系列反射成像到玻璃上,使得駕駛員能夠保持目視前方的同時(shí)獲取必要行車信息,能夠提升駕駛安全性。天風(fēng)證券則預(yù)測(cè),到2025年國(guó)內(nèi)HUD抬頭顯示系統(tǒng)市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)177億元,全球市場(chǎng)規(guī)模達(dá)584億元。當(dāng)前,HUD的全球整機(jī)市場(chǎng)主要由外資主導(dǎo),因此對(duì)于國(guó)內(nèi)企業(yè)來(lái)說(shuō),未來(lái)在零部件、整機(jī)大有可為。

智能車燈:對(duì)于行車安全至關(guān)重要。以LED燈為例,其平均壽命可達(dá) 3 萬(wàn)小時(shí)以上,同功耗下亮度更高,發(fā)光效率更高、能耗更低、能夠快速響應(yīng)控制指令。據(jù)蓋世汽車研究院分析,LED車燈搭載率與滲透率正快速增長(zhǎng),2022年中國(guó)LED車燈市場(chǎng)規(guī)模約為700億元。

04

數(shù)字經(jīng)濟(jì)與元宇宙

據(jù)IDC數(shù)據(jù)顯示,中國(guó)元宇宙相關(guān)IT支出將在 2025達(dá)到近2000億美元,2021~2025年復(fù)合增長(zhǎng)率將達(dá)到20.2%。而對(duì)于元宇宙產(chǎn)業(yè)發(fā)展來(lái)講,影響最為“直接”的因素就是硬件設(shè)備,尤其是顯示設(shè)備的發(fā)展——元宇宙的沉浸式特性對(duì)硬件的要求極高。據(jù)此,作為下一代智能終端的AR/VR的發(fā)展對(duì)于元宇宙產(chǎn)業(yè)來(lái)說(shuō)至關(guān)重要,而兩者都十分依賴光學(xué)模組,這一點(diǎn),可以從AR和VR的光學(xué)成本占比中看到。

簡(jiǎn)言之,光子技術(shù)作為新一代信息產(chǎn)業(yè)基石,是我國(guó)推動(dòng)5G/6G通信、人工智能、智能駕駛和萬(wàn)物互聯(lián)等領(lǐng)域的核心支撐型技術(shù)。毫無(wú)疑問(wèn)的是,光子產(chǎn)業(yè)也將會(huì)成為下一輪科技革命與大國(guó)崛起的前沿堡壘。

PART 02

全球光子產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

全球光子產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)規(guī)模

光子產(chǎn)業(yè)是一個(gè)快速發(fā)展的行業(yè)。自20世紀(jì)80年代始,世界各國(guó)便在光子產(chǎn)業(yè)投入了大量精力,截至2021年,全球光電產(chǎn)品總規(guī)模已經(jīng)超過(guò)2.1萬(wàn)億美元。隨著“消費(fèi)光子”時(shí)代的到來(lái),將帶來(lái)超過(guò)10萬(wàn)億美金的巨大市場(chǎng)。

從細(xì)分市場(chǎng)來(lái)看,十大光子驅(qū)動(dòng)的細(xì)分市場(chǎng)表現(xiàn)出不同的增長(zhǎng)率,前四大增長(zhǎng)領(lǐng)域是:半導(dǎo)體制造(+24%),光伏(+21%),傳感(+14%),顯示器(+8%)。

從國(guó)家層面來(lái)看,2012~2020年,全球有53個(gè)國(guó)家和地區(qū)參與光子產(chǎn)業(yè)全球分工。產(chǎn)值方面,日本名列持續(xù)保持第一,但收入同比增長(zhǎng)已經(jīng)趨于平緩。中國(guó)則在過(guò)去十年中,光子產(chǎn)業(yè)在全球占比中出現(xiàn)了顯著增長(zhǎng),2012~2020年的年復(fù)合增長(zhǎng)率接近23%。

公司層面來(lái)看,2020年全球共有4842家企業(yè)研發(fā)、生產(chǎn)和銷售光子核心器件和產(chǎn)品,其中,中國(guó)(1804家)和美國(guó)(946家)合計(jì)企業(yè)占據(jù)了一半以上的市場(chǎng)份額。SPIE表示,在過(guò)去的4年里,光子產(chǎn)業(yè)在全球創(chuàng)造了超過(guò)500萬(wàn)個(gè)工作崗位。日本光子產(chǎn)業(yè)從業(yè)人數(shù)一直趨于持平。2020年,中國(guó)在光子產(chǎn)業(yè)從業(yè)人員數(shù)量幾乎是2012年的4倍,雇傭員工數(shù)量最多。

全球主要國(guó)家/地區(qū)光子產(chǎn)業(yè)規(guī)劃和布局

美國(guó)方面。圍繞其國(guó)家優(yōu)先戰(zhàn)略需求,自20世紀(jì)70年代以來(lái),美國(guó)便重點(diǎn)在光子產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略規(guī)劃層面進(jìn)行了相應(yīng)布局:

20世紀(jì)70年代末,美國(guó)成立了光電子學(xué)產(chǎn)業(yè)發(fā)展學(xué)會(huì)(OIDA),旨在于促進(jìn)北美光電子產(chǎn)業(yè)在全球市場(chǎng)上競(jìng)爭(zhēng)力的提高。

1998年,美國(guó)國(guó)防部將光子學(xué)列為美國(guó)的20項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)之一。

2013年,美國(guó)國(guó)家委員會(huì)出版《光學(xué)和光子學(xué):對(duì)本國(guó)至關(guān)重要的技術(shù)》報(bào)告,提出美國(guó)光學(xué)和光子學(xué)界面臨的五項(xiàng)“大挑戰(zhàn)”問(wèn)題。同時(shí),將光學(xué)與光子技術(shù)視為BRAIN計(jì)劃及生物經(jīng)濟(jì)藍(lán)圖、先進(jìn)制造、大數(shù)據(jù)、材料基因計(jì)劃這四大發(fā)展優(yōu)先戰(zhàn)略的底層支撐技術(shù)。

2014年,美國(guó)成立“國(guó)家光子計(jì)劃”產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟,明確表明將會(huì)支持發(fā)展光學(xué)與光子基礎(chǔ)研究與早期應(yīng)用研究計(jì)劃開(kāi)發(fā),研究包括生物光子學(xué)、從微弱光到單個(gè)光子、復(fù)雜媒介成像、超低功耗納米光電子四大領(lǐng)域。

2021年,由美國(guó)國(guó)會(huì)牽頭成立了國(guó)家光學(xué)與光子學(xué)核心小組。美國(guó)制造光子學(xué)研究所與美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室和紐約州立大學(xué)研究基金會(huì)達(dá)成了一項(xiàng)為期七年的新合作協(xié)議,其中包括總額超過(guò)3.21億美元的支持。紐約州州長(zhǎng)凱西·霍楚(Kathy Hochul)表示:“這些資金將用于幫助確保先進(jìn)光子的制造準(zhǔn)備,這項(xiàng)技術(shù)對(duì)國(guó)家安全以及高性能微電子的未來(lái)至關(guān)重要?!?/p>

2022年8月9日,拜登簽署《2022年美國(guó)芯片與科學(xué)法案》,該法案旨在向美國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)和尖端科研領(lǐng)域提供資金支持,包括《2022年芯片法案》《研發(fā)與創(chuàng)新法案》《美國(guó)最高法院安全資金法案》。其中,《2022年芯片法案》撥款527億美元撥款給半導(dǎo)體(芯片)相關(guān)基金。

歐洲方面。于21世紀(jì)初開(kāi)始逐漸加碼光電子產(chǎn)業(yè)。

2007年1月,歐美啟動(dòng)第七個(gè)科技框架計(jì)劃,簡(jiǎn)稱“FP7”,總預(yù)算為505.21億歐元;2013年,歐盟議會(huì)通過(guò)新的科研框架計(jì)劃“地平線2020”?!癋P7”和“地平線2020”都將光子學(xué)技術(shù)重點(diǎn)投資領(lǐng)域。

2019年,歐洲國(guó)家電子元件和系統(tǒng)領(lǐng)導(dǎo)地位聯(lián)合執(zhí)行體(ECSEL JU)年度戰(zhàn)略計(jì)劃(2020),將多個(gè)光子領(lǐng)域技術(shù)作為重點(diǎn)研究方向。

2020年3月,歐盟發(fā)布了《歐洲新工業(yè)戰(zhàn)略》,戰(zhàn)略將支持發(fā)展對(duì)歐洲未來(lái)工業(yè)有重要戰(zhàn)略意義的關(guān)鍵使能技術(shù),以增強(qiáng)歐盟在全球產(chǎn)業(yè)競(jìng)賽中的競(jìng)爭(zhēng)力和地緣政治角逐中的戰(zhàn)略自主性,光子學(xué)名列其中。

此外,英、德、荷等國(guó)家也發(fā)布了自己的計(jì)劃:

英國(guó)方面。2020年,英國(guó)發(fā)布了光子的長(zhǎng)期規(guī)劃,研究?jī)?nèi)容覆蓋光電子材料、光學(xué)和物理現(xiàn)象、加工工藝、光子學(xué)器件和系統(tǒng),確定70個(gè)光電研究主題,基本上覆蓋了光子與光電子的全部領(lǐng)域。

德國(guó)方面。2005年,德國(guó)推出“卓越計(jì)劃”,促進(jìn)德國(guó)高等學(xué)府光學(xué)科研發(fā)展。2015年,德國(guó)教學(xué)研究聯(lián)邦組織(BMBF)成立數(shù)字光子出產(chǎn)(DPP)基地,并每年贊助200萬(wàn)歐元,連續(xù)贊助15年。此外,德國(guó)Q.ANT公司牽頭14家企業(yè)形成了“PhoQuant”技術(shù)聯(lián)盟攻關(guān)光量子計(jì)算芯片,當(dāng)?shù)氐穆?lián)邦教育和研究部共同出資5000萬(wàn)歐元用于對(duì)該技術(shù)研發(fā)的扶持。

荷蘭方面。2022年4月,荷蘭通過(guò)國(guó)家基金并動(dòng)員其他私營(yíng)部門機(jī)構(gòu),向光子集成電路(PIC)產(chǎn)業(yè)投入11億歐元,推動(dòng)本土企業(yè)發(fā)展。PhotonDelta聯(lián)盟表示:“這是荷蘭政府鞏固和擴(kuò)大該國(guó)作為集成光子學(xué)世界領(lǐng)導(dǎo)者地位的國(guó)家計(jì)劃的一部分。”

亞太地區(qū),中、日、韓也在積極籌備光子產(chǎn)業(yè)。

日本方面。日本的光子產(chǎn)業(yè)肇始于十九世紀(jì)末,日本政府于1906年在東京建設(shè)了日本光學(xué)研究實(shí)驗(yàn)室。因日本參與第一次世界大戰(zhàn)的影響,研究精密玻璃、光學(xué)涂層、精密光學(xué)組件和光電子器件等占據(jù)主流,主要服務(wù)于生產(chǎn)軍事裝備的光學(xué)器件。二戰(zhàn)后,日本大力發(fā)展本國(guó)科技,光學(xué)領(lǐng)域做了如下部署:

1980年,日本成立了光產(chǎn)業(yè)技術(shù)振興協(xié)會(huì)(OITDA)。

2010年,日本實(shí)施光子融合系統(tǒng)基礎(chǔ)技術(shù)開(kāi)發(fā)計(jì)劃(PECST),該項(xiàng)目總金額達(dá)到1000億日元。作為日本內(nèi)閣府支持的尖端研究開(kāi)發(fā)資助計(jì)劃(FIRST)之一,目標(biāo)是在 2025 年實(shí)現(xiàn) “片上服務(wù)器” 和 “片上數(shù)據(jù)中心”。

2019年,日本啟動(dòng)了旨在支持顛覆性創(chuàng)新、復(fù)興科技創(chuàng)新立國(guó)的新項(xiàng)目“登月型”研發(fā)項(xiàng)目,并提出了面向2050年的研發(fā)目標(biāo)。

韓國(guó)方面。韓國(guó)光子產(chǎn)業(yè)發(fā)展相對(duì)較晚,但發(fā)展速度和規(guī)模擴(kuò)張較快。

2010年12月,韓國(guó)發(fā)布《國(guó)家光技術(shù)路線圖建設(shè)》報(bào)告,提出到2025年,實(shí)現(xiàn)光子產(chǎn)業(yè)強(qiáng)國(guó)全球第二的愿景,實(shí)現(xiàn)創(chuàng)造引領(lǐng)全球市場(chǎng)頂尖產(chǎn)品20個(gè)以上、確保世界光子技術(shù)源頭專利與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)率占10%以上、建設(shè)創(chuàng)新研發(fā)基礎(chǔ)與全球網(wǎng)絡(luò)等3個(gè)目標(biāo)。

2019年12月,制定《光融合技術(shù)綜合發(fā)展計(jì)劃》,布局重點(diǎn)項(xiàng)目,加大新技術(shù)研發(fā)投入。除了《國(guó)家光技術(shù)路線圖建設(shè)》之外,也于2019年發(fā)布了《光融合技術(shù)綜合發(fā)展計(jì)劃》,表示會(huì)全方面、大力支持光子技術(shù)與光產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

中國(guó)方面。我國(guó)光子產(chǎn)業(yè)整體發(fā)展雖然與國(guó)外起步時(shí)間差距不大,但由于改革開(kāi)放前還未形成規(guī)?;a(chǎn)業(yè),多是以科研為目的。1994年,香山科學(xué)會(huì)議后,我國(guó)開(kāi)始關(guān)注光子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,并對(duì)光子產(chǎn)業(yè)在經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起到的推動(dòng)性作用有了越來(lái)越明確的認(rèn)識(shí)和共識(shí):

2015年以來(lái),國(guó)務(wù)院先后發(fā)布《中國(guó)制造2025》《“十三五”國(guó)家科技創(chuàng)新規(guī)劃》《“十三五”國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》等國(guó)家戰(zhàn)略規(guī)劃,均將光電子技術(shù)作為重要方向。

2018年,工信部發(fā)布《中國(guó)光電子器件產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展路線圖(2018—2022年)》,聚焦光通信器件、通信光纖光纜、特種光纖、光傳感器件四大方向。

2019年國(guó)家自然科學(xué)基金委啟動(dòng)了《國(guó)家自然科學(xué)基金“十四五”發(fā)展規(guī)劃》和《2021—2035年科學(xué)基金中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》編制工作后,目前部分“優(yōu)先發(fā)展領(lǐng)域”已公布,包括:高速、集成化半導(dǎo)體光電子器件、超高速光開(kāi)關(guān)、高速光通信、光互連......生物、醫(yī)學(xué)光子學(xué)、微光學(xué)技術(shù)與器件、新型光電子功能材料中的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題與器件研究、光子晶體及其應(yīng)用等光相關(guān)領(lǐng)域。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示,2018和2019年國(guó)家自然科學(xué)基金資助光學(xué)和光電子學(xué)研究保持高速增長(zhǎng)(2018年資助項(xiàng)目655個(gè),資助金額46252.23萬(wàn)元;2019年資助項(xiàng)目590個(gè),資助金額55078.31萬(wàn)元)。2020年整體資金規(guī)模達(dá)到41458萬(wàn)元,但項(xiàng)目資助數(shù)量增加至663個(gè)。

2019年,科技部建立重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃 “光電子與微電子器件及集成”專項(xiàng);同時(shí),基金委,國(guó)家基礎(chǔ)科學(xué)研究的兩個(gè)學(xué)部都在支持光學(xué)與光電子學(xué),比如信息學(xué)部有信息光學(xué)與光電子器件、激光技術(shù)與技術(shù)光學(xué);數(shù)理學(xué)部從光物理方面支持。

2021年,“信息光子技術(shù)”被列為“十四五”國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃重點(diǎn)專項(xiàng)。

除國(guó)家層面政策外,國(guó)內(nèi)地方政府也紛紛加碼布局光子產(chǎn)業(yè)。例如,2016年中科創(chuàng)星成立了國(guó)內(nèi)首只光電芯片基金——“陜西先導(dǎo)光電集成創(chuàng)投基金”,該基金總規(guī)模10億元,主要圍繞消費(fèi)光子、光子集成芯片和光電應(yīng)用產(chǎn)業(yè)進(jìn)行布局和投資。2021年,陜西布局光子產(chǎn)業(yè)鏈,以補(bǔ)鏈、強(qiáng)鏈為抓手,實(shí)施“追光計(jì)劃”,計(jì)劃到2023年,全省新增一批光子雛鷹或小巨人企業(yè)、光子科技冠軍企業(yè)、本土培育的光子硬科技上市公司,產(chǎn)業(yè)規(guī)模達(dá)到1000億元。

PART 03

光子產(chǎn)業(yè)未來(lái)展望

市場(chǎng)前景廣闊,場(chǎng)景融合將成趨勢(shì)

光子產(chǎn)業(yè)是極具有潛力的龐大產(chǎn)業(yè),其中的細(xì)分市場(chǎng)都小則百億,大則近萬(wàn)億。比如LED產(chǎn)業(yè),2019年的規(guī)模已經(jīng)達(dá)到7548億元,預(yù)計(jì)2025年會(huì)突破萬(wàn)億。(國(guó)家半導(dǎo)體照明工程研發(fā)及產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟)。

另一方面,光子技術(shù)作為未來(lái)引領(lǐng)時(shí)代變革的核心技術(shù)之一,具備極強(qiáng)的“輻射能力”和“滲透能力”,未來(lái)光子技術(shù)將會(huì)從單點(diǎn)應(yīng)用轉(zhuǎn)換為多元應(yīng)用,與各大產(chǎn)業(yè)緊密結(jié)合——消費(fèi)電子、傳感測(cè)量、智能終端、生物醫(yī)療、量子信息、超級(jí)計(jì)算、能源化工、軍事安全等。

上游材料亟待突破,光芯片更是關(guān)鍵

縱觀光子產(chǎn)業(yè),下游應(yīng)用前景廣闊已是共識(shí)。反觀上游材料、中游芯片/器件、設(shè)備/系統(tǒng)作為技術(shù)根基,在基礎(chǔ)研究和技術(shù)成果產(chǎn)業(yè)化方面仍需加大力度。其中,材料和芯片是制約光子產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要因素。尤其是光子芯片,作為光子產(chǎn)業(yè)的核心價(jià)值環(huán)節(jié),光子芯片在信息、能量、生物等各大前沿科技領(lǐng)域都起著不可或缺的作用。

材料端。未來(lái)10年及以后,材料創(chuàng)新仍然是光子學(xué)的主要驅(qū)動(dòng)力。主要包括,二維材料和超材料、傳統(tǒng)半導(dǎo)體、晶體和玻璃材料、新型硅光子材料、可重構(gòu)自適應(yīng)光子材料和可編程光子材料、生物相容性光子材料、高速運(yùn)轉(zhuǎn)有機(jī)材料、可持續(xù)生物降解有機(jī)材料等。

芯片端。與電子產(chǎn)業(yè)相似,光子產(chǎn)業(yè)的確定性趨勢(shì)是集成光子。在后摩爾時(shí)代,不管是光通信,還是光計(jì)算和光傳感,具備高工藝成熟度、高經(jīng)濟(jì)效益和強(qiáng)兼容性的硅光芯片將會(huì)成為未來(lái)光子芯片的主流方向。此外,從技術(shù)角度來(lái)講,目前硅光技術(shù)成熟度仍有待提升,克服前文所提到的一些難點(diǎn)。

制造工藝/系統(tǒng)設(shè)備市場(chǎng),大有可為

工藝端。新工藝是連接材料、物理現(xiàn)象與設(shè)備、系統(tǒng)的關(guān)鍵橋梁,具體產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向如下:大規(guī)模集成(>1000個(gè)元器件)、可持續(xù)光子材料、新型功能的光子學(xué)集成、光子技術(shù)新工藝、大批量流程的即時(shí)檢測(cè)、等離子體光子學(xué)的高效集成、光子學(xué)的節(jié)能制造等。

設(shè)備/系統(tǒng)端。21世紀(jì)的挑戰(zhàn)正在推動(dòng)新型光子器件和系統(tǒng)的發(fā)展。具體產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向如:超越CMOS集成光子學(xué)、超高效率激光器(>95%)、高效高寬帶光伏電池、高速、高靈敏度探測(cè)器、超寬帶光網(wǎng)絡(luò)、放大器、下一代非機(jī)械激光雷達(dá)、亞納米光學(xué)成像、調(diào)制器和光纖、全光網(wǎng)絡(luò)及其組件。

大國(guó)博弈,政策驅(qū)動(dòng)光子產(chǎn)業(yè)發(fā)展

當(dāng)前全球經(jīng)濟(jì)處在下行周期之中,而要走出經(jīng)濟(jì)低谷,需要全球再度引爆新一輪的科技與產(chǎn)業(yè)革命——隨著新技術(shù)的不斷產(chǎn)生,其與產(chǎn)業(yè)將共同支撐財(cái)富增長(zhǎng)和文明進(jìn)步。

同時(shí),前沿科學(xué)的每一步的突破,都需要“政-產(chǎn)-學(xué)-研-用-金”的支持。因此,未來(lái)國(guó)家將會(huì)對(duì)光子技術(shù)和產(chǎn)業(yè)提供重要的政策和資金支持,如,建設(shè)國(guó)家級(jí)關(guān)鍵共性技術(shù)平臺(tái)和研發(fā)機(jī)構(gòu)、引導(dǎo)和鼓勵(lì)光子產(chǎn)業(yè)基金的建立、強(qiáng)化關(guān)鍵公共技術(shù)工程師、戰(zhàn)略科學(xué)家的培育和引育,以及吸引全球科技企業(yè)爭(zhēng)相落地中國(guó)等。

借此,我國(guó)將誕生多個(gè)千萬(wàn)億級(jí)產(chǎn)業(yè)集群,同時(shí)大幅提高我國(guó)科技產(chǎn)品和服務(wù)的附加值,助力我國(guó)科技產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展,實(shí)現(xiàn)全球格局下“技術(shù)-產(chǎn)業(yè)”的超越。

更重要的是,未來(lái)60年,隨著人類社會(huì)邁進(jìn)“光子時(shí)代”,我們的世界將會(huì)發(fā)生更加深刻的改變。

獲取500頁(yè)深度光學(xué)多個(gè)細(xì)分領(lǐng)域技術(shù)與市場(chǎng)趨勢(shì)深度報(bào)告,可在感知芯視界首頁(yè)對(duì)話框回復(fù)“500”免費(fèi)下載。

參考資料

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2.瞭望|光子芯片,能否讓中國(guó)“換道超車”?.米磊.瞭望智庫(kù)

3.在光子時(shí)代“逐鹿未來(lái)”|國(guó)際光日.中科創(chuàng)星

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

5.Optics & Photonics 2022 Industry Report.SPIE

6.智能駕駛方興未艾,車載光學(xué)長(zhǎng)坡厚雪.國(guó)金證券

7.半導(dǎo)體激光芯片國(guó)產(chǎn)替代:光纖激光器芯片進(jìn)入加速期,光通信芯片長(zhǎng)期空間廣闊.海通國(guó)際

8.《硬科技:大國(guó)競(jìng)爭(zhēng)的前沿》.國(guó)務(wù)院發(fā)展研究中心國(guó)際技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究所 西安市中科硬科技創(chuàng)新研究院.人民郵電出版社

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11.中國(guó)光學(xué)材料行業(yè)發(fā)展深度研究與投資戰(zhàn)略預(yù)測(cè)報(bào)告(2022-2029年).觀研網(wǎng)

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    隨著清潔能源替代趨勢(shì)的發(fā)展,以及大數(shù)據(jù)、云計(jì)算技術(shù)的不斷成熟,互聯(lián)網(wǎng)公司或順應(yīng)清潔能源趨勢(shì)或利用自身優(yōu)勢(shì)尋求戰(zhàn)略合作,紛紛涉入新能源領(lǐng)域。在本文內(nèi),南京研旭將會(huì)重點(diǎn)就新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景來(lái)進(jìn)行詳細(xì)介紹
    發(fā)表于 10-24 14:35

    光子芯片技術(shù)的發(fā)展狀況分析

    光子產(chǎn)業(yè)(Photonics Industry)是推動(dòng)21 世紀(jì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)光子學(xué)是關(guān)于光的科學(xué)和技術(shù),特別是光的產(chǎn)生、指引、操縱、增強(qiáng)和探測(cè)。從通信到衛(wèi)生保健,從生產(chǎn)材料加工
    發(fā)表于 06-21 06:12

    國(guó)內(nèi)外5G核心產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展情況分析

    本文對(duì)5G生態(tài)中的五個(gè)產(chǎn)業(yè)進(jìn)行分析,詳細(xì)梳理當(dāng)前國(guó)內(nèi)外5G核心產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展情況。 5G技術(shù)的快速發(fā)展正在推動(dòng)包括通信、電子元器件、芯片、終
    發(fā)表于 12-22 06:18

    快速發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈

    快速發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈,隨著未來(lái)中國(guó)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)規(guī)模的不斷壯大,以及應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展,我國(guó)正處于物聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展時(shí)期,產(chǎn)業(yè)規(guī)模將突破
    發(fā)表于 07-27 07:00

    助力電子產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展,華秋在行動(dòng)

    實(shí)施方案,充分發(fā)揮“統(tǒng)戰(zhàn)+經(jīng)濟(jì)”在服務(wù)企業(yè)、招商引資及招才引智等方面的作用,凝心聚力助推龍崗經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展。龍崗區(qū)開(kāi)展首屆電子產(chǎn)業(yè)鏈資源對(duì)接會(huì)暨龍企數(shù)碼產(chǎn)品跨境電商選品會(huì)。活動(dòng)現(xiàn)場(chǎng),高可靠多層板制造商華
    發(fā)表于 03-30 18:21

    華秋電子積極參與兩場(chǎng)展會(huì),助力電子產(chǎn)業(yè)

    實(shí)施方案,充分發(fā)揮“統(tǒng)戰(zhàn)+經(jīng)濟(jì)”在服務(wù)企業(yè)、招商引資及招才引智等方面的作用,凝心聚力助推龍崗經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展。龍崗區(qū)開(kāi)展首屆電子產(chǎn)業(yè)鏈資源對(duì)接會(huì)暨龍企數(shù)碼產(chǎn)品跨境電商選品會(huì)。活動(dòng)現(xiàn)場(chǎng),高可靠多層板制造商華
    發(fā)表于 03-31 13:48

    企業(yè)游學(xué)進(jìn)華秋,助力電子產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新與發(fā)展

    、百度飛槳等戰(zhàn)略合作伙伴,發(fā)掘和培養(yǎng)了眾多產(chǎn)業(yè)鏈創(chuàng)新項(xiàng)目。這一路走來(lái),華秋并不容易,但有工程師背景的資深創(chuàng)業(yè)者,陳遂佰兼?zhèn)浠ヂ?lián)網(wǎng)及產(chǎn)業(yè)背景,他堅(jiān)信盡管當(dāng)下華秋發(fā)展平穩(wěn),但未來(lái)行業(yè)市場(chǎng)前景
    發(fā)表于 07-31 11:48

    華秋榮獲億邦動(dòng)力2023產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)千峰獎(jiǎng),引領(lǐng)電子產(chǎn)業(yè)數(shù)字化變革

    專業(yè)投資者對(duì)華秋未來(lái)發(fā)展前景的持續(xù)看好。 華秋自2011年成立以來(lái),一直致力于為電子產(chǎn)業(yè)提供高效、高可靠和高性價(jià)比的數(shù)字化服務(wù)。公司以數(shù)字化賦能制造業(yè),變革傳統(tǒng)電子產(chǎn)業(yè)鏈服務(wù)模式,為行業(yè)客戶提供全方位
    發(fā)表于 12-15 09:57

    超全新能源產(chǎn)業(yè)鏈全景圖,趕快碼住

    電池產(chǎn)業(yè)鏈全景圖 鋰電池產(chǎn)業(yè)鏈全景圖 氫燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈全景圖 燃料電池催化劑
    的頭像 發(fā)表于 10-26 14:07 ?2.6w次閱讀

    陜西光子產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新聯(lián)合體在西安成立

    陜西光子產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新聯(lián)合體在西安成立。這個(gè)聯(lián)合體是根據(jù)省委省政府關(guān)于推進(jìn)光子產(chǎn)業(yè)發(fā)展的系列工作部署,整合光子產(chǎn)業(yè)相關(guān)企業(yè),聯(lián)合多家光子技術(shù)創(chuàng)新單
    的頭像 發(fā)表于 06-16 09:58 ?2481次閱讀

    光子晶體的發(fā)展前景

    不斷深入,光子晶體將在不同領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。根據(jù)維度不同,光子晶體可分為一維、二維和三維光子晶體。 光子晶體光纖是當(dāng)前光通信領(lǐng)域前沿的熱點(diǎn)課題。在通訊,傳感,激光器等各個(gè)領(lǐng)域都有著廣泛
    的頭像 發(fā)表于 12-09 15:58 ?3304次閱讀

    洛微科技受邀出席陜西省光子產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展座談會(huì)

    10月23日,陜西省光子產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展座談會(huì)在西安召開(kāi)。省委書記趙一德主持會(huì)議并講話,省工信廳、省科技廳分別匯報(bào)了全省光子產(chǎn)業(yè)鏈建設(shè)推進(jìn)和產(chǎn)業(yè)科技創(chuàng)新情況,來(lái)自
    的頭像 發(fā)表于 10-25 10:00 ?269次閱讀
    洛微科技受邀出席陜西省<b class='flag-5'>光子產(chǎn)業(yè)</b>創(chuàng)新<b class='flag-5'>發(fā)展</b>座談會(huì)

    洛微科技亮相陜西省光子產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展座談會(huì)

    近日,陜西省光子產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展座談會(huì)在西安召開(kāi)。省委書記趙一德主持會(huì)議并講話,省工信廳、省科技廳分別匯報(bào)了全省光子產(chǎn)業(yè)鏈建設(shè)推進(jìn)和產(chǎn)業(yè)科技創(chuàng)新情況,來(lái)自
    的頭像 發(fā)表于 10-25 16:32 ?249次閱讀