摘要：当前，光子技术正成为新的发展趋势，光子产业有望成为未来全球经济增长的新动力和主战场。世界主要国家/地区都在大力发展光子技术，并将光子产业作为推动经济发展和社会进步的朝阳产业之一。本文首先剖析了美国、日本、欧洲推动光子技术与产业发展的典型做法与经验特征，并对我国光子技术与产业发展现状进行分析。最后，提出我国发展光子产业的对策建议：1）强化顶层设计，把光子技术和产业发展作为战略重点；2）组织成立国家级光子技术创新平台，加快技术研究与扩散；3）统筹区域布局，实现光子产业高水平集聚；4）推动企业主导的产学研融合，促进科技与产业互融互通；5）以重大应用场景为驱动，构建需求导向的产业生态体系。
关键词：光子技术；光子产业；未来产业；前沿技术；产业生态；政策启示
当前，新一轮科技革命和产业变革正在重构全球创新版图，随着集成电路芯片制造工艺趋于物理极限，光子技术正成为新的发展趋势,光子技术与产业也成为主要国家发展前沿科技的重点方向与领域。深入分析光子技术与产业发展面临的形势与趋势，剖析美国、日本、欧洲推动光子技术与产业发展的典型做法与经验特征，对我国发展光子产业具有重要启示意义。
科学家普遍认为，光子可以像电子一样作为载体来生成、处理和传输信息。自激光发明以后，与其相关联的光子学逐步成长。1979年，钱学森教授提出“光子学、光子技术和光子工业”发展模式思路，集成电路带动了全球约4.6万亿美元的消费电子产业，促进了全球46万亿美元的经济增长；2021年光子芯片全球市场规模为434.04亿美元，占全球集成电路市场规模的9.37%。未来，随着光计算芯片取得突破并逐渐取代电子芯片，将催生万亿美元级的光子计算芯片产业，撬动下游数十万亿美元的“消费光子”产业，有望成为未来全球经济增长的新动力和主战场。2023年由中国科学院西安分院、陕西省科学院等指导和支持的国内首份光子产业白皮书——《光子时代：光子产业发展白皮书》指出，我国光子产业发展水平与世界处于并跑阶段，在光子基础理论研究和技术发展方面具有一定的优势。特别是全球光产业生态和应用生态还未成熟，我国有机会形成以中国为主导的生态体系。我国已经具备较为完整的设备和模组产业链，虽然上游的光芯片主要依赖进口，但国产替代前景广阔。前瞻性发展光子技术和产业，有助于我国开辟新赛道、形成技术竞争新优势。从能耗视角来看，目前以集成电路为基础的数字产业能耗与日俱增，据测算，未来五年可能会发展至消耗掉全球20%的电力供应。而以光子芯片为基础的技术路线，理论上有望将数字产业能耗降低至电子芯片的千分之一。因此，发展更为节能的光子技术及光子产业，是实现碳中和目标的关键一环。以光子技术为基础的创新应用，在智能驾驶、智能机器人、新一代通信等应用领域呈现井喷式发展态势，更在智能终端、超级计算、生命健康、超导材料，以及国防装备、军事安全等方面发挥着越来越重要的作用，将形成神经光子学、免疫分析、高超音速武器等新的重大应用场景，众多新应用场景为光子技术率先突破、催生新产业提供强大的需求牵引。世界主要国家/地区都在大力发展光子技术，并将光子产业作为推动经济发展和社会进步的重要产业之一。当前，光子技术及产业的主要市场集中在北美、欧洲和亚太地区。光子技术主要突破产生于美国，美国高度注重光子技术与产业发展，认为其在传统光子领域和多个新兴科技领域具有很强的技术优势和发展潜力。美国推动光子技术与产业发展的措施和经验有如下4点。1）以军事领域研发为最初目标，带动光子技术和产业发展美国光子技术最初目标主要在于支持国防业发展，依靠军事及国防需求推动美国光子技术和产业快速发展。据统计，20世纪90年代初期，美国在军事领域对光子技术研究的直接投入就达到年均20亿美元。2015年7月，国防部牵头组建国家制造创新网络中第六家制造创新机构——集成光子学制造创新机构IPIMI，旨在促使美国形成端到端的集成光子学生态系统，为美国将光子技术研究转化为商业产品、率先占据领先优势提供保障。近年来，光子集成技术成为美国众多军事应用和国防系统的关键使能技术，美国国防部开始支持集成光子技术创新、扩大光子产业制造规模，以期为国防部提供先进的解决方案。由于美国当前有多种军事武器设备生产依赖精密光学技术，2020年11月发布《国家工业技能势在必行》（National Imperative for Industrial Skills）计划，包括建立精密光学联盟等，以推广精密光学技术、发展光子产业。2）出台各类规划计划，优先部署国家战略需求底层技术美国相继出台多个规划计划，将光子技术作为多领域研究开发的战略底层支撑技术和驱动技术，以此促进技术创新成果快速产业化转化及应用。2012年美国国家研究委员会（The National Research Council，NRC）发布《光学与光子：美国不可或缺的关键技术》报告，建议政府多部门要协同合作以加快学术界、产业界推进光子核心技术研发，并通过光子关键技术开发，推动先进制造、通信、国防安全、能源、医药安全等五个领域的竞争力提升以及相关投资的增加。为响应上述报告提议，国家科学技术委员会（National Science and Technology Council，NSTC）下属科学委员会（Committee on Science，CoS）物理科学子委会迅速组建120天临时“光学及光子快速跟踪行动委员会”，并于2014年公布“国家光子计划”，明确支持发展光学与光子基础研究与早期应用研发。美国还将光学与光子技术视为脑计划及生物经济蓝图、先进制造、大数据、材料基因计划等四大优先发展战略的底层支撑技术。在光子技术兴起时，美国在1916年成立美国光学学会（The Optical Society of America，OSA），旨在促进光学和光子学知识的发展、应用、保存和传播。随后，为确保光子技术与产业快速蓬勃发展，相继成立各类组织，将机构、联盟建设作为发展光子产业的重要推动力量。1991年成立“美国光电子产业发展协会”（ The Optoelectronics Industry Development Association，OIDA），以引导资本和各方力量进入光子领域。2014年美国推出的“国家光子计划”，本质上是由光学与光子学有关科技学会牵头，成立“光学技术行业联盟”，该联盟覆盖美国光学与光子学领域产学研各层次，包括美国光学学会、光学与光子国际学会、IEEE光子学会、美国激光研究所及美国物理学会激光科学分部，还包括美国科技及制造业的巨头与新创企业，比如通用电气、谷歌，以及微型显微镜系统初创企业Inscopix公司等。2021年，美国国会牵头成立国家光学与光子学核心小组（Optics and Photonics Caucus），旨在通过实施立法与行政命令手段、加大公共或私人投资、提高熟练光学技术人员数量等措施，确保美国在全球光基础技术创新方面处于领先地位。美国政府及相关部门投入大量研发经费，保障光子技术研发与产业化。在光子技术与产业发展初期，DARPA等机构先后资助很多光子研发项目。2008—2013年，DARPA持续资助“超高效纳米光子芯片间通讯”项目，以开发与互补金属氧化物半导体（Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS）兼容的光子技术。美国还通过多机构联合资助的形式激励美国光子技术创新活动，2021年，美国空军研究实验室（Air Force Research Laboratory，AFRL）、纽约州立大学研究基金会与美国集成光子制造研究中心（AIM Photonics）达成一项为期7年的新合作协议，包括总额超过3.21亿美元的专项资金，用于支持推进先进光子技术制造，其中1.65亿美元来自AFRL（代表美国国防部），6000万美元来自纽约州政府资助，其余1.56亿美元来自合作公司、高等院校和其他州政府资助。日本是世界上最早重点发展光子产业的国家之一，在光学镜片、半导体等多个技术领域处于世界领先地位。20世纪90年代以来，日本持续加强对光子技术研发的投入强度，并大力推进技术产业化进程。日本光子技术研发和产业创新的主要特点和经验有以下4点。日本政府先后制定了一系列战略规划，从政府层面有效促进光子产业的发展。1980年成立了由11家机构共同发起的日本光产业技术振兴协会(Optoelectronics Industry and Technology Development Association，OITDA），每年对光子产业产值与产业结构进行调查，并出版光产业动向等材料、举办光电展览等。2010年实施尖端研究开发资助计划（Funding Program for World-Leading Innovative R&D on Science and Technology，FIRST），从600个申请中选出30个核心科研项目予以资助，其中光电子融合系统基础技术开发计划是FIRST计划的一部分，项目周期为4年，预算总额为45亿日元，旨在开发用于芯片间互联的光电融合系统。2019年3月，内阁在战略性创新推进计划第二期中制定了“利用光量子的社会5.0实现技术”研发任务，共资助五年，研发重点包括激光加工、光量子通信和光电信息处理以及空间光技术等等。2021年6月日本制定“半导体战略”，将实现光电融合等未来技术作为振兴半导体产业三步走战略之一。2）保障投资充足，通过国家直接控制项目促进基础研究日本始终将光子技术的基础研究作为产业发展的重要基础支撑和技术源头供给，不断加大对基础研究的投入力度，持续引导实现产业跨越发展，陆续开展了“光电子基础研究计划”“光量子跃迁旗舰计划”等研究项目。20世纪70年代末，日本通商产业省通过OITDA与16家日本企业联合发起了最终持续10年、实际经费总额为8.2亿美元的光电子基础研究计划，在此基础上组成光电子联合研究实验室、成立光电子技术研究公司等等。此外，原日本科技厅、邮政省和文部省也通过基础研究推进制度，对其所属的研究机构及国立大学提供基础研究资助。1997年光电子产业总体开发经费达到2646亿日元。2017年文部科学省发布《量子科学技术（光量子技术）新推广方法》，提出下一代激光器是优先领域之一；2018年，启动“光量子跃迁旗舰计划（Q-LEAP）”，资助期10年，主要包括量子信息处理、量子测量与传感器、下一代激光技术三个领域，每个技术领域包含2个旗舰项目和1个基础研究项目；2019年，光量子跃迁旗舰计划经费为22亿日元，2021年增至35亿日元。为了加快日本高科技产业发展，培育本土企业，日本制定一系列政策，通过立法和贸易保护等手段，支持光子等高技术产业发展。比如，针对特定电子工业及特定机械信息产业等，制定《特定产业振兴临时措施法》，从人才、资金、基础设备等方面为光子产业提供良好发展条件，限制外资进入，保护幼稚产业。通过实施外汇配额或对处于技术优势的美国公司征收高额关税等方式，控制美国高技术产品对日本的出口，保护国内市场，并且严格控制甚至禁止美国公司在日本高科技产业领域投资，迫使美国企业通过专利授权、技术转让等方式对日本企业出口技术。日本政府根据不同时期国内产业发展状况，制定和实施不同的产业政策，引导企业调整生产和经营方向。面临全球同质竞争加剧、产业空心化、外包模式瓦解等形势，日本政府推动传统光学产业迅速转型，从以望远镜、显示镜、光学镜片等产品为主，开始转向医疗健康、高端光学器件、先进机械与仪器、半导体部件和激光技术等方向。在业务模式方面，大量中小光学企业开始转向试作、设计、维修与生产，生产也开始转向多品种、小批量的模式。欧洲持续关注并开发颠覆性光子学技术，旨在保障其战略自主并构建有任性的战略供应链。欧洲光子产业主要分布在德国、英国、法国和意大利等国家，欧盟及主要国家发展光子技术和产业的主要做法和经验有如下4点。2007年，欧盟启动第七科技框架计划（7th Framework Programme，FP7），将光子学作为六大关键使能技术之一。“地平线2020”将光子学技术列为重点投资领域，创新项目主要包括新一代光子学技术、高速光纤因特网技术的研究开发、基于光子学技术的工业先进制造系统等六个领域。2019年，欧洲国家电子元件和系统领导地位联合执行体（Electronic Components and Systems for European Leadership Joint Undertaking，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。从各国来看，法国从20世纪90年代末期，就开始实施“光电谷”建设项目，引导光子产业集聚发展。1993年，德国把光子学技术列为国家第4个关键技术，予以优先发展；2015年德国教学研究联邦组织（Bundesministerium für Bildung und Forschung,BMBF）成立数字光子生产基地，并每年赞助200万欧元，连续赞助15年。英国2020年发布光子长期规划，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，确定了70个光电研究主题，基本覆盖光子与光电子的全部领域。欧盟对光子技术研发及产业发展的资金保障主要包括普惠性资金投入和针对性资金投入。在普惠性资金投入方面，FP7平均每年在光子学元件与子系统的研发投入为4800万欧元；“地平线2020”已经累计投入64.7亿欧元支持光子集成技术项目；“地平线欧洲”对“创新光子学技术”领域在2021年、2022年的预算分别为6500万欧元和4800万欧元，主要研发先进光通信元件、先进光子集成电路、先进多传感系统。在针对性资金投入方面，欧盟专门针对光子学技术创新型中小企业设立投融资的欧盟扶持基金（EU-Backed Funds），以放大器效应刺激私人行业和全社会投资。2022年4月，荷兰通过国家基金并动员其他私营部门，向光子集成电路（Photonic Integrated Circuit，PIC）产业投入11亿欧元，该笔资金由行业组织PhotonDelta负责具体分配，用于扶持200家该领域初创企业，扩大生产规模、创建光子芯片新应用、开发基础设施和人才。3）发挥企业科技创新主体作用，行业组织、多部门配合共同推动本土企业发展在发展光子技术与产业过程中，充分发挥企业科技创新的主体地位，企业遵照“国内设计与研发，国外生产与制造”的原则，通过从事高附加值产品的研发和生产、率先制定标准形成专利等方式，保持强大的技术应用开发和吸收转化能力，从而实现技术与产品的市场领先，保持竞争优势。与此同时，还通过与企业结合产业实际创建联合研究项目等方式，推动技术落地及产业化，比如FP7研发领域的具体目标研究项目（STREP）之一的IRIS项目，由爱立信与欧洲委员会联合创建，通过利用硅光子技术创造高容量和可重构WDM光交换机，以实现在单个芯片上整体布局集成电路。2023年4月，欧洲光子学领域技术平台Photonics21发布（2023—2030）战略研究与创新议程（Strategic Research and Innovation Agenda,SRIA），提出7个领域的具体研究方向，设立了3个发展目标：光子研究挑战（技术成熟度TRL1~5）、光子创新挑战（TRL5~9）以及地平线欧洲伙伴关系联合行动。Photonics21成立于2005年12月，是欧洲光子学领域工业企业和其他利益相关方的一个自愿组织，主要职责是协调来自教育、基础研究、应用研究等各领域众多相关方之间的研发行动，协调欧盟、国家和地区层面上的光子学研发投资。面对国际竞争环境的重大变化，欧盟将光子产业发展聚焦在强化产业链供应链任性上，通过扩大产业链上下游链接能力，提高产业链自主权。2013年，欧盟启动4年期针对硅光子技术的用于制造的光子库和技术（Photonic Libraries And Technology for Manufacturing，PLAT4M）项目，目的是打造硅光子技术的整个产业链，以加速光子技术产业化，包括15家欧洲研发机构和CMOS企业以及终端用户。“地平线2020”启动了包含53个研究所在内的光子学数字创新中心（PhotonHub），旨在充分利用光子创新价值链各个环节的综合优势，通过支持中小型企业使用光子技术以实现更美好未来。为了加快欧洲工业对光子技术的采用和部署，PhotonHub还将建立单一的光子创新中心，将欧洲53个顶级能力中心的所有一流光子技术、设施、专业知识和经验整合起来，作为一站式解决方案，为欧洲光子创新机构提供开放式访问。“地平线欧洲”计划通过科研合作伙伴关系鼓励创新主体之间合作开展科技创新活动。近年来，我国大陆光子产业规模和产量快速发展。国际光学工程学会（International Society for Optical Engineering，SPIE）数据显示，我国在2012-2021年这10年间实现全球最为显著的光电收入增长，2012—2020年期间市场复合年增长率接近23%。国家和地方政府陆续出台一系列产业政策，比如工业和信息化部发布《中国光电子器件产业技术发展路线图（2018—2022年）》等，为光子产业的发展创造了良好制度和政策环境。湖北武汉、广东深圳、长三角地区、吉林长春、陕西西安等部分区域立足比较优势，在光子产业发展中形成了一定规模与特色，形成较为完善的产业集群。但是在光子技术和产业发展过程中，仍存在顶层整体布局欠缺、国家级产业创新载体较少、创新要素集聚度较低、产业龙头带动效应有待提高、产业生态体系有待完善等问题。美国、日本、欧洲主要国家高度重视光子技术研发创新及产业化，其行动措施及发展经验将为我国发展光子技术和产业发展提供有益的借鉴。1）强化顶层设计，把光子技术和产业发展作为战略重点要从国家层面整体布局，培育和发展光子技术和产业，加大推动光子产业发展的政策支持。在下一个五年规划中，布局光子相关技术，在光子芯片等重点领域新部署一批更具战略性、全局性、前瞻性的国家重大科技项目。以光子技术研发与产业发展为基础，以产业发展规划、实施意见或方案等专项政策文件制定为抓手，谋划光子技术发展与产业化的主要目标、战略部署与发展路径。加大对产业链关键环节的支持力度，如芯片流片的补贴力度。发挥政府投资基金杠杆作用，引导金融机构和社会资本投资布局光子产业。2）组织成立国家级光子技术创新平台，加快技术研究和扩散类似美国集成光子学制造创新机构、比利时欧洲微电子研究中心（Interuniversity Microelectronics Centre，IMEC），组织成立国家级光子技术创新平台，推动光子领域整体基础技术能力提升，形成技术领先优势。面向光子发展前沿和国家战略需求，解决我国高端光子器件发展瓶颈。技术创新平台应以实现原创新科技突破、发挥战略引领作用为目标，有效整合分散科研力量，通过基础研究不断完成先导技术积累，并通过广泛的应用研究合作实现技术研究与成果转化的快速扩散。建立公平透明的合作规则与利益分配机制，实现科学有效的协同创新，不断提升平台的吸引力与凝聚力。推动建立合理、高效、有序的产业空间布局，形成错位发展、互补互促的区域产业格局。一是强化政策引导，推动已形成较为完善产业集群的区域，结合自身要素禀赋，加快资源整合，明确差别化发展定位，打造基于比较优势的产业体系；二是打破地方保护和行政壁垒，在区域发展规划、产业发展、制度创新方面加强沟通，打造产业有效衔接、有序协调的产业网络组织体系，实现光子产业细分行业在各区域的高水平集聚；三是以技术辐射、共建联盟、生产互补等方式构建协同科技创新共同体，带动周边区域形成产业链、供应链互补的产业集群，加快科技成果向其他区域转化，推动产业链条向高端环节延伸。4）推动企业主导的产学研融合，促进科技与产业互融互通立足光子产业发展需求，加强扶持引导，培育壮大科技型企业群体，推动产业链上中下游、各类企业融通创新。围绕产业链关键环节与薄弱环节，打造一批行业龙头企业，培育更多“链主”企业，把产业链关键环节留在国内。鼓励企业与大学、科研院所联合建立产业技术研究院、产业创新联盟等，推进产业共性技术、核心关键技术研发，促进优势产业技术创新。支持中小企业集聚发展，通过提高融资可得性、加强合法权利保护、完善公平竞争环境等方式，提升中小企业自身实力与核心竞争力，培育光子产业发展新动能。5）以重大应用场景为驱动，建立需求导向的产业生态体系
要发挥我国生产基础雄厚和应用场景丰富的优势，从应用需求层面考量未来光子产业的应用前景，由需求牵引使能技术，推进光子技术在消费电子、智能驾驶等具体应用场景和在工业、医疗健康等行业领域的应用和有效验证。增强政府采购对光子技术转化产品的支持力度，为光子技术向光子产业转化提供前期市场需求牵引，加快光子技术的产业化应用和迭代。
作者：尹志欣，中国科学技术发展战略研究院前沿科学与先进技术发展研究所副研究员。许晔，中国科学技术发展战略研究院前沿科学与先进技术发展研究所所长、研究员。
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