摘 要： 随着光电子技术的日益发展与广泛应用, 光电子产业已成为不可忽视的高科技产业。文章分析了国内光电子技术发展现状, 分析了国内在光电子技术方面成绩突出的研究单位及其研究特色与成果, 探讨了目前国内光电子技术的研究热点。
关键词： 光电子技术; 激光医疗; 激光雷达; 量子点膜; 光量子计算机;
0 引言
光电子技术是一种典型的多学科交叉渗透的现代技术, 涉及许多未来科学领域发展的尖端科技。在无人驾驶、全光网络、光量子计算机、量子点膜材料等领域都能看到光电子技术的身影。光电子技术已被确定为未来经济发展的制高点, 其将会推动传统产业升级并促进新兴产业的发展, 进而推动社会经济的快速发展。
1、 国内光电子技术的发展状况
20世纪以来, 中国科学院建立了半导体研究机构, 在长春、西安、上海、成都分别建立了四大光学精密研究所, 清华大学、华中科技大学等高校也先后组建起高水平的研究开发队伍[1]。到2018年, 各高等院校及研究机构已经在光电子材料、激光、器械等方面取得了突出研究成果。相对于其他的半导体、电子等领域, 我国在光电子技术领域与国际先进水平的差距相对较小。我国在国家层面上对光电子产业大力支持促使我国在很多的光电子领域得到了迅速的发展, 可以和国际先进水平的国家和地区相媲美[2]。一些较为典型的光电子器件如探测器、光收发模块等已经具有较高的技术水平, 在国内占有较大的市场份额, 可以和国外相关公司的产品进行有力的竞争。
表1 国内光电子技术发展的地域特色
目前国内光电子技术发展的地域特色如表1所示。从表1中可知, 高校、研究所和企业分布影响了我国光电子技术在各地区的发展, 导致了区域的差异分布。
2、 国内在光电子技术领域突出的研究单位及其研究特色与成果
2.1、 华为的全光网络
1) 全光网络的发展概况。随着信息时代的进步与发展, 人类社会信息呈指数增长, 对网络带宽和时延要求越来越高。传统的企业园区网络采用多级有源以太交换机汇聚, 网络层次复杂, 建设和运维成本高, 带宽提升和业务扩展能力不足。华为Agile POL全光园区解决方案是基于PON技术的一种局域网解决方案, Agile POL做了相应的优化以适配企业的需求, 解决了因为网络规模、接入用户类型不同带来的问题。通过Agile POL技术, 企业可将数据、语音、视频以及无线接入等不同系统合并在一张光纤网络中, 具有其他技术不可比拟的优势[3]。目前, 已经成功应用于全球大量酒店、教育、园区、医疗、平安城市等场景。
2) 全光网络应用实例。华为Agile POL全光园区通过一张光纤网络承载园区所有业务系统, 以极简网络实现数字园区的智能运维, 且Agile POL有很多成功应用实例[3]。华为Agile POL解决方案采用扁平化网络架构和GPON Type B双归属保护, 解决了原有的网络层次复杂、延迟大、网速慢等问题, 加速意大利国家电力Enel数字化与可持续发展进程。
2.2、 速腾聚创
1) 研究特色。速腾聚创是深圳一家高科技研发公司, 成立于2014年, 专注做激光雷达深度研发与应用。该公司自主研发的机器人感知产品领先于世界, 将三维数据处理算法和深度学习技术相结合, 通过技术的不断创新, 让机器人拥有了超越人类眼睛的环境感知能力。目前, Robo Sense自主研发的激光雷达产品可广泛应用于无人驾驶、无人机、服务机器人、三维测量及数字建模等领域, 并针对不同的需求配套定制化的专业软件。
2) 典型代表成果。激光雷达是实现无人驾驶技术非常核心的环节。针对无人驾驶汽车, 2016年10月, 速腾聚创推出了国内首个应用于无人驾驶汽车的16线混合固态激光雷达RS-Li DAR。同月, 对外公开了这款激光雷达并进行了初期的路测。这款产品利用16个激光头同时发射高频率激光束对外界环境进行持续性扫描, 经过高速数字信号处理和测距算法提供三维空间点云数据及物体反射率, 让机器看到周围的环境, 进而实现定位、导航和避开障碍物的功能。RS-Li DAR测量距离为100米, 精度达到了2cm, 垂直30度 (±15度) , 实时出点数32万点每秒, 甚至优于Velodyne的16线产品。不仅在技术路线和实现方案上领先国外企业推出的32线和64线激光雷达, 且通过内部光机电结构的整体优化, 配合成熟的点云建模和辅助视觉算法, 更好地达到了实用要求, 并有效降低了整体产品成本。目前, 在激光雷达领域, 世界上能提供这样技术的也就一两家。
2.3、 光量子计算机
中科院院士、中国科学技术大学教授潘建伟及其同事陆朝阳、朱晓波等, 联合浙江大学教授王浩华研究组, 在基于光子和超导体系的量子计算机研究方面取得了系列突破性进展。在光学体系方面, 该研究团队在2016年首次实现十光子纠缠操纵的基础上, 利用高品质量子点单光子源构建了世界首台超越早期经典计算机的单光子量子计算机。2017年5月3日, 我国诞生了世界首台超越早期经典计算机的光量子计算机。在超导体系方面, 研究团队打破了之前由谷歌、美国国家航空航天局 (NASA) 和加州大学圣塔芭芭拉分校 (UCSB) 公开报道的九个超导量子比特的操纵, 实现了目前世界上最大数目的十个超导量子比特的纠缠, 并在超导量子处理器上实现了快速求解线性方程组的量子算法[3]。
2.4、 康得新
1) 研究特色。康得新从2001年成立至今, 已发展成为国际化产业集团, 在全球先进高分子材料生态道路上起到领先作用。目前, 康得新拥有从预涂膜材料、显示材料、碳材料、新兴智能显示、互联网应用逐步发展和创新而形成的五大业务板块, 服务于全球80多个多家和地区。康得新在高端材料和新型显示技术中扮演者重要角色。
2) 典型代表成果。主打“健康安全”的量子点膜采用符合欧盟无镉标准环保材料, 在色彩性能和能源效率方面都已符合甚至超越产业界的最高标准, 并凭借领先全球的环保和色域优势斩获CITE2017最佳创新产品与应用金奖的, 赢得了包括京东方等客户在内的广阔市场空间。
3、 国内光电子技术的研究热点
1) 信息领域。随着人们对现代信息领域的高容量和高速度的需求, 需要比传统电子更为快捷的光子进行信息传输和存储。光子响应时间为10~15秒, 不受RCL限制, 静止质量为零, 在真空中以光速传播。此外, 光子传输具有时间可逆性、不具有高度空间局域性可形成共轭波来补偿光纤通信中所产生的畸变和失真就, 进而实现无损耗通信。因此光电子在信息领域中具有巨大的应用潜力。目前光纤量子通信是国内外各大研究单位的研究热点, Battle商用量子通信网络计划建立总长超过10000公里、连接Google、IBM、微软等公司数据中心的量子通信网络。形成天地一体的全球化量子通信基础设施、完整的量子通信产业链, 构建基于量子通信安全保障的未来互联网是世界各国的共同奋斗目标。
2) 能源领域。21世纪以来, 人类开始进入了能源相对较为短缺的时期。如何发展高效、清洁的能源成为世界各国争相研究的重点。相比当前人类采用的裂变式的核能, 聚变反应更加高效, 而且几乎不会带来放射性污染等环境问题。激光聚变是目前的研究热点, 聚变燃料可直接取自海水中富含的氚和氘, 如果每升海水中所蕴含的氘和氚发生完全的聚变反应, 能产生相当于300升汽油燃烧时释放的能量。以此推算, 根据目前世界能源消耗水平和海水存量, 聚变能可供人类使用数亿年, 甚至数十亿年, 因此, 聚变能被看作人类的终极能源。
3) 食品安全领域。近年来, 三聚氰胺奶粉、苏丹红鸡蛋、毒豆芽等事件引起人们对食品安全的高度重视, 信息时代的食品安全问题需要用信息技术来保障。基于光电子技术的产品具有便携、检测时间短且高效等优点, 现在已被广泛应用于食品安全领域。其中以表面增强拉曼散射为原理的便携式检测仪是国内外的研究热点, 拉曼光谱包含“指纹”特征, 即吸收光谱, 可以方便地鉴定物质成分, 具有测试样品非接触性、非破坏性、检测时间短、样品所需量少、样品无需制备等特点。
4、 结论
光电子技术在如今这个信息爆炸的时代里扮演着重要角色, 被广泛的应用在信息、能源、食品安全、军事等多个领域。不仅促进传统的电子行业升级, 还促进了诸如全光网络、激光雷达、光纤量子通信等新兴产业的发展。目前, 我国在很多的光电子领域已经得到了迅速的发展, 甚至可以和国际先进水平的国家和地区相媲美。
参考文献：
[1]李伯钧.光电子技术的发展综述及其应用[J].电子技术与软件工程, 2017 (01) :100.
[2]李圣鑫.探讨光电子技术的发展与应用[J].中国市场, 2017 (13) :32-33.
[3]孙莉丹.新时期光电子器件及其技术发展史研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学, 2015.
