发布日期：2023-02-04
来源：光电产业网
作者：吴江光电产业科协
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美国当地时间2023年1月28~2月2日，美国西部光电展在旧金山Moscone中心如期举行。来自85个国家的2.2万人参展，国内参展企业较少。疫情影响，经济下行，但光子学领域发展日新月异。计算光学、量子技术、硅光器件、激光聚变、3D传感等热门话题被频繁讨论。今年的西部光电展有哪些看点，国外同行对光学发展看法如何？光电汇媒体整理了部分光学同仁的看法，以及国内外展品技术，希望能够给国内同行一些参考。
近年来，深度学习、机器学习、人工智能等醒目的名词不断充斥着人们的视线。这些新概念广泛出现在各个应用领域。其中，数字染色技术和计算成像技术将为医学诊断和患者护理做出新的贡献。
在SPIE Photonics West上，加州大学洛杉矶分校（UCLA）的Aydogan Ozcan教授，因在衍射波前技术方面的成就获得了丹尼斯·加博衍射光学奖（Dennis Gabor Award in Diffractive Optics）。他提到，深度学习以更好的分辨率实现图像重建或图像转换，在医学图像诊断中的应用潜力越来越为人所知，虽然超出了目前我们对计算显微成像中物理模型的理解，但这种新思维可以帮助我们改变现有的诊断工具，例如组织学。
此外，Ozcan教授提到的虚拟染色技术作为一项绿色技术是有吸引力的。通过该技术可以对数以百万计的组织样本进行创建和染色，并用于动物研究和毒理学研究，或由制药公司使用动物模型来了解药物疗效，在这些领域，虚拟染色的效率可以很容易地利用。
在指甲盖大小的芯片上制造装满光子设备的实验室，是不是不可思议？这是在SPIE Photonics West的LASE全体会议上展示的创新光子器件。本届会议，光芯片成为了热门话题。澳大利亚皇家墨尔本理工大学集成光子学和应用中心主任Arnan Mitchell教授概述了光子芯片的最近发展现状，并预测未来将开启“光子器件的爆炸式创新应用”。
Mitchell教授表示，光芯片技术最近一两年才真正成熟起来，目前行业正在进入混合集成的赛道。光芯片在数据通信领域已经应用好几年了，而也是在最近，才在使用氮化硅和铌酸锂等材料方面实现真正低损耗、高性能的器件方面取得了进展，这搁以往单独使用硅材料是无法实现的。研究人员也不再局限于他们在实验室里能做什么，而是可以考虑实现商业化落地，通往制造的道路上。
Mitchell教授提到，未来光子芯片的新兴应用领域将是导航卫星或在月球上创建互联网，但这些设备也可用在化学传感器中，如用于疾病诊断的电子鼻，或者可能在无人机探测器中使用光子芯片来测量水果的成熟度，以尽量减少农业上的浪费。曾经，AR（增强现实）、VR（虚拟现实）和MR（混合现实）被看作是下一个万亿级市场，XR硬件的研发、投资和销售都因此飙升，达到了新高度。但最近几个月来，随着生活慢慢恢复正常，全球经济衰退的压力开始显现，整个行业不得不重新进行评估。
谷歌实验室XR工程总监、2023年SPIE主席Bernard Kress提到，最近几个月来，XR领域的几乎所有参与者都在适应这一新现实——从大量投资XR的大型科技公司裁员和项目报废，到初创公司被迫贷款，以及投资下降，很容易看到XR行业前景黯淡。
但在Kress看来，重新调整对行业来说是积极健康的，XR行业非但没有减缓创新，反而拥抱调整期并以此为契机，重新聚焦于以光学和光子学为基础的技术，这些技术有望成为未来XR硬件的制胜基石。
Kress提到，目前公司正在考虑在量子点MicroLED显示器上，如何在3 μm及以下的地方生长原生RGB像素，新的MEMS反射镜和激光源为LBS显示引擎带来了第二股风，LCOS和DLP选项从未像今天这样强大和具有竞争力。在波导方面，创新者正在为波导组合器提供解决方案，衍射、全息，也有玻璃和塑料反射。在传感方面，基于金属和其他纳米技术的改进，以及非常小的传感器都具有潜力。”XR的未来依然可期。澳大利亚在量子计算和量子科学方面成绩斐然。这是澳大利亚大学和研究机构60多年来对物理科学投资的结果，它使他们有机会在新技术、产业和就业方面引领世界。关于行业增长潜力以及量子计算如何拯救世界，让我们一起来听听，澳大利亚首席科学家Cathy Foley博士如何看。
Cathy Foley博士表示，考虑当下全球气候变暖以及Covid-19大流行等全球问题的挑战，我们都需要为这些问题开发新的解决方案。所以，从药物研发到脱碳，量子计算能够促进诸多领域实现突破。比如，量子计算可以改变气候技术的游戏规则，帮助我们实现困难的净零目标。
从电池化学到太阳能电池的效率，减少甲烷排放，以及寻找新的氢催化剂，量子模拟和计算都有很大的希望。
另一方面，个性化医疗也会对个人产生巨大的影响。在人类历史上，所有药物都存在风险。量子支持的个性化医疗能力将降低易感人群的风险。我们需要认识到，个性化医疗将不仅仅是提高治疗率，还有精确度和准确性。
尽管其发展潜力显而易见，在解决环境、医疗和能源挑战的诸多课题方面都是很好的助力，但量子计算机的时代还未到来。Cathy Foley博士认为，未来还有很长的路要走，如何将所有量子元位放在一起，并让他们以正确的方式纠缠在一起，仍然是个挑战。量子计算机被描述为“人类有史以来最伟大的机器”。但量子计算机与传统计算机的发展则不同，目前还没有到这一步。但是量子技术已经广泛应用于传感、计时、通讯等领域。作为硅光子学的早期先驱，Southampton大学的Graham Reed教授仍然认为这项技术正在改变世界。
他说：“我羡慕如今硅光子学的毕业生。他们一毕业就可以投入到硅光领域的研究中。这是最激动人心的技术，这些技术将改变我们的生活方式。”但是，如果没有Reed教授，许多毕业生可能就会从事其他不同领域的工作。Reed教授的研究成果已经渗透到整个行业：他设计的第一个耗尽型硅调制器现在是行业标准；他还发明了一种被英特尔公司采用的器件调制技术。
在Reed教授从事硅光子学研究的这些年里，他注意到一些令人惊讶的发展：一是包括他自己团队在内的硅光研究群体已经很好地开发了硅光子学技术。1989年调制频率为20 MHz的调制器，谁能想到2021年使用相同的技术原理，可以将调制速率实现100 Gb/s。
最让他惊讶的是，在过去5年时间里，人们认识到硅光子学不仅会改变数据中心的通信，还可以影响医疗保健、环境传感、人工智能、激光雷达、成像、移动通信、导航、空间、量子等一大堆领域的应用，而新的应用还在不断增加。2022年12月，美国国家点火装置（NIF）的点火工作开启了一扇新的大门：首次成功在核聚变反应中实现净能量增益，能量输出3.15 MJ，能量增益达到153%。这一重大科学突破历经数十年，为国防进步和清洁能源的未来铺平了道路。
在此次展会上，NIF的工作人员Jean-Michel Di Nicola参加了LASER主题会议，并介绍了美国NIF的发展。他表示，虽然2022年12月NIF获得了60多年来突破性的工作，但是这不是终点。他们预计今年夏天，NIF激光器的发射能量将增加8%。他还指出，未来5年，随着输入能量的增加，192束系统的能量输出将接近10 MJ。实际上，NIF团队已经将目标放得更远，开始制定2023~2040年规划，届时将使输出能量增加一个数量级，达到100 MJ。3D传感：呼唤更长波长的InP基边缘发射器EELs
为了获得更大的显示区域，智能手机上用于成像、接近床干起、泛光照明器等凹槽会演变得越来越小，这会引发3D传感中使用磷化铟（InP）基边缘发射激光器（EELs）而不是砷化镓（GaAs）基的VCSELs激光器。Yole分析师Ali Jaffal对此作了探讨。
他认为，这种转变可能会对光子半导体产业产生重大影响。基于InP的3D传感器应用可能会导致GaAs VCSEL市场份额下降，但不会完全蚕食掉GaAs的业务。Lumentum和Coherent这两家公司已经拥有了InP的能力，主要用于数据通信和电信应用，也可以用于消费领域。InP基的VCSEL也是3D传感应用的候选者，但现在的主流技术还是EEL。根据行业同仁的谈论，InP VCSEL目前只是很小的一个市场。
在过去几年里，Vertilas和Bandwidth10是极少数几家生产用于气体传感和光通信的InP基VCSEL的公司。未来几年，这种情况会发生变化。最近，通快公司演示了一款 InP基VCSEL，可在4英寸InP晶圆上发射1380 nm波长的光，裸晶级成品率为85%。通快向InP业务扩张主要是由消费者市场采用InP的前景推动的。麻省理工学院的Rajeev J.Ram在“High-performance electronic-photonic interfaces:from AI to quantum”的报告中指出。他从最初的DWDM光纤系统的性能优化研究已经转移到了集成光子学，支持计算机内部芯片之间高效、高速率的数据传输。
他认为，过去十年里，受芯片之间数据传输限制的计算应用数量急剧增长，尤其是在计算和存储的应用。深度学习是一个重要且不断增长的应用领域，电-光接口以促进芯片之间的数据传输是人们的兴趣所在。从英特尔、英伟达和惠普等公司的大量投资动作中可以明显看到这一点。
量子计算机是一个新应用。“最初，我们将看到一个装满经典计算节点（GPU或TPU）的架构，这些节点通过电-光接口与板载运算互联，这些将成为深度学习的强大引擎。随着时间的推移，我们希望电-光接口能够变得更高效，支持新的架构。那个时候，用于量子计算的电-光接口也许还不能集成寻址和读出功能，但我们可以期待未来几年内实现这一目标，并最终集成一些低级CMOS逻辑来支持量子位操作。”
