光子技术与产业研究报告.docx

光子技术与产业研究报告目录1概述1.l光子技术的定义1.2 光子产业的概况1.2.1 终端产品市场规模1.2.2 光子元器件市场规模1.2.3 光子元器件企业概况1.3 光子技术与产业是一片未来可期的掘金热土2光子技术的研究方向2.1 国家自然科学基金对光子技术研究方向的分类2.2 国内光子技术科研机构的研究方向2.2.1 中科院长春光机所2.2.2 中科院西安光机所2.2.3 中科院上海光机所2.2.4 中科院安徽光机所2.2.5 中科院光电所2.2.6 中科院上海技物所2.2.7 华中科技大学光学与电子信息学院2.2.8 清华大学信息电子工程系2.2.9 浙江大学光电科学与工程学院2.3 投资重点关注的研究方向2.3.1 欧洲光子学规划的研究方向2.3.2 美国DARPA的重点研发方向2.3.3 国家自然科学基金光学与光电子学申请与资助情况2.3.4 投资重点关注的研究方向及国内科研机构参与情况3光子产业的产业链3.1 上游：原材料3.1.1 产生光子的原材料3.1.2 传输光子的原材料3.1.3 操控光子的原材料3.1.4 探测光子的原材料3.1.5 原材料的市场规模和竞争格局3.2 中游：器件3.2.1 激光行业的器件3.2.2 1.ED行业的器件3.2.3 光学行业的器件3.2.4 光伏行业的器件3.2.5 显示行业的器件3.2.6 信息行业的器件3.3 下游：终端产品3.3.1 消费电子3.3.3 医疗3.3.4 能源3.3.5 显示3.3.6 照明3.3.7 传感及测试测量3.3.8 光通信及信息处理3.3.9 先进制造3.3.10 半导体3.4 光子产业链全景图3.5 投资重点关注的细分赛道一、概述1.1 I光子技术的定义物理学中有两类基本粒子：费米子和玻色子，如图1所示，它们是我们这个世界存在的微观基础。费米子是构成物质的基本粒子的统称，包括电子、夸克、中微子等，受泡利不相容原理限制，同一量子态上不能有两个或以上的费米子；玻色子是传递作用力的粒子的统称,包括光子、胶子、W玻色子、Z玻色子、希格斯玻色子等，不受泡利不相容原理限制，同一量子态上可以有多个玻色子。电有三2.2MVc22/3U1/2u上I-1.28GVAc2.2"C1/2L粲-173.1GVc2t1/2I顶“胶子I*125.093/1:比希格斯玻色子«4.7KteVIc2-96MeVc2M.18GVC,IS1V3IdS1/201/3I11/219下J奇底光子0.511MeVc'10566MVc2卜1.776GeVcj1.19GcWc4色i2Ilf2规S电子J子IT子IZ玻色子、J<2JeVc,、<1,7M<jVc,<15.5MeVc,0Gc,玻轻JVeLV:W子I电中微子j中微子T中微子W玻色子费米子玻色子图1I标准模型中的基本粒子其中光子是原子核和电子之间传递电磁相互作用的媒介粒子，表1列举了电子和光子的一些主要区别，正因为光子的这些特性，使其作为信息载体比电子有先天的优势，例如超高速度、超强的并行性、超高带宽和超低损耗，因而成为了电子芯片趋近物理极限后的后摩尔时代的宠儿。电子光子n运动质果叫vc*不就在自由交间传赣在自由空间传毡传管疫度小于光ISC等于光建。核子特性S*÷艮米统计城色子域色姣计）电荷Q自旋1/21Si建方程R定谒方程爱克斯书方程表Il电子与光子的主要区别光子学（PhOtOniCS）的概念由荷兰科学家PoIderVaalI在1970年首次提出，目前较为明确的一个定义是：光子学是研究作为信息和能量载体的光子的行为及其应用的科学。或者广义地讲，光子学是关于光子及其应用的科学。光子学涵盖了整个电磁波谱，如图2所示，其包含了伽马射线、X射线、紫外线（UV）,可见光（VIS）、红外线（IR）、无线电。图2I电磁波谱当前，光子学与电子学已经是平行的两个科学，如图3所示，光子和电子一方面有自己独立完整的学科、技术和产业；另一方面又是在不断交融，两者相互依赖、相互补充、相互促进。图3I光与电的交融光子技术是以光子学为基础，对可见光和不可见光进行产生、传输、操控和探测的技术，用以开发各种光学和光电子设备、系统和应用。应用领域涵盖了照明、显示、通信、安防、光伏、半导体加工、人工智能、量子计算等，几乎所有的日常生活商品和未来的高科技竞争都与光子技术息息相关。由于无线电的技术和产业更侧重于电子工程，本文对于光子技术和产业的研究主要专注于非无线电频段的电磁波。1.2 I光子产业的概况尽管有成千上万的商品都在使用光子技术，但光子市场或行业却还没有一个明确的或广为接受的定义。一方面是因为许多终端产品即使核心部件是基于光子技术，但企业并不认为自己是光子公司，例如,智能手机使用了显示面板、摄像头、LED、3D结构光，但智能手机企业不会将自己定位是光子公司；另一方面是因为政府没有做好光子技术收入的跟踪，例如，美国的经济跟踪代码（NAICS）和欧洲的经济跟踪代码（NACE）中都没有光子学类别，在国际光学工程学会（SPlE）的一份调查中，2750家光子公司使用了259种不同的NAlCS代码。为了能展示光子产业概况，下面主要从终端产品市场规模、光子元器件市场规模和光子元器件企业概况分别进行说明。1.2.1 I终端产品市场规模根据SPlE的统计分析，光子器件支撑着包括消费电子、安防/国防、医疗、太阳能光伏、显示、照明、传感、通信、先进制造和半导体等十大应用领域的终端产品，其市场规模如图4所示，全球总市场规模已经超过2.1万亿美金。EnabledMarketsEconomicImpact2021GlobalTotal$2.12TrillionAdv.manufacturing$42.7BSensing$113.6B1.ightingCommunication$42.9 BSemiconductor$24.9 BDisplays、 I$163.3 BSolar - PV $189.8 BBIoMedIcaI$201.1 BDefense $343.6 BConsumer$877.4 B$128.3B、图4|十大光子驱动的应用领域的市场规模十大应用领域的市场增长情况如图5所示，根据2019年至2021年的复合年增长率，增长最快的四个细分市场是：半导体、太阳能光伏、传感和显示。 2021 2019 2016 2012Enabled Markets Segments Trends $1,000(SUo=ucs>图5I十大光子驱动的应用领域的市场规模增长情况1.2.2 I光子元器件市场规模在光子产业中，光子元器件在产业链中是价值较低但又必不可少的，包括LED和激光芯片、探测器、图像传感器、透镜、棱镜、滤光片、光纤等。如图6所示，2020年光子元器件的全球总营收为3000亿美元，占终端产品总营收的15%左右。其中日本的份额最高，光子元器件的营收达1055亿美元，占据了全球35%份额，中国处于第三，光子元器件的营收总计455亿美元。这主要是因为日本有日立、富士通、松下和NEC等龙头企业，以及滨松和日亚等有光子领域核心技术的企业。PhotonicsRevenuebyCountryFrance. 2.5BChina. / 45.5B 'Republic of Korea, 31.6BGermany, 15.5BJapan./ 105.5BUnited Kingdom, 3.2BAustria, 4.4BTaiwan. 13.3BItaly, 2.3BSwitzerland, 1.4BIsrael, 1.1BRest of World. 5.4BNetherlands. 5.4BUnited States,65.1B图6I全球各国家光子元器件制造行业营收分布虽然日本光子元器件处于领先地位，但其营收增长已趋于平缓,中国在过去十年中取得了显著的增长，2012到2020年器件的复合年增长率接近23%oGlobal Distribution of Photonics RevenueJapanChinaGermanyRepublic of KoreaUnitedStates(SUo=q co c>a sucoloqd图7I全球各国家光子元器件制造行业营收发展趋势1.2.3 I光子元器件企业概况在光子元器件制造行业，大多数制造商都是中小型企业，事实上,根据SPIE的统计数据，大约71%的企业收入低于IOoO万美元，不同营收规模的企业数量如图8所示，而且随着新公司不断进入市场，中小型企业的比例也在逐年增长。Company Size Distribution Trend by Revenuess-UBdluouoJOqEnN图8I不同营收规模的企业数量尽管大多数公司都是中小型企业，但少数的大型企业创造了大部分收入。不同营收规模的企业数量和营收占比如图9所示，在2020年，仅仅2%的企业（包括康宁、尼康和卡尔蔡司等知名企业）创造了几乎四分之三的总营收，小型公司创造的营收不到总营收的3%oManufacturersGroupedby2020Revenue3,449Companies112Companies2.5%ofthe77.5%ofthePhotonicsRevenuePhotonicsRevenue$1-1OMSlO-SOMS50-500M$5OOM<$1B>S1BPhotonicsRevenue图9I不同营收规模的企业数量和营收占比光子元器件行业的中小企业虽然创造的营收较少，但它们在填补技术创新空白方面发挥着至关重要的作用，是创新的重要源泉。SPIE统计的光子元器件中小企业年龄如图10所示，可以看出，每年持续会有相对稳定数量的新公司进入这个行业。HistoricTrendofSMEAgeGroupDistribution图10I标准模型中的基本粒子光子企业年龄分布1.3 I光子技术与产业是一片未来可期的掘金热土首先，从市场空间来看，光子产业是个庞大的产业。一方面有规模极大的细分市场，市场竞争会推动技术迭代，延续性技术创新的需求给初创企业留有了一定空间，例如，万亿规模的LED产业，从小间距LED到Mini-LED到Micro-LED,每一次迭代都会催生很多创新技术；另一方面小规模细分市场的数量很多，可以产生更多破坏性技术创新,并且小规模细分市场给初创企业留有了生存发展的空间，例如，在把光子作为信息载体的场景中，从前端感知、信息的传输、计算、存储以及终端的显示分别有3D视觉、激光通信、光子芯片、5D激光存储和AR/VR等。其次，从技术空间来看，当前人类对作为玻色子的光子的认识和利用，远远比不上作为费米子的电子，因此其技术本身的突破或升级都会带动产业的发展。尤其是在ICT领域，与电子相比，光子作为信息的载体具有先天的优势，但当前光子器件在系统中的价值比重远不如电子器件。这是因为电晶体管能够随着先进制程发展而不断微缩,走出了一条极具经济效益的摩尔定律道路来，而光晶体管的微纳化却碍于波长限制，还未找到符合自己的摩尔定律道路。最后，从投资时点来看，当前阶段会有较多创新的光子技术产生。一方面成熟市场竞争激烈，产品会持续有技术迭代的需求，例如光通信中需要800G光模块来增加数据中心的传输带宽、AR-HUD中需要光波导来大幅减小安装体积、激光雷达中需要全固态方案提高系统可靠性等；另一方面新兴市场也开始有外部需求的驱动，例如当下有着海量数据的万物互联时代，传统电子技术解决方案已经愈发吃力，半导体制程的物理极限和功耗发热，限定了单位面积电芯片上的计算密度，即限定了算力。而光子芯片超强的并行矩阵运算和超低功耗以及光通信的超高速度和超强并行性则可以完美承接Al技术发展的算力需求。因此，从市场空间、技术空间和投资时点来看，光子技术与产业是当前做硬科技风险投资的一片掘金热土。二、光子技术的研究方向2.1 I国家自然科学基金对光子技术研究方向的分类为了涵盖比较全的光子技术研究方向，可以参考国家自然科学基金申请代码F05（光学和光电子学）的分类，总共16个大的细分领域，142个子研究方向。16个细分领域分别为：F0501光学信息获取、显示与处理；F0502光子与光电子器件；F0503传输与交换光子器件；F0504红外与太赫兹物理及技术；F0505非线性光学；F0506激光；F0507光谱信息学；F0508应用光学；F0509光学和光电子材料；F0510空间、大气、海洋与环境光学；F0511生物、医学光学与光子学；F0512能源与照明光子学；F0513微纳光子学；F0514光子集成技术与器件；F0515量子光学；F0516交叉学科中的光学问题；16个细分领域中的子研究方向分别为:FO501光学信息就取，8it三光学信息处Hfm<Wiw<及筑T九金息楂不九.图像3<SUJf光色千显示E.ft.fffErgt示三5MUKictrt凭华弟收底.、计W&相却中与!件电刊件低It元电S科与智忤九电电夕阳件起乜!件牝电动四Me仰H机亢电子休马出ES丽科与K自泰/超光牝千尾的色.杵及艮H怜史出!件5元IA*m与号林H般光子H科R怪光电子*，Ma科“出吮电子器件PO5O3伸与交息愣5-d啧fFmgH5r1W5tH三iii信却技幸知3材料.日仲及技中光仔村NRww府gRt糖成ttf光积H与光欠务,公钞<«tFOWII外与太虹外HJ!打外*wt与汽诙”互作Mt/修高、仲屿511红外6制“料与»ntla成Zg(1&R别TWGHfRSIt4后K互4闲$1钟相干桃杼常、n¾sw红畀光学ON及元*军统W»5Jtntiit*豪帽1光学汹E5事次修*拄QrM刊恢性怜*曷范化学会GLM非加七F氏9F0X6Mit«WJf屿糠脑电互作M起快北开与但0m三<UI*.气体、4分子化*w自由电子gxmtW光atrasjuDy.调自务合底KzNhg河力t418快.给aHO窄MdmwlPm技中反应n加启尤PO507尤iM皇*脏中光G?新技YW.r*C3枝率及GffiOTT*tt翻1.41与farM三itf&&RSRFOX4光学WCAD易«万电学筝3光段允孚舄履刚*ga件5整统化fl#片色度不e造应牝孽及二IUt*我学.0HfmriBa¢*三rFO必光W光*于”科切利北线艘先声由功强大军狎科WfV¾M.中伙期13SH理加九®FlWAzawtw制Ht懈曲”1由C肝材料二横金贪急于“料3DFTwt叫你1HtfW输型E怫FO51051%大V海,占讦地化学屿at光Iai照用团耳目怵田？翕与丽MX大为明&孝尤拿格Ex0ttf大口隹虫加tttt#就如s*r.第水TB标、毒底光W，光学“爱九堂F0511生将.包学尢学与肝学化学仔长.标记与厅子方刈.控及翼应用笺.筝传g骑危及帆理九与生IwfiK互作电Xtwamitn京及成像*梅与同学尤学生构.18学代功能“日IWT<-tttA三t?无秘件11里内松民促衲*主例位"今伸学重仲.昆士军感像反应用FO512阳油川啪许学隔物wE件艮校累M4¾HT的勇»中任文义学科中杷用”惭田辛艮应用F05BM九子学!桃.5与总病技十IWMt”!传WBbH倒幢附5应用尤值按马第FOSM光千集成孑代子与子展台第K以曲欲子第成平隼成-F瓜FO515量子光竽化1子汁后信««*»代“彳夜离霜11«”量子噫扇t目枝本11定量于抑与第豉F05H交叉学科中而g北学与层学殳又UffTWr与F以日学W技拿光学与天文学交2.2 I国内光子技术科研机构的研究方向2.2.1 I中科院长春光机所中国科学院长春光学精密机械与物理研究所（简称长春光机所）始建于1952年，由长春光机所与长春物理所于1999年整合而成，是新中国在光学领域建立的第一个研究所，主要从事发光学、应用光学、光学工程、精密机械与仪器的研发生产。强势科研方向包括卫星、制导、遥感、空间光学、图像处理、精密机械、机器人、CMOS和半导体激光器。其实验室和研究方向汇总如下:wRBn4mx工，MMMOmO.ObHlpmm眯、MMM.2外援秋VT，MMMW0l啾“IHvtX”、WH-m>M(M,rmhmffim*mmr力代承的IM力删在叟量大8帆动力Wf?<a11WJY.!?».*"即Rj,军吊&¾MflUW?附力霓TT-MllimMWMtHlfIItrir7R.TlWlKIlim.¥H婚金色，51、或找m修仪九*Mo'sr«R«ratnr<2ml率.NlnEH.*MUW1tX%TIM>XWI1WKX九g罐火f95.KtlfX.心白友，制Il万&!和&n卷m叁.野母空fi%az*g*L=wm911MttS.0.Uft¢4L<M.M.从他.M.A<MWlA2VA7MM.M&tat后、MSftIfceM理M号由期中3*王三m*nM侑.JtMtn.*wwm尤5WW*点含K第ge+、S牝6AB檀中、WI“tw技.<e<sffarr.目wwrfm按豕、临T三ftimr.51Uw1，船yEt物&V*白AgU国JI.ABIjww.MMMMMLW9DVM*王劫虹技牵.自应戈学枝+.牝学筝长即、W*MeRM.美侬9o(UJt*.MH受八'*iW发&MBM.«».光4,iraMm.MMM.IlMftS.nma.皿山&声.，ZIWmTMUUW11#全»1、分M琳MMMROIfn三wmr*M*tTinmaA中心tWMMtftmUI>VMAAMMtt*AIftthIfttNHtM.也毗拓由神!际齐Im弊仔4IMBrBHlMfiq用Bntert*色优3入太MA"g0g刘n化Ilalg珈2.2.2 I中科院西安光机所中国科学院西安光学精密机械研究所于1962年3月27日成立,设有瞬态光学与光子学理论与技术、高分辨可见光空间信息获取和光学遥感技术、干涉光谱成像理论与技术、高速光电信息获取与处理技术、先进光学仪器与水下光学技术五大学科方向。其实验室和研究方向汇总如下：匕点子修中nraCSrawwMMmm* IBM凭于<MMWM*t MF0MMMM.三lW1P*WfiR三-MwmUUkMiaeim.vmfmammni.WMfLa<px><.-6WMbHfir>ZMflt.WW.mMWni化千场IKtg#IHB :MHWMW 茗弊牝 nMftMS<tn*rt:. 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