欧洲发布2023~2030年光子学战略研究与创新议程
4月26日，欧洲光子学领域技术平台Photonics21发布题为《新视野：通过光子学确保欧洲的战略自主》的多年度（2023~2030）战略研究与创新议程（SRIA）[1]。光子学是欧盟6项关键使能技术之一，欧洲关注并开发颠覆性光子学技术，以助力保障其战略自主并构建有韧性的战略供应链。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。
SRIA强调了先进光子学技术在欧盟战略价值链和工业生态系统中的重要性，涵盖了高性能计算与量子计算、增强与虚拟现实技术、数字基础设施、工业5.0与制造业、汽车与移动性、空间与防御、可再生能源、健康、食品与农业等领域，并提出了这些领域2025~2030年的技术路线图。在此期间，“地平线欧洲”光子伙伴关系将致力于实现SRIA中阐述的目标。这些目标侧重于关键领域的研究，以及促进工业界、学术界和政策制定者之间的合作。
SRIA提出了7个领域的具体研究方向，并从2025~2027年、2028~2030年两个阶段，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）、地平线欧洲伙伴关系联合行动。这里侧重介绍前两个部分目标的具体研究内容。
1、数字基础设施。SRIA指出，光子学在数字基础设施领域的技术挑战包括：将不同的材料系统结合起来，以促进前所未有的光子集成电路能力；组装和封装需求将朝着更高的互连速度、更低的占地面积、更低的功耗、更坚固的组件和更低的成本发展；与光子集成电路集成相关的特殊挑战，包括小型化、增加的温度耐受性、焊料回流兼容性、非密封性；建立智能、智能、安全和自主的网络管理，以确保数字基础设施的弹性和安全性。具体研究方向见表1。
表1 数字基础设施领域研究内容
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2025~2027年 |
2028~2030年 |
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光子研究挑战（TRL1~5） |
· 用于数据中心内应用的共封装光学器件 · 先进材料（InP、LiNbO3、BaTiO3）与硅光子学的集成 · 用于波长转换的非线性材料 · 超低功率相干收发器 · 量子通信：兼容现有光纤 · 用于具有自适应分辨率控制方法的相干光学收发器的节能DAC/ADC设备 · 大规模光子集成电路（如混合/异质光子集成电路） · 混合/异构集成设计的数字化（光子代工厂之间互操作性设计的标准化） · 电子/光子学协同集成 |
· 跨多个光纤带运行的超宽带光学组件 · 集成用于高级光学功能（隔离、存储器等）的材料 · 用于智能管理和提高网络弹性的系统和设备 · 基于光子集成电路的量子网络 · 非地面光学网络 · 由零能光学组件实现的光学网络子系统从环境中提取能量 · 通过人工智能和基于数字孪生的虚拟样机实现的能源感知网络规划 |
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光子创新挑战（TRL5~9） |
· 基于芯片的多芯片收发器模块 · 数据速率扩展到130 GBd以上 · 多波长光源和收发器 · 由共同封装的光学收发器实现的光学互连系统 · 基于调制格式、编码方案的联合控制的相干光学收发器中的节能方法，信号后处理、DAC/ADC和调制器驱动器 · 高波特率TRX · 具有高比特率、低功耗的光学互连 |
· 光学器件与高速数字硅基器件的联合封装 · 数据速率扩展到260 GBd以上 · 联合传感和通信 · 量子通信：共存于已安装光网络 · 增强的光通信基础设施和毛细管传感器网络，实现节能措施 · 建筑物内的光/无线汇聚 · Tb/s PON的成本效益光子组件和光子/电子集成 · 并行系统（组件阵列、大规模WSS/OXC） |
2、制造业。SRIA指出，光子学在制造业中面临的技术挑战依次为：数字光子器件生产、能量及物料利用效率以及生产主权。为此，SRIA确立了未来5年的研究方向：高效灵活的激光系统和组件，包括高效率激光束源、高功率/高强度光束的材料、涂层和组件、高能、高度敏捷的超短脉冲激光器等；光束传输、整形和偏转系统；数字光子生产过程；质量控制和无损检测；基于激光的新工艺，例如用于二次源（EUV、X-射线、粒子）的超高强度激光、激光工艺取代传统的加热/碳工艺等。
3、健康。SRIA指出，光子学在健康领域的技术挑战包括：基于新的光子传感和成像技术对细胞过程和器官功能的理解；传感器和成像技术小型化、多波段（UV-VIS-IR-THz）和串联技术的组合以及X射线光子计数；用于实时精确生物评估的新型成像传感器。因此，这一领域的光子创新挑战的研究方向包括：基于光子学的治疗和监测系统及方法以及下一代先进成像和即时医护系统等。
4、能源、交通与气候。光子学在这一领域所面临的技术挑战包括：将二维材料与光电子设备相集成、集成能源生产过程、汽车照明技术、智能氮化镓（GaN）材料、与人工智能耦合的体能传感器、光子驱动合成含碳染料（如CH3OH、CH4和合成气等），以及光子传感技术在污染气体浓度测试的应用等。具体研究方向见表2。
表2 交通和能源领域研究内容
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2025~2027年 |
2028~2030年 |
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能源领域 | ||
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光子研究挑战（TRL1~5） |
· 光源的单片解决方案/拓扑结构：LED上的GaN晶体管 · 2D材料与光电设备集成，以节省资源 · 光子计算机模拟模型 |
· 基于光、温度和无线电的能量采集概念 · 用于更紧凑、更节能驱动器的新材料 · 用于HF/VHF的智能GaN · 与人工智能相结合的体内传感器 |
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光子创新挑战（TRL5~9） |
· 具有高时间常数和高效率的磷光体，可实现低光波纹 · 能源生产一体化 · 汽车照明（LED、OLED、激光） · 低成本、小型化的可见光无线通信（LiFi） · 物联网照明 · 照明用直流电网 |
· 系统级的能源优化（矩阵照明） · 用于水分解的光电化学装置 · 高效光学收发器 |
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交通领域 | ||
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光子研究挑战（TRL1~5） |
· 全气候感应系统 |
· LiFi波长选择、通信协议和干扰处理 · 虚拟显示 |
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光子创新挑战（TRL5~9） |
· 高能效照明设备 |
· 增强现实显示 |
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气候领域 | ||
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光子研究挑战（TRL1~5） |
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· 人因照明 · 定制节能轻型发动机 |
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光子创新挑战（TRL5~9） |
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· 用于耦合自然光和人造光的光学组件 · 节能照明系统 · 办公楼内及移动应用中的连接照明 |
5、安全、空间与防御。现代安全系统正朝着基于光学的成像、遥感、通信和效应器的方向发展。为保障欧盟的战略自主性，确保关键光子组件和系统在欧盟内部生产所需的资源和制造能力是关键措施之一。该战略在这一领域的主要研究方向见表3。
表3 安全、空间与防御领域研究内容
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2025~2027年 |
2028~2030年 |
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光子研究挑战（TRL1~5） |
· 基于新兴PIC平台的子系统，应用于原子钟、通信以及量子和生物传感器等 · 在近红外和中红外范围内开发高效、高带宽、低噪声的单光子探测器 · 用于量子技术的低噪声激光器 · 单光子雪崩探测器的2D阵列（SPAD） · 将数字处理功能应用于成像系统/激光束导向器光学设计中 · 用于自由空间光学通讯的超高数据速率收发器研究 · 研究替代材料，取代稀缺或危急材料 |
· 基于PIC平台的子系统 · 量子PIC芯片 · 具有嵌入式处理的2D SPAD阵列 · 高功率2D相控阵半导体激光器 |
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光子创新挑战（TRL5~9） |
· 通过三维集成，在光/电插入器上组装不同的光子构建模块，并通过无源波导或光纤路由系统共同封装 · 晶圆级微光学技术 · 卫星星座的光子技术 · 基于新型光子组件的量子安全网络自由空间电信系统 · 具有尺寸、重量、能耗等方面优势的创新传感器 · 用于新兴威胁对抗的高功率眼部安全激光开发 · 用于光子学的关键III-V族和氧化物材料的研究 |
· 光学/电子成像融合系统演示 · 传感器和光子学AI芯片的3D堆叠 · 小型化定位、导航和定时传感器 · 利用量子技术的小型化远程传感器 · 眼部安全高功率激光效应器系统 · 大尺寸III-V族衬底和外延晶片 · 空间硬化超高数据速率收发器 |
6、食品与农业。SRIA设立的光子研究挑战（TRL1~5）的主要研究方向包括：基于激光的集成光子学；开环传感系统创新；使用光子技术对闭环系统进行自主控制。与此同时，光子创新挑战（TRL5~9）的研究方向包括：成像和传统光谱学；多模态传感技术；基于集成光子学的解决方案；开环和多模态传感系统；自主处理技术。
7、核心光子技术。核心光子活动的目的是确定能够在多个应用领域带来效益的技术和组织措施，从而最大限度地发挥协同作用，加快进展，并在资金和投资方面实现最大效率。从而实现欧洲绿色健康的未来、提高国际竞争力。在这一领域，SRIA的研究方向如下表所示。
表4 核心光子技术领域研究内容
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2025~2027年 |
2028~2030年 |
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光子研究挑战（TRL1~5） |
· 用于扩展波长范围、功率效率、调制速度、极端环境的半导体器件、集成光子学和PICs · 微电子及其互补技术的共同设计和制造 |
· 适用于所有波长，从紫外到中红外的异质外延和集成方法 · 光子超大规模集成电路方法 · 具有高能效的光子神经网络 · 具有非常低损耗和高稳定性的光纤，可在宽波长范围工作；特种纤维和纤维设备 · 神经形态、自适应和可编程光子学 |
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光子创新挑战（TRL5~9） |
· 生产工具和技术；先进集成光子学和PIC技术、电子光学系统的试验线 · 为多个应用领域开发有源传感器技术 |
· 扩大多技术试验线的规模 · 在整个产品价值链的工业试验中开发和部署生产工具 · “量子兼容”光子产品的试生产 |
（董金鑫）
[1] New Photonics21 Strategic Research and Innovation Agenda Released. https://www.photonics21.org/news/2023/04/2023-04-26_photonics21-strategic-research-and-innovation-agenda-2023-2030.php