激光技術自發明以來，就開始廣泛應用于信息領域。激光技術促進了信息技術突飛猛進的發展，已是當今信息科技發展的主要動力。“我國激光技術與信息應用2035 發展戰略研究”是中國工程院設立的重點咨詢項目“我國激光技術與應用2035 發展戰略研究”的課題之一，旨在對我國激光技術在信息領域的應用及相關產業發展情況開展全面研究，凝練信息領域激光技術的發展趨勢，提出能夠促進該領域發展的合理建議。本文通過介紹光通信、激光顯示、光存儲、光傳感等幾個激光技術在信息領域的主要應用，對其國內外研究和發展現狀、主要關鍵技術、國內外產業發展情況進行了深入分析，研究提出：確立研究方向重點，布局核心技術開發；搭建產業創新平臺，提高技術創新水平；注重知識產權保護，加強高端人才培養；引導“政產學研”協同，促進成果轉化合作；加大政策扶持力度，引導行業健康發展；發揮產業集聚優勢，增強企業競爭能力。
前言
與傳統光源相比，激光光源具有單色性好、相干性強、亮度高和方向性好等優點，在工農業生產、通信、醫療、科研、國防等諸多領域具有極為廣泛的應用。激光的發明和發展引發了光學的重大變革 ，推動信息技術發展突飛猛進，并引領人類進入信息時代。尤其是半導體激光器的問世，直接促成了光纖通信技術的應用，使通信技術的發展從電子時代跨入光電子時代。
激光技術的迅速發展已滲入到信息技術領域的各個方面，作為電子信息技術的延伸和發展，取得了舉世矚目的成就，已成為當今信息科技發展的主要推動力。目前，激光在信息領域的應用技術已經發展出激光成像、測距、傳感、探測、通信、信息處理、顯示、存儲等多個方向，對推動國家信息化、國防建設、航空航天、能源環境等民生及國家重大戰略安全領域做出了巨大貢獻，也為科學探索和科技創新提供了前所未有的手段和機遇。
激光在信息領域的技術及產業發展關系到我國創新型國家的全面發展戰略目標的實現。經過數十年的發展，雖然我國激光信息技術取得了重要的進展，然而在基礎元器件開發及產業化等方面與國際先進水平仍存在較大差距。面對激烈的國際競爭，需要抓住國際科技和經濟發展，以及我國經濟結構調整的戰略機遇，加快發展激光信息技術和產業能力。
激光技術在信息領域的應用現狀
激光技術在信息領域的廣泛應用，直接推動了人類文明進入信息時代，對信息領域具有最深遠和廣泛的影響，并突出體現在基于激光技術發展起來的光通信、激光顯示、光存儲、光傳感等幾個信息領域。
（一）光通信技術
現代通信技術對激光的依存度非常高，是激光技術最重要的應用領域，采用激光為載波的光通信技術已經成為最重要的現代通信技術。光通信可以實現語音、圖像和數據等信息傳輸，具有速率高、容量大、抗干擾能力強等優點，根據傳輸媒介主要分為光纖通信和無線激光通信。
1. 光纖通信
光纖通信以激光源為載波、光導纖維為傳導媒質，來實現信息的傳輸，已經應用 40 多年。光纖通信的傳輸速度更快、能量損耗更小、激光調制速率更高，對通信性能的提高是顛覆性的，具有巨大的經濟價值和無限的產業前景 。華人科學家高錕發明的低損耗光纖與半導體激光器等一系列技術的突破推動了光纖通信在 1976 年開始商業化應用，并發展了 0.85 μm、1.31 μm 和 1.55 μm 三個波段激光載波以及波分復用、相干通信等第五代通信技術，隨著激光器性能的提高，單信道 400 Gb/s 商用設備已投入運營。
由于光纖通信帶寬的提升，發端于 20 世紀60 年代的美國國防部網絡演化成為目前全球通用的互聯網，形成了信息高速公路。另外，正因為近20 年來光纖通信技術推動著網絡容量不斷提高（已達每秒幾十太字節），才使移動通信帶寬和服務用戶數量不斷擴大，成為當今發展最快的領域。作為20 世紀人類社會所取得的最偉大的技術成就之一，光纖通信技術是人類向信息化時代邁進不可替代的重要基石，已成為全球信息化的支撐技術，導致了經濟全球化，改變了形成幾百年的經濟模式，人類生活質量獲得迅速提升。
我國在光纖通信技術和產業方面均取得了較快發展 ，光通信設備和系統的研制以及工程應用能力已經躋身世界一流水平。以華為技術有限公司、中興通訊股份有限公司、長飛光纖光纜股份有限公司、烽火通信科技股份有限公司為代表的中國通信企業已經成長為所在領域排名前列的頂尖高科技企業。目前，我國生產能力和市場占有率均位列世界第 1，通信用激光器等光電子器件的產量和市場約占據全球 1/2，光傳輸設備和市場占比超過 1/3，技術僅次于美國和日本。
2. 無線激光通信
無線激光通信結合了無線電通信和光纖通信的優點，抗干擾能力強、抗截獲能力強、安全性好、通信速率高、傳輸速度快、信息容量大，還具有系統體積小、重量輕、功耗低、施工簡單、靈活機動的特點，在軍事和民用領域均具有重大的戰略需求與應用價值 。
美國、歐洲、日本、俄羅斯等國家及地區早在 20 世紀 70 年代就開展了天基、大氣及水下信道的無線激光通信研究，通過多年研究和實驗驗證，激光衛星通信已經表現出與微波衛星通信的巨大優勢。2008 年，德國航空航天中心（DLR）利用Tesat 衛星開展了星間 45 000 km 在軌激光通信試驗驗證，采用 1.06 μm 激光載波的速率為 5.625 Gb/s。美國國家航空航天局（NASA）在 2013 年 10 月成功試驗了月地間 4×105 km 激光信息傳輸，最大下行和上行速率分別為 622 Mb/s 和 20 Mb/s 。
我國在 20 世紀 70 年代就開始了大氣激光通信技術研究，20 世紀 90 年代啟動了空間激光通信研究項目，并迅速趕上了國際先進水平。2007 年，長春理工大學率先突破遠距離光束的捕獲、對準、跟蹤技術，首次實現雙動態激光通信，2013 年成功試驗了我國首次固定翼飛機間遠距離激光通信，速率為 2.5 Gb/s，傳輸距離為 144 km，超過了同類試驗國際最遠距離。2011 年，哈爾濱工業大學開展了我國首次星地激光通信鏈路數據傳輸試驗，下行最高速率為 504 Mb/s。2017 年中國科學院上海光學精密機械研究所開展了我國首次星地高速相干激光通信技術試驗，下行最高速率達 5.12 Gb/s。同年，搭載“實踐十三號”高通量衛星的星地激光通信終端開展的世界上首次高軌衛星對地高速激光雙向通信試驗取得成功，40 000 km 星地距離最高速率為 5 Gb/s。
無線激光通信技術獲得了全面突破，并延伸到水下、大氣和室內可見光通信。隨著人類科技進步和對信息的需求，無線激光通信技術將成為通信領域舉足輕重的傳輸技術，推動物聯網、智聯網的發展，甚至改變人類生產、生活和文化模式。
（二）激光顯示技術
激光顯示技術是繼黑白顯示、彩色顯示、數字顯示之后的第四代顯示技術，是激光技術、光電子技術、半導體技術等高速發展、綜合集成的產物。隨著激光技術的成熟，激光顯示突破了 12 bit 顏色灰階編碼不重疊，亮度高并可精確控制在人眼最佳視覺感知區，實現 8 K 幾何高清，三基色半導體激光器（LD）激光顯示技術是唯一能夠全面實現ITU-BT.2020 標準的顯示技術。由于激光具有方向性好、單色性好和亮度高三個基本特性，可實現大色域、雙高清（幾何、顏色）視頻圖像顯示和真三維顯示，被認為是實現高保真圖像再現的最佳技術途徑，是新型顯示的主流發展方向。
激光顯示在國內的技術研究進展迅速，在國家高技術研究發展計劃（863 計劃）和中國科學院創新工程計劃支持下，中國科學院理化技術研究所許祖彥院士團隊于 2005 年在國內首次研制成功激光全色投影顯示原理樣機（全固態激光源），總體水平世界先進，色域覆蓋率（79%）等關鍵技術國際領先。2015 年研制成功國際首臺 100 in 三基色LD 激光電視樣機，證明了激光顯示技術實現產業化的可行性。《“十三五”規劃綱要》已將激光顯示列為新一代信息技術新型顯示項目的首位。通過多年攻關，中國申請和授權的激光顯示專利已經超過 7000 項，占全球激光顯示專利比例的 50%以上，并被選為 IEC-TC110 激光顯示工作組的召集國，主導和參與制定多項國際電工委員會（IEC）國際標準。
雖然國內三基色 LD 器件的功率、效率、可靠性等與國外尚有差距，但激光顯示三基色 LD 光源技術及應用已進入快速發展階段，有望在短期內實現突破。
（三）光存儲技術
隨著各種信息爆炸式增長，日常需要處理的信息容量將以太字節計，信息流以太字節每秒計。激光器發明后，光存儲技術獲得了發展，采用激光光源，顛覆了磁存儲技術的容量概念。光存儲采用非接觸方式讀、寫、擦，對盤面損傷小，數據存儲壽命長且存儲介質穩定，數據可保存 10 年以上，且移動性好、成本低，成為當今乃至未來應用最廣、效率最高、容量最大的存儲技術。面對大數據、云計算、物聯網、人工智能的需求，超大容量光存儲技術得到快速發展，容量已經超過太字節，并發展了體全息存儲、近場光學存儲和雙光子雙穩態存儲技術等多種光存儲技術。采用激光全息技術的全息存儲，能實現三維圖像存儲，具有更大的存儲容量。
國內的光存儲技術已經發展了三代，大部分技術都掌握了自主知識產權，具備了第四代乃至第五代光存儲技術的條件、實力與能力。光存儲正在突破衍射極限向超高密度信息存儲方向發展，由二維到多維存儲。新型高容量光存儲技術研究及實用化發展迅速，藍光存儲技術已實現產業化并在不斷擴大規模，雙光束超分辨和玻璃存儲技術進入工程化和產業化推進階段，多波長多階光存儲和全息存儲等技術已趨向成熟，而熒光納米晶體存儲、脫氧核糖核酸（DNA）存儲技術及近場光存儲等技術的研究也不斷取得進展。隨著激光器性能的提高和存儲技術的進步，2019 年單個光盤存儲容量已達500 GB。
（四）光傳感技術
光傳感技術與光通信技術相似，是以光為載體，感知和傳輸外界信號（被測量）的傳感技術。從大規模應用角度來看，主要光傳感技術大體分為激光雷達和光纖傳感，其他一些光電傳感、激光傳感器技術分布在很多行業，伴隨著行業技術的進步不斷發展。
1. 激光雷達
激光雷達技術自 1960 年第一臺激光器發明就已經開始研究，用于環境感知和測距，第一臺激光測距儀于 1961 年在美軍投入使用。相比毫米波、微波和超聲波雷達等相對成熟的傳統雷達技術，激光雷達可以極大提高雷達的距離、角度和速度分辨力，而激光的高方向性和高相干性使其能夠遠距離抗干擾探測。激光雷達從軍事應用開始，成為最先進的主動遙感工具，發展了單點測距型、單通道掃描成像、多通道掃描成像、面陣成像等，從單通道二維掃描成像雷達發展到條紋管凝視成像雷達和門選通距離成像激光雷達。
用于大氣監測，差分吸收激光雷達能夠對水蒸氣、臭氧、大氣污染體等進行測定，后向散射激光雷達探測云 – 氣溶膠和可吸入顆粒物的濃度和立體分布，多普勒激光雷達測量風速和風切變等信息，并能夠檢測沙塵暴。激光雷達還可以探測海洋深度、暗礁、魚群和勘查海難，探測深海中難以發現的寶貴資源、海洋浮游生物和葉綠素濃度等，利用拉曼散射測量海洋次表層溫度，利用布里淵散射可測量溫度、海洋聲速和鹽度，利用熒光效應測量因各種事故而泄露在海面上的油氣。在軍事上，激光雷達用于偵察成像、障礙物躲避、化學試劑探測、水雷探測和武器制導等。激光雷達可以用于對目標的三維測繪、航天器交會對接。另外，激光雷達技術已經是無人駕駛領域的關鍵技術，未來會改變人類社會的交通方式。
激光雷達關鍵技術主要包括激光發射機技術、空間掃描技術、高靈敏度接收機設計技術、終端信息處理技術等。激光雷達依賴激光器（激光發射機）性能，按激光波段分為紫外激光雷達、可見激光雷達和紅外激光雷達，按激光介質分為氣體激光雷達、固體激光雷達和半導體激光雷達，按發射波形分為脈沖激光雷達、連續波激光雷達和混合型激光雷達等。激光器的技術發展直接決定了激光雷達的技術進步和應用推廣。隨著新興的光纖激光器、量子級聯激光器等技術的發展，激光器在波段拓展可調諧及線寬、能量、脈沖等技術指標上不斷提高性能，也將促進激光雷達達到更高的測量精度和更好的實用性。
2. 光纖傳感
光纖傳感技術隨著光纖通信技術的發展成熟，采用激光源作為傳感信號，利用光纖及光纖器件等作為傳感器，通過對傳感激光的解調獲得傳感信息，具有不受電磁干擾、體積小、分布式、易集成、測量精度高、可自組網等優點。
在實際應用中，往往將各種傳感器組成光纖傳感網，對多種信號進行測量。根據光纖傳感網絡的應用需求，采用了量子級聯激光器、激光二極管、發光二極管、布里淵光纖激光器、拉曼光纖放大器等各種激光源作為傳感源，對溫度、壓力、流量、 位移、振動、轉動、彎曲、液位、速度、加速度、聲場、電流、電壓、磁場及輻射等物理量進行測量 ，已經廣泛應用于軍事、國防、航天航空、工礦企業、能源環保、工業控制、醫藥衛生、計量測試、建筑、家用電器等多個領域。
光纖傳感技術在大型建設施工行業發揮了重要作用。1993 年，加拿大就將光纖傳感器預裝在一座碳纖維預應力混凝土公路橋上，通過動態規化理論處理數據，準確快速地評估了橋梁的使用狀態及壽命。我國三峽水利樞紐工程，大壩壩體內部靠近上游面埋設的光纖 Bragg 光柵溫度傳感器，所測溫度與水銀溫度計直接測量水溫相比，精度更高。目前，應用最為廣泛的是光纖陣列傳感系統，可以實現大范圍、長距離多點傳感，結合分布式光纖傳感系統，成為大規模光纖傳感最主要的發展趨勢，大型基礎設施的分布式監測系統都采用了光纖陣列傳感技術，如北京鳥巢體育場、廣州電視塔、高鐵線路等。可見，現代工業、基礎設施、能源等領域已經越來越離不開光纖傳感技術的保障。
2035 激光技術通信領域發展趨勢展望
（一）光通信技術
目前，我國光纖通信已經突破一根普通光纖中 100 Tb/s 數據傳輸 80 km，向超高速、超大容量、超長距離的“三超”方向發展 。預計到2025 年可實現 100 Tb/s 超高速光纖通信系統，并于2035 年全面實現通信前端的關鍵電子、光子和光電子器件集成應用，突破 1000 Tb/s 光纖高速信息傳輸。未來光纖通信技術將為人類帶來更加深遠的影響，也是我國實現“兩個一百年”偉大目標的強勁動力。
通過軌道角動量復用等新技術，無線光通信研究已經可以實現每秒太字節級的傳輸，但傳輸距離受限，遠距離傳輸依然很難突破10 Gb/s。通過光源、放大器及探測系統的發展進步，預計到 2025 年可實現 40 Gb/s 空間高速激光遠距離傳輸，甚至用于航天通信。隨著 2035 年在光纖通信前端的關鍵電子、光子和光電子器件全面實現集成應用的推動，空間激光通信能夠突破 100~400 Gb/s 高速系統實用化，同時也將在空間信息網絡、深空通信、寬帶接入、水下探測等方面獲得全面應用。
（二）激光顯示技術
顯示領域總體朝著高清、高顏色飽和度的激光二維和三維顯示技術發展，包括激光全息顯示技術、MicrolLED 顯示技術、柔性顯示技術，系統更小型化，更高分辨率，更廣色域是發展趨勢。我國在 2022 年將實現超高清視頻，激光顯示解決 4K/8K 超高分辨率顯示芯片、超高清視頻圖像的獲取 / 存儲 / 處理 / 傳輸、人眼生物學特征和視覺心理特性等關鍵技術。三基色 LD 光源，紅光 LD 單管功率可達 2 W（壽命超過 10 000 h），藍光 LD 單管最大輸出功率達 2.8 W（壽命已超過 5000 h），綠光 LD 最大輸出功率達到 500 mW，突破實用化水平，徹底解決依賴進口的問題。預計到 2025 年的總體發展目標應為實現超高清和頭戴眼鏡式的三維顯示技術。預計到 2035 年的總體發展目標應為實現裸眼三維顯示技術。
（三）光存儲技術
預計在 2022 年左右與光存儲相關的單項技術和系統集成技術將達到穩定，存儲購買成本可達1 美分 /GB。近年來，飛秒激光器等超快激光性能迅速提高，使新存儲技術不斷突破，結合性能更優良的存儲介質材料技術的進展，高存儲容量、密度、可靠性和數據傳輸率的存儲技術將實現超大容量、超高效率、超高吞吐率、低成本及廣泛兼容性的光存儲產品，而相應的行業標準、國家標準和國際標準也將越來越完善，在各行各業得到普及。預計到 2025 年可實現太字節量級的光盤存儲器，到 2035 年突破拍字節量級的光盤存儲系統。
（四）光傳感技術
激光雷達向高靈敏度、高信噪比、高分辨率和寬測量范圍發展，傳感前端的專用性能向集成、多參數、多功能方向發展，算法伴隨人工智能實現智能傳感。預計到 2025 年激光雷達將全面用于智聯網、無人駕駛等領域，成為無人駕駛領域的主要增長力，技術將突破三維雷達成像。到 2035 年，隨著絕大多數汽車向著智能化方向發展，無人駕駛也將成為駕駛的最重要部分，全面智能化的激光雷達技術將成為陸、水、空中有人和無人駕駛領域的核心器件。
隨著窄線寬激光器等先進激光技術的發展，智能光纖傳感網技術將會更加成熟，在各個領域將發揮更大的作用，為提升我國自主創新能力、增強我國信息產業的國際競爭力、促進國民經濟的快速可持續發展做出更多更大的貢獻。預計到2025 年能夠實現超高分辨率的超快光纖傳感技術，到 2035 年分布式智能光傳感系統進入海洋、地心、太空等超遠領域，成為廣域物聯網最重要的基礎設施。
政策建議
目前，我國激光應用的信息技術處于蓬勃發展時期，機遇與挑戰并存。一些關鍵核心技術和工藝尚有差距，鑒于當前國際政治、經濟形勢的嚴峻性，技術及產業發展必然遇到外部制約。由于其在民生、工業、軍事等方面具有的普遍意義，為促進我國激光應用信息技術和產業到 2035 年處于世界領先地位，在激光應用信息領域，提出以下發展建議。
（一）確立重點研究方向，布局核心技術開發
針對我國激光技術的信息應用和產業發展現狀，分析當前激光信息技術發展、產業落地和大規模應用過程中需要突破和解決的關鍵技術瓶頸，根據輕重緩急程度確立需要重點突破的研究方向，并在國家層面通過各類科技計劃進行針對性布局，發揮國家科技計劃的引導作用，強化技術創新的支持政策。完善“產學研用”協同創新機制，集中“產學研”優勢力量開展技術攻關，共同開展基礎理論創新和前瞻性技術研究，著力攻克并解決當前激光信息技術發展中的瓶頸，提高關鍵器件及整體系統水平，推動激光信息技術產品和服務的標準化建設，推動激光信息技術生態模式和服務模式的創新發展。
（二）搭建產業創新平臺，提高技術創新水平
通過有效的政策引導和支持，使高校、科研院所、企業成為技術創新的投入主體。大力推進“政產學研用”相結合，支持有條件的企業同科研院所、高等學校聯合建立研究開發機構、產業技術聯盟等創新組織，結合當前技術發展瓶頸，發揮龍頭企業主導作用和高校、科研院所的基礎研究能力，組織開展跨行業、跨領域、跨區域的“產學研用”協同創新，提高技術創新水平。
（三）注重知識產權保護，加強高端人才培養
建議加大新興技術知識產權保護力度，建立專利池，支持技術轉移機構開展專項業務，尤其對空間激光通信、激光顯示等技術轉移的機構給與重點支持。對掌握關鍵技術和擁有深度開發能力的高端人才需求開展調查和預測，逐步建立健全激光信息技術領域的高層次人才信息庫，通過推進和加強“政產學研”合作引導產業和人才的聚集。推動高校加強和豐富激光信息技術領域學科專業建設，精準培養科研人員和技術人才。
（四）引導“政產學研”協同，促進成果轉化合作
建議大力推進“政產學研用”相結合，支持有條件的企業同科研院所、高等學校聯合建立研究開發機構、產業技術聯盟等創新組織，建立并優化不同層面之間的協調機制和組織機構，搭建激光信息技術跨界交流合作平臺，集聚行業內外的重點企業、高等院校、科研院所、配套供應商等開展技術需求對接，促進各高校激光信息技術研究團隊之間的跨學科對話與合作，推動數據資料合理共享，促進務實合作與協同創新。鼓勵并支持各相關領域產業協會和學術組織內部的協作與合作，推動研究機構和產業部門之間的廣泛交流、信息和成果共享，提高相關技術創新水平和產業化能力。
（五）加大政策扶持力度，引導行業健康發展
建議依托國內現有的技術儲備基礎，由政府牽頭組織高校、科研院所、重點企業共同建立一批國家重點實驗室、工程研究中心等激光信息共性技術科研平臺或聯合實驗室，協同多方力量解決關鍵技術和應用基礎問題。加大研發投入，跟蹤技術產業化發展過程，堅持規模應用導向與技術斷點彌合的研發思路，提高創新資源利用效率與產出水平。在國家統一協調和管理下推動激光信息領域中關鍵技術標準的制定與實施，激光信息技術的相關產業廣泛涉及到從基礎硬件生產、軟件開發、核心部件制造、實體機網絡分發平臺、營銷與服務以及眾多軍事與民用行業領域，需通過技術標準體系及關鍵標準的制定、標準復合型檢測和相應的質量驗證系統的支撐，使產業健康可持續發展。
（六）發揮產業集聚優勢，增強企業競爭能力
建議充分發揮激光信息技術領域產業集群優化，降低集群區內企業的采購和供應成本，便利各個環節企業之間的溝通互動，促進企業之間的協作，促進集群區內部各企業之間的技術交流，形成技術創新環境，促進勞動力組織的專業化，使產業相關技術人才更容易聚集并形成集約優勢。打破傳統批次封閉、煙囪式的產業發展框架，對激光信息技術產業鏈進行網狀重構。鼓勵各產業集群在商業模式，網絡構架、內容應用等方面的創新變革，加強各產業集群中相關產業鏈上、中、下游之間的交流與合作，實現單點突破向產業集聚的轉變，推動產業集群間的優化分工。采取前瞻技術提前布局、支持政策定向引導、市場環境與需求適當刺激、產業規模適度擴張等政策，大幅度提高企業競爭力。
來源：中國工程院院刊
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