激光技術(shù)自發(fā)明以來(lái)，就開(kāi)始廣泛應(yīng)用于信息領(lǐng)域。激光技術(shù)促進(jìn)了信息技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，已是當(dāng)今信息科技發(fā)展的主要?jiǎng)恿��！拔覈?guó)激光技術(shù)與信息應(yīng)用2035 發(fā)展戰(zhàn)略研究”是中國(guó)工程院設(shè)立的重點(diǎn)咨詢(xún)項(xiàng)目“我國(guó)激光技術(shù)與應(yīng)用2035 發(fā)展戰(zhàn)略研究”的課題之一，旨在對(duì)我國(guó)激光技術(shù)在信息領(lǐng)域的應(yīng)用及相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況開(kāi)展全面研究，凝練信息領(lǐng)域激光技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，提出能夠促進(jìn)該領(lǐng)域發(fā)展的合理建議。本文通過(guò)介紹光通信、激光顯示、光存儲(chǔ)、光傳感等幾個(gè)激光技術(shù)在信息領(lǐng)域的主要應(yīng)用，對(duì)其國(guó)內(nèi)外研究和發(fā)展現(xiàn)狀、主要關(guān)鍵技術(shù)、國(guó)內(nèi)外產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況進(jìn)行了深入分析，研究提出：確立研究方向重點(diǎn)，布局核心技術(shù)開(kāi)發(fā)；搭建產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新平臺(tái)，提高技術(shù)創(chuàng)新水平；注重知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)，加強(qiáng)高端人才培養(yǎng)；引導(dǎo)“政產(chǎn)學(xué)研”協(xié)同，促進(jìn)成果轉(zhuǎn)化合作；加大政策扶持力度，引導(dǎo)行業(yè)健康發(fā)展；發(fā)揮產(chǎn)業(yè)集聚優(yōu)勢(shì)，增強(qiáng)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)能力。

前言

   與傳統(tǒng)光源相比，激光光源具有單色性好、相干性強(qiáng)、亮度高和方向性好等優(yōu)點(diǎn)，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、通信、醫(yī)療、科研、國(guó)防等諸多領(lǐng)域具有極為廣泛的應(yīng)用。激光的發(fā)明和發(fā)展引發(fā)了光學(xué)的重大變革 ，推動(dòng)信息技術(shù)發(fā)展突飛猛進(jìn)，并引領(lǐng)人類(lèi)進(jìn)入信息時(shí)代。尤其是半導(dǎo)體激光器的問(wèn)世，直接促成了光纖通信技術(shù)的應(yīng)用，使通信技術(shù)的發(fā)展從電子時(shí)代跨入光電子時(shí)代。

    激光技術(shù)的迅速發(fā)展已滲入到信息技術(shù)領(lǐng)域的各個(gè)方面，作為電子信息技術(shù)的延伸和發(fā)展，取得了舉世矚目的成就，已成為當(dāng)今信息科技發(fā)展的主要推動(dòng)力。目前，激光在信息領(lǐng)域的應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)發(fā)展出激光成像、測(cè)距、傳感、探測(cè)、通信、信息處理、顯示、存儲(chǔ)等多個(gè)方向，對(duì)推動(dòng)國(guó)家信息化、國(guó)防建設(shè)、航空航天、能源環(huán)境等民生及國(guó)家重大戰(zhàn)略安全領(lǐng)域做出了巨大貢獻(xiàn)，也為科學(xué)探索和科技創(chuàng)新提供了前所未有的手段和機(jī)遇。

   激光在信息領(lǐng)域的技術(shù)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展關(guān)系到我國(guó)創(chuàng)新型國(guó)家的全面發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過(guò)數(shù)十年的發(fā)展，雖然我國(guó)激光信息技術(shù)取得了重要的進(jìn)展，然而在基礎(chǔ)元器件開(kāi)發(fā)及產(chǎn)業(yè)化等方面與國(guó)際先進(jìn)水平仍存在較大差距。面對(duì)激烈的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)，需要抓住國(guó)際科技和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，以及我國(guó)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整的戰(zhàn)略機(jī)遇，加快發(fā)展激光信息技術(shù)和產(chǎn)業(yè)能力。

激光技術(shù)在信息領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀

    激光技術(shù)在信息領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，直接推動(dòng)了人類(lèi)文明進(jìn)入信息時(shí)代，對(duì)信息領(lǐng)域具有最深遠(yuǎn)和廣泛的影響，并突出體現(xiàn)在基于激光技術(shù)發(fā)展起來(lái)的光通信、激光顯示、光存儲(chǔ)、光傳感等幾個(gè)信息領(lǐng)域。

（一）光通信技術(shù)
 
    現(xiàn)代通信技術(shù)對(duì)激光的依存度非常高，是激光技術(shù)最重要的應(yīng)用領(lǐng)域，采用激光為載波的光通信技術(shù)已經(jīng)成為最重要的現(xiàn)代通信技術(shù)。光通信可以實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音、圖像和數(shù)據(jù)等信息傳輸，具有速率高、容量大、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，根據(jù)傳輸媒介主要分為光纖通信和無(wú)線(xiàn)激光通信。

1. 光纖通信

    光纖通信以激光源為載波、光導(dǎo)纖維為傳導(dǎo)媒質(zhì)，來(lái)實(shí)現(xiàn)信息的傳輸，已經(jīng)應(yīng)用 40 多年。光纖通信的傳輸速度更快、能量損耗更小、激光調(diào)制速率更高，對(duì)通信性能的提高是顛覆性的，具有巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和無(wú)限的產(chǎn)業(yè)前景 。華人科學(xué)家高錕發(fā)明的低損耗光纖與半導(dǎo)體激光器等一系列技術(shù)的突破推動(dòng)了光纖通信在 1976 年開(kāi)始商業(yè)化應(yīng)用，并發(fā)展了 0.85 μm、1.31 μm 和 1.55 μm 三個(gè)波段激光載波以及波分復(fù)用、相干通信等第五代通信技術(shù)，隨著激光器性能的提高，單信道 400 Gb/s 商用設(shè)備已投入運(yùn)營(yíng)。

    由于光纖通信帶寬的提升，發(fā)端于 20 世紀(jì)60 年代的美國(guó)國(guó)防部網(wǎng)絡(luò)演化成為目前全球通用的互聯(lián)網(wǎng)，形成了信息高速公路。另外，正因?yàn)榻?0 年來(lái)光纖通信技術(shù)推動(dòng)著網(wǎng)絡(luò)容量不斷提高（已達(dá)每秒幾十太字節(jié)），才使移動(dòng)通信帶寬和服務(wù)用戶(hù)數(shù)量不斷擴(kuò)大，成為當(dāng)今發(fā)展最快的領(lǐng)域。作為20 世紀(jì)人類(lèi)社會(huì)所取得的最偉大的技術(shù)成就之一，光纖通信技術(shù)是人類(lèi)向信息化時(shí)代邁進(jìn)不可替代的重要基石，已成為全球信息化的支撐技術(shù)，導(dǎo)致了經(jīng)濟(jì)全球化，改變了形成幾百年的經(jīng)濟(jì)模式，人類(lèi)生活質(zhì)量獲得迅速提升。

    我國(guó)在光纖通信技術(shù)和產(chǎn)業(yè)方面均取得了較快發(fā)展 ，光通信設(shè)備和系統(tǒng)的研制以及工程應(yīng)用能力已經(jīng)躋身世界一流水平。以華為技術(shù)有限公司、中興通訊股份有限公司、長(zhǎng)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(guó)通信企業(yè)已經(jīng)成長(zhǎng)為所在領(lǐng)域排名前列的頂尖高科技企業(yè)。目前，我國(guó)生產(chǎn)能力和市場(chǎng)占有率均位列世界第 1，通信用激光器等光電子器件的產(chǎn)量和市場(chǎng)約占據(jù)全球 1/2，光傳輸設(shè)備和市場(chǎng)占比超過(guò) 1/3，技術(shù)僅次于美國(guó)和日本。

2. 無(wú)線(xiàn)激光通信

    無(wú)線(xiàn)激光通信結(jié)合了無(wú)線(xiàn)電通信和光纖通信的優(yōu)點(diǎn)，抗干擾能力強(qiáng)、抗截獲能力強(qiáng)、安全性好、通信速率高、傳輸速度快、信息容量大，還具有系統(tǒng)體積小、重量輕、功耗低、施工簡(jiǎn)單、靈活機(jī)動(dòng)的特點(diǎn)，在軍事和民用領(lǐng)域均具有重大的戰(zhàn)略需求與應(yīng)用價(jià)值 。
 
    美國(guó)、歐洲、日本、俄羅斯等國(guó)家及地區(qū)早在 20 世紀(jì) 70 年代就開(kāi)展了天基、大氣及水下信道的無(wú)線(xiàn)激光通信研究，通過(guò)多年研究和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，激光衛(wèi)星通信已經(jīng)表現(xiàn)出與微波衛(wèi)星通信的巨大優(yōu)勢(shì)。2008 年，德國(guó)航空航天中心（DLR）利用Tesat 衛(wèi)星開(kāi)展了星間 45 000 km 在軌激光通信試驗(yàn)驗(yàn)證，采用 1.06 μm 激光載波的速率為 5.625 Gb/s。美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）在 2013 年 10 月成功試驗(yàn)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(guó)在 20 世紀(jì) 70 年代就開(kāi)始了大氣激光通信技術(shù)研究，20 世紀(jì) 90 年代啟動(dòng)了空間激光通信研究項(xiàng)目，并迅速趕上了國(guó)際先進(jìn)水平。2007 年，長(zhǎng)春理工大學(xué)率先突破遠(yuǎn)距離光束的捕獲、對(duì)準(zhǔn)、跟蹤技術(shù)，首次實(shí)現(xiàn)雙動(dòng)態(tài)激光通信，2013 年成功試驗(yàn)了我國(guó)首次固定翼飛機(jī)間遠(yuǎn)距離激光通信，速率為 2.5 Gb/s，傳輸距離為 144 km，超過(guò)了同類(lèi)試驗(yàn)國(guó)際最遠(yuǎn)距離。2011 年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)開(kāi)展了我國(guó)首次星地激光通信鏈路數(shù)據(jù)傳輸試驗(yàn)，下行最高速率為 504 Mb/s。2017 年中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所開(kāi)展了我國(guó)首次星地高速相干激光通信技術(shù)試驗(yàn)，下行最高速率達(dá) 5.12 Gb/s。同年，搭載“實(shí)踐十三號(hào)”高通量衛(wèi)星的星地激光通信終端開(kāi)展的世界上首次高軌衛(wèi)星對(duì)地高速激光雙向通信試驗(yàn)取得成功，40 000 km 星地距離最高速率為 5 Gb/s。

無(wú)線(xiàn)激光通信技術(shù)獲得了全面突破，并延伸到水下、大氣和室內(nèi)可見(jiàn)光通信。隨著人類(lèi)科技進(jìn)步和對(duì)信息的需求，無(wú)線(xiàn)激光通信技術(shù)將成為通信領(lǐng)域舉足輕重的傳輸技術(shù)，推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)、智聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，甚至改變?nèi)祟?lèi)生產(chǎn)、生活和文化模式。

（二）激光顯示技術(shù)

    激光顯示技術(shù)是繼黑白顯示、彩色顯示、數(shù)字顯示之后的第四代顯示技術(shù)，是激光技術(shù)、光電子技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)等高速發(fā)展、綜合集成的產(chǎn)物。隨著激光技術(shù)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(jué)感知區(qū)，實(shí)現(xiàn) 8 K 幾何高清，三基色半導(dǎo)體激光器（LD）激光顯示技術(shù)是唯一能夠全面實(shí)現(xiàn)ITU-BT.2020 標(biāo)準(zhǔn)的顯示技術(shù)。由于激光具有方向性好、單色性好和亮度高三個(gè)基本特性，可實(shí)現(xiàn)大色域、雙高清（幾何、顏色）視頻圖像顯示和真三維顯示，被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)高保真圖像再現(xiàn)的最佳技術(shù)途徑，是新型顯示的主流發(fā)展方向。

    激光顯示在國(guó)內(nèi)的技術(shù)研究進(jìn)展迅速，在國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863 計(jì)劃）和中國(guó)科學(xué)院創(chuàng)新工程計(jì)劃支持下，中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所許祖彥院士團(tuán)隊(duì)于 2005 年在國(guó)內(nèi)首次研制成功激光全色投影顯示原理樣機(jī)（全固態(tài)激光源），總體水平世界先進(jìn)，色域覆蓋率（79%）等關(guān)鍵技術(shù)國(guó)際領(lǐng)先。2015 年研制成功國(guó)際首臺(tái) 100 in 三基色LD 激光電視樣機(jī)，證明了激光顯示技術(shù)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的可行性。《“十三五”規(guī)劃綱要》已將激光顯示列為新一代信息技術(shù)新型顯示項(xiàng)目的首位。通過(guò)多年攻關(guān)，中國(guó)申請(qǐng)和授權(quán)的激光顯示專(zhuān)利已經(jīng)超過(guò) 7000 項(xiàng)，占全球激光顯示專(zhuān)利比例的 50%以上，并被選為 IEC-TC110 激光顯示工作組的召集國(guó)，主導(dǎo)和參與制定多項(xiàng)國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。

    雖然國(guó)內(nèi)三基色 LD 器件的功率、效率、可靠性等與國(guó)外尚有差距，但激光顯示三基色 LD 光源技術(shù)及應(yīng)用已進(jìn)入快速發(fā)展階段，有望在短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)突破。

（三）光存儲(chǔ)技術(shù)

    隨著各種信息爆炸式增長(zhǎng)，日常需要處理的信息容量將以太字節(jié)計(jì)，信息流以太字節(jié)每秒計(jì)。激光器發(fā)明后，光存儲(chǔ)技術(shù)獲得了發(fā)展，采用激光光源，顛覆了磁存儲(chǔ)技術(shù)的容量概念。光存儲(chǔ)采用非接觸方式讀、寫(xiě)、擦，對(duì)盤(pán)面損傷小，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)壽命長(zhǎng)且存儲(chǔ)介質(zhì)穩(wěn)定，數(shù)據(jù)可保存 10 年以上，且移動(dòng)性好、成本低，成為當(dāng)今乃至未來(lái)應(yīng)用最廣、效率最高、容量最大的存儲(chǔ)技術(shù)。面對(duì)大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能的需求，超大容量光存儲(chǔ)技術(shù)得到快速發(fā)展，容量已經(jīng)超過(guò)太字節(jié)，并發(fā)展了體全息存儲(chǔ)、近場(chǎng)光學(xué)存儲(chǔ)和雙光子雙穩(wěn)態(tài)存儲(chǔ)技術(shù)等多種光存儲(chǔ)技術(shù)。采用激光全息技術(shù)的全息存儲(chǔ)，能實(shí)現(xiàn)三維圖像存儲(chǔ)，具有更大的存儲(chǔ)容量。

    國(guó)內(nèi)的光存儲(chǔ)技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了三代，大部分技術(shù)都掌握了自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，具備了第四代乃至第五代光存儲(chǔ)技術(shù)的條件、實(shí)力與能力。光存儲(chǔ)正在突破衍射極限向超高密度信息存儲(chǔ)方向發(fā)展，由二維到多維存儲(chǔ)。新型高容量光存儲(chǔ)技術(shù)研究及實(shí)用化發(fā)展迅速，藍(lán)光存儲(chǔ)技術(shù)已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化并在不斷擴(kuò)大規(guī)模，雙光束超分辨和玻璃存儲(chǔ)技術(shù)進(jìn)入工程化和產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)階段，多波長(zhǎng)多階光存儲(chǔ)和全息存儲(chǔ)等技術(shù)已趨向成熟，而熒光納米晶體存儲(chǔ)、脫氧核糖核酸（DNA）存儲(chǔ)技術(shù)及近場(chǎng)光存儲(chǔ)等技術(shù)的研究也不斷取得進(jìn)展。隨著激光器性能的提高和存儲(chǔ)技術(shù)的進(jìn)步，2019 年單個(gè)光盤(pán)存儲(chǔ)容量已達(dá)500 GB。

（四）光傳感技術(shù)

    光傳感技術(shù)與光通信技術(shù)相似，是以光為載體，感知和傳輸外界信號(hào)（被測(cè)量）的傳感技術(shù)。從大規(guī)模應(yīng)用角度來(lái)看，主要光傳感技術(shù)大體分為激光雷達(dá)和光纖傳感，其他一些光電傳感、激光傳感器技術(shù)分布在很多行業(yè)，伴隨著行業(yè)技術(shù)的進(jìn)步不斷發(fā)展。

1. 激光雷達(dá)

    激光雷達(dá)技術(shù)自 1960 年第一臺(tái)激光器發(fā)明就已經(jīng)開(kāi)始研究，用于環(huán)境感知和測(cè)距，第一臺(tái)激光測(cè)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(dá)等相對(duì)成熟的傳統(tǒng)雷達(dá)技術(shù)，激光雷達(dá)可以極大提高雷達(dá)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(yuǎn)距離抗干擾探測(cè)。激光雷達(dá)從軍事應(yīng)用開(kāi)始，成為最先進(jìn)的主動(dòng)遙感工具，發(fā)展了單點(diǎn)測(cè)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(dá)發(fā)展到條紋管凝視成像雷達(dá)和門(mén)選通距離成像激光雷達(dá)。

    用于大氣監(jiān)測(cè)，差分吸收激光雷達(dá)能夠?qū)λ�蒸氣、臭氧、大氣污染體等進(jìn)行測(cè)定，后向散射激光雷達(dá)探測(cè)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(dá)測(cè)量風(fēng)速和風(fēng)切變等信息，并能夠檢測(cè)沙塵暴。激光雷達(dá)還可以探測(cè)海洋深度、暗礁、魚(yú)群和勘查海難，探測(cè)深海中難以發(fā)現(xiàn)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(cè)量海洋次表層溫度，利用布里淵散射可測(cè)量溫度、海洋聲速和鹽度，利用熒光效應(yīng)測(cè)量因各種事故而泄露在海面上的油氣。在軍事上，激光雷達(dá)用于偵察成像、障礙物躲避、化學(xué)試劑探測(cè)、水雷探測(cè)和武器制導(dǎo)等。激光雷達(dá)可以用于對(duì)目標(biāo)的三維測(cè)繪、航天器交會(huì)對(duì)接。另外，激光雷達(dá)技術(shù)已經(jīng)是無(wú)人駕駛領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，未來(lái)會(huì)改變?nèi)祟?lèi)社會(huì)的交通方式。

    激光雷達(dá)關(guān)鍵技術(shù)主要包括激光發(fā)射機(jī)技術(shù)、空間掃描技術(shù)、高靈敏度接收機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)、終端信息處理技術(shù)等。激光雷達(dá)依賴(lài)激光器（激光發(fā)射機(jī)）性能，按激光波段分為紫外激光雷達(dá)、可見(jiàn)激光雷達(dá)和紅外激光雷達(dá)，按激光介質(zhì)分為氣體激光雷達(dá)、固體激光雷達(dá)和半導(dǎo)體激光雷達(dá)，按發(fā)射波形分為脈沖激光雷達(dá)、連續(xù)波激光雷達(dá)和混合型激光雷達(dá)等。激光器的技術(shù)發(fā)展直接決定了激光雷達(dá)的技術(shù)進(jìn)步和應(yīng)用推廣。隨著新興的光纖激光器、量子級(jí)聯(lián)激光器等技術(shù)的發(fā)展，激光器在波段拓展可調(diào)諧及線(xiàn)寬、能量、脈沖等技術(shù)指標(biāo)上不斷提高性能，也將促進(jìn)激光雷達(dá)達(dá)到更高的測(cè)量精度和更好的實(shí)用性。

2. 光纖傳感

    光纖傳感技術(shù)隨著光纖通信技術(shù)的發(fā)展成熟，采用激光源作為傳感信號(hào)，利用光纖及光纖器件等作為傳感器，通過(guò)對(duì)傳感激光的解調(diào)獲得傳感信息，具有不受電磁干擾、體積小、分布式、易集成、測(cè)量精度高、可自組網(wǎng)等優(yōu)點(diǎn)。

    在實(shí)際應(yīng)用中，往往將各種傳感器組成光纖傳感網(wǎng)，對(duì)多種信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。根據(jù)光纖傳感網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用需求，采用了量子級(jí)聯(lián)激光器、激光二極管、發(fā)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(duì)溫度、壓力、流量、 位移、振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、彎曲、液位、速度、加速度、聲場(chǎng)、電流、電壓、磁場(chǎng)及輻射等物理量進(jìn)行測(cè)量 ，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于軍事、國(guó)防、航天航空、工礦企業(yè)、能源環(huán)保、工業(yè)控制、醫(yī)藥衛(wèi)生、計(jì)量測(cè)試、建筑、家用電器等多個(gè)領(lǐng)域。

   光纖傳感技術(shù)在大型建設(shè)施工行業(yè)發(fā)揮了重要作用。1993 年，加拿大就將光纖傳感器預(yù)裝在一座碳纖維預(yù)應(yīng)力混凝土公路橋上，通過(guò)動(dòng)態(tài)規(guī)化理論處理數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確快速地評(píng)估了橋梁的使用狀態(tài)及壽命。我國(guó)三峽水利樞紐工程，大壩壩體內(nèi)部靠近上游面埋設(shè)的光纖 Bragg 光柵溫度傳感器，所測(cè)溫度與水銀溫度計(jì)直接測(cè)量水溫相比，精度更高。目前，應(yīng)用最為廣泛的是光纖陣列傳感系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)大范圍、長(zhǎng)距離多點(diǎn)傳感，結(jié)合分布式光纖傳感系統(tǒng)，成為大規(guī)模光纖傳感最主要的發(fā)展趨勢(shì)，大型基礎(chǔ)設(shè)施的分布式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)都采用了光纖陣列傳感技術(shù)，如北京鳥(niǎo)巢體育場(chǎng)、廣州電視塔、高鐵線(xiàn)路等�？梢�(jiàn)，現(xiàn)代工業(yè)、基礎(chǔ)設(shè)施、能源等領(lǐng)域已經(jīng)越來(lái)越離不開(kāi)光纖傳感技術(shù)的保障。

2035 激光技術(shù)通信領(lǐng)域發(fā)展趨勢(shì)展望

（一）光通信技術(shù)

    目前，我國(guó)光纖通信已經(jīng)突破一根普通光纖中 100 Tb/s 數(shù)據(jù)傳輸 80 km，向超高速、超大容量、超長(zhǎng)距離的“三超”方向發(fā)展 。預(yù)計(jì)到2025 年可實(shí)現(xiàn) 100 Tb/s 超高速光纖通信系統(tǒng)，并于2035 年全面實(shí)現(xiàn)通信前端的關(guān)鍵電子、光子和光電子器件集成應(yīng)用，突破 1000 Tb/s 光纖高速信息傳輸。未來(lái)光纖通信技術(shù)將為人類(lèi)帶來(lái)更加深遠(yuǎn)的影響，也是我國(guó)實(shí)現(xiàn)“兩個(gè)一百年”偉大目標(biāo)的強(qiáng)勁動(dòng)力。

通過(guò)軌道角動(dòng)量復(fù)用等新技術(shù)，無(wú)線(xiàn)光通信研究已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)每秒太字節(jié)級(jí)的傳輸，但傳輸距離受限，遠(yuǎn)距離傳輸依然很難突破10 Gb/s。通過(guò)光源、放大器及探測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展進(jìn)步，預(yù)計(jì)到 2025 年可實(shí)現(xiàn) 40 Gb/s 空間高速激光遠(yuǎn)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(guān)鍵電子、光子和光電子器件全面實(shí)現(xiàn)集成應(yīng)用的推動(dòng)，空間激光通信能夠突破 100~400 Gb/s 高速系統(tǒng)實(shí)用化，同時(shí)也將在空間信息網(wǎng)絡(luò)、深空通信、寬帶接入、水下探測(cè)等方面獲得全面應(yīng)用。

（二）激光顯示技術(shù)

顯示領(lǐng)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(shù)發(fā)展，包括激光全息顯示技術(shù)、MicrolLED 顯示技術(shù)、柔性顯示技術(shù)，系統(tǒng)更小型化，更高分辨率，更廣色域是發(fā)展趨勢(shì)。我國(guó)在 2022 年將實(shí)現(xiàn)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(chǔ) / 處理 / 傳輸、人眼生物學(xué)特征和視覺(jué)心理特性等關(guān)鍵技術(shù)。三基色 LD 光源，紅光 LD 單管功率可達(dá) 2 W（壽命超過(guò) 10 000 h），藍(lán)光 LD 單管最大輸出功率達(dá) 2.8 W（壽命已超過(guò) 5000 h），綠光 LD 最大輸出功率達(dá)到 500 mW，突破實(shí)用化水平，徹底解決依賴(lài)進(jìn)口的問(wèn)題。預(yù)計(jì)到 2025 年的總體發(fā)展目標(biāo)應(yīng)為實(shí)現(xiàn)超高清和頭戴眼鏡式的三維顯示技術(shù)。預(yù)計(jì)到 2035 年的總體發(fā)展目標(biāo)應(yīng)為實(shí)現(xiàn)裸眼三維顯示技術(shù)。

（三）光存儲(chǔ)技術(shù)

預(yù)計(jì)在 2022 年左右與光存儲(chǔ)相關(guān)的單項(xiàng)技術(shù)和系統(tǒng)集成技術(shù)將達(dá)到穩(wěn)定，存儲(chǔ)購(gòu)買(mǎi)成本可達(dá)1 美分 /GB。近年來(lái)，飛秒激光器等超快激光性能迅速提高，使新存儲(chǔ)技術(shù)不斷突破，結(jié)合性能更優(yōu)良的存儲(chǔ)介質(zhì)材料技術(shù)的進(jìn)展，高存儲(chǔ)容量、密度、可靠性和數(shù)據(jù)傳輸率的存儲(chǔ)技術(shù)將實(shí)現(xiàn)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(chǔ)產(chǎn)品，而相應(yīng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)也將越來(lái)越完善，在各行各業(yè)得到普及。預(yù)計(jì)到 2025 年可實(shí)現(xiàn)太字節(jié)量級(jí)的光盤(pán)存儲(chǔ)器，到 2035 年突破拍字節(jié)量級(jí)的光盤(pán)存儲(chǔ)系統(tǒng)。

（四）光傳感技術(shù)

激光雷達(dá)向高靈敏度、高信噪比、高分辨率和寬測(cè)量范圍發(fā)展，傳感前端的專(zhuān)用性能向集成、多參數(shù)、多功能方向發(fā)展，算法伴隨人工智能實(shí)現(xiàn)智能傳感。預(yù)計(jì)到 2025 年激光雷達(dá)將全面用于智聯(lián)網(wǎng)、無(wú)人駕駛等領(lǐng)域，成為無(wú)人駕駛領(lǐng)域的主要增長(zhǎng)力，技術(shù)將突破三維雷達(dá)成像。到 2035 年，隨著絕大多數(shù)汽車(chē)向著智能化方向發(fā)展，無(wú)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(dá)技術(shù)將成為陸、水、空中有人和無(wú)人駕駛領(lǐng)域的核心器件。

隨著窄線(xiàn)寬激光器等先進(jìn)激光技術(shù)的發(fā)展，智能光纖傳感網(wǎng)技術(shù)將會(huì)更加成熟，在各個(gè)領(lǐng)域?qū)�發(fā)揮更大的作用，為提升我國(guó)自主創(chuàng)新能力、增強(qiáng)我國(guó)信息產(chǎn)業(yè)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力、促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速可持續(xù)發(fā)展做出更多更大的貢獻(xiàn)。預(yù)計(jì)到2025 年能夠?qū)崿F(xiàn)超高分辨率的超快光纖傳感技術(shù)，到 2035 年分布式智能光傳感系統(tǒng)進(jìn)入海洋、地心、太空等超遠(yuǎn)領(lǐng)域，成為廣域物聯(lián)網(wǎng)最重要的基礎(chǔ)設(shè)施。

政策建議

目前，我國(guó)激光應(yīng)用的信息技術(shù)處于蓬勃發(fā)展時(shí)期，機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存。一些關(guān)鍵核心技術(shù)和工藝尚有差距，鑒于當(dāng)前國(guó)際政治、經(jīng)濟(jì)形勢(shì)的嚴(yán)峻性，技術(shù)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展必然遇到外部制約。由于其在民生、工業(yè)、軍事等方面具有的普遍意義，為促進(jìn)我國(guó)激光應(yīng)用信息技術(shù)和產(chǎn)業(yè)到 2035 年處于世界領(lǐng)先地位，在激光應(yīng)用信息領(lǐng)域，提出以下發(fā)展建議。

（一）確立重點(diǎn)研究方向，布局核心技術(shù)開(kāi)發(fā)

針對(duì)我國(guó)激光技術(shù)的信息應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，分析當(dāng)前激光信息技術(shù)發(fā)展、產(chǎn)業(yè)落地和大規(guī)模應(yīng)用過(guò)程中需要突破和解決的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，根據(jù)輕重緩急程度確立需要重點(diǎn)突破的研究方向，并在國(guó)家層面通過(guò)各類(lèi)科技計(jì)劃進(jìn)行針對(duì)性布局，發(fā)揮國(guó)家科技計(jì)劃的引導(dǎo)作用，強(qiáng)化技術(shù)創(chuàng)新的支持政策。完善“產(chǎn)學(xué)研用”協(xié)同創(chuàng)新機(jī)制，集中“產(chǎn)學(xué)研”優(yōu)勢(shì)力量開(kāi)展技術(shù)攻關(guān)，共同開(kāi)展基礎(chǔ)理論創(chuàng)新和前瞻性技術(shù)研究，著力攻克并解決當(dāng)前激光信息技術(shù)發(fā)展中的瓶頸，提高關(guān)鍵器件及整體系統(tǒng)水平，推動(dòng)激光信息技術(shù)產(chǎn)品和服務(wù)的標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)，推動(dòng)激光信息技術(shù)生態(tài)模式和服務(wù)模式的創(chuàng)新發(fā)展。

（二）搭建產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新平臺(tái)，提高技術(shù)創(chuàng)新水平

通過(guò)有效的政策引導(dǎo)和支持，使高校、科研院所、企業(yè)成為技術(shù)創(chuàng)新的投入主體。大力推進(jìn)“政產(chǎn)學(xué)研用”相結(jié)合，支持有條件的企業(yè)同科研院所、高等學(xué)校聯(lián)合建立研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)、產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟等創(chuàng)新組織，結(jié)合當(dāng)前技術(shù)發(fā)展瓶頸，發(fā)揮龍頭企業(yè)主導(dǎo)作用和高校、科研院所的基礎(chǔ)研究能力，組織開(kāi)展跨行業(yè)、跨領(lǐng)域、跨區(qū)域的“產(chǎn)學(xué)研用”協(xié)同創(chuàng)新，提高技術(shù)創(chuàng)新水平。

（三）注重知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)，加強(qiáng)高端人才培養(yǎng)

建議加大新興技術(shù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)力度，建立專(zhuān)利池，支持技術(shù)轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)開(kāi)展專(zhuān)項(xiàng)業(yè)務(wù)，尤其對(duì)空間激光通信、激光顯示等技術(shù)轉(zhuǎn)移的機(jī)構(gòu)給與重點(diǎn)支持。對(duì)掌握關(guān)鍵技術(shù)和擁有深度開(kāi)發(fā)能力的高端人才需求開(kāi)展調(diào)查和預(yù)測(cè)，逐步建立健全激光信息技術(shù)領(lǐng)域的高層次人才信息庫(kù)，通過(guò)推進(jìn)和加強(qiáng)“政產(chǎn)學(xué)研”合作引導(dǎo)產(chǎn)業(yè)和人才的聚集。推動(dòng)高校加強(qiáng)和豐富激光信息技術(shù)領(lǐng)域?qū)W科專(zhuān)業(yè)建設(shè)，精準(zhǔn)培養(yǎng)科研人員和技術(shù)人才。

（四）引導(dǎo)“政產(chǎn)學(xué)研”協(xié)同，促進(jìn)成果轉(zhuǎn)化合作

建議大力推進(jìn)“政產(chǎn)學(xué)研用”相結(jié)合，支持有條件的企業(yè)同科研院所、高等學(xué)校聯(lián)合建立研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)、產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟等創(chuàng)新組織，建立并優(yōu)化不同層面之間的協(xié)調(diào)機(jī)制和組織機(jī)構(gòu)，搭建激光信息技術(shù)跨界交流合作平臺(tái)，集聚行業(yè)內(nèi)外的重點(diǎn)企業(yè)、高等院校、科研院所、配套供應(yīng)商等開(kāi)展技術(shù)需求對(duì)接，促進(jìn)各高校激光信息技術(shù)研究團(tuán)隊(duì)之間的跨學(xué)科對(duì)話(huà)與合作，推動(dòng)數(shù)據(jù)資料合理共享，促進(jìn)務(wù)實(shí)合作與協(xié)同創(chuàng)新。鼓勵(lì)并支持各相關(guān)領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)和學(xué)術(shù)組織內(nèi)部的協(xié)作與合作，推動(dòng)研究機(jī)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)部門(mén)之間的廣泛交流、信息和成果共享，提高相關(guān)技術(shù)創(chuàng)新水平和產(chǎn)業(yè)化能力。

（五）加大政策扶持力度，引導(dǎo)行業(yè)健康發(fā)展

建議依托國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的技術(shù)儲(chǔ)備基礎(chǔ)，由政府牽頭組織高校、科研院所、重點(diǎn)企業(yè)共同建立一批國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、工程研究中心等激光信息共性技術(shù)科研平臺(tái)或聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，協(xié)同多方力量解決關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用基礎(chǔ)問(wèn)題。加大研發(fā)投入，跟蹤技術(shù)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展過(guò)程，堅(jiān)持規(guī)模應(yīng)用導(dǎo)向與技術(shù)斷點(diǎn)彌合的研發(fā)思路，提高創(chuàng)新資源利用效率與產(chǎn)出水平。在國(guó)家統(tǒng)一協(xié)調(diào)和管理下推動(dòng)激光信息領(lǐng)域中關(guān)鍵技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制定與實(shí)施，激光信息技術(shù)的相關(guān)產(chǎn)業(yè)廣泛涉及到從基礎(chǔ)硬件生產(chǎn)、軟件開(kāi)發(fā)、核心部件制造、實(shí)體機(jī)網(wǎng)絡(luò)分發(fā)平臺(tái)、營(yíng)銷(xiāo)與服務(wù)以及眾多軍事與民用行業(yè)領(lǐng)域，需通過(guò)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系及關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)的制定、標(biāo)準(zhǔn)復(fù)合型檢測(cè)和相應(yīng)的質(zhì)量驗(yàn)證系統(tǒng)的支撐，使產(chǎn)業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展。

（六）發(fā)揮產(chǎn)業(yè)集聚優(yōu)勢(shì)，增強(qiáng)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)能力

建議充分發(fā)揮激光信息技術(shù)領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)集群優(yōu)化，降低集群區(qū)內(nèi)企業(yè)的采購(gòu)和供應(yīng)成本，便利各個(gè)環(huán)節(jié)企業(yè)之間的溝通互動(dòng)，促進(jìn)企業(yè)之間的協(xié)作，促進(jìn)集群區(qū)內(nèi)部各企業(yè)之間的技術(shù)交流，形成技術(shù)創(chuàng)新環(huán)境，促進(jìn)勞動(dòng)力組織的專(zhuān)業(yè)化，使產(chǎn)業(yè)相關(guān)技術(shù)人才更容易聚集并形成集約優(yōu)勢(shì)。打破傳統(tǒng)批次封閉、煙囪式的產(chǎn)業(yè)發(fā)展框架，對(duì)激光信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)行網(wǎng)狀重構(gòu)。鼓勵(lì)各產(chǎn)業(yè)集群在商業(yè)模式，網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架、內(nèi)容應(yīng)用等方面的創(chuàng)新變革，加強(qiáng)各產(chǎn)業(yè)集群中相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈上、中、下游之間的交流與合作，實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)突破向產(chǎn)業(yè)集聚的轉(zhuǎn)變，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)集群間的優(yōu)化分工。采取前瞻技術(shù)提前布局、支持政策定向引導(dǎo)、市場(chǎng)環(huán)境與需求適當(dāng)刺激、產(chǎn)業(yè)規(guī)模適度擴(kuò)張等政策，大幅度提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

來(lái)源：中國(guó)工程院院刊