中学课本里的深潜知识丨海底的“微信”——水声通信

下潜到离地心最近的地方，征服“挑战者”深渊！中国“奋斗者”号载人潜水器正在马里亚纳海沟进行万米级海试。“奋斗者”号里的潜航员是如何跟母船上的工作人员联系的呢？在海底也可以用“微信”的嘛？“水声通信 ”又是什么？正在上学的你请跟我们一起巩固基础知识，而早就远离课本的你也请跟我们一起回忆自己无所不学的人生巅峰。

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在水下还能用电波联络吗？

要解答这个问题

我们先要理解光的一个特性

可见光一共有7种颜色

为何海水看起来

偏偏是蓝色 的呢

其实光是一种电磁波

不同颜色的光

波长和频率不一样

波长越大，越容易绕过障碍物

当它们碰到海面时

有趣的事情就发生了

↓↓↓

红光黄光这种波长比较大的

容易穿透到海面以下

蓝光这种波长小的

则很难穿透海水

会被反射和散射回来

进到我们的眼睛里

就形成了我们眼中的蓝海

所以要想和水面联络

关键是需要一种

能够穿透海水的波

↓↓↓

海水对波的阻挡作用

海水中不光有很多微粒障碍物

还有非常多带电离子

所以电磁波在海水中衰减极快

波长极大的电磁波

也不过能到达水下千米

在水下一万 米

电磁波是一定用不了的

突破海水的波 水声通信

其实我们初中就学过

声音也可以在水下传播

而且和电磁波比起来

声波的损耗就小得多了

所以，“奋斗者”号

其实是靠水声通信

来和海面上的母船联系的

科研人员对声音进行编码

不同的频率、振幅等

代表着不同的信息

这样将带有信息的声波信号发送给母船

母船接收到声波信号以后

再通过换能器

将声音信号转化为有效信息

我们就完成了深海与水面的沟通

最基础的物理知识 最尖端的科研

万丈高楼从地起

再高深的实验都有最基础的原理

万米级海试一样离不开

我们中学的物理知识

下一节课

我们将会迎来万米深潜的另一个挑战

它的基础原理也在中学的课本里

我们继续

用最基础的物理知识，

学懂最尖端的科研！

监制丨唐怡

制片人丨房轶婷

策划丨杜通

编导丨赵明旭

视觉丨朱灵萌

编辑丨赵汗青

统筹丨赵明旭 荣梦岩

特别鸣谢丨猿辅导 

瞭望 光电子信息产业有条件率先突破

在光学技术领域，我国基本与美西方处于同一起跑线，特别是全球光电子产业生态和应用生态还未形成，我国有机会形成以中国为主导的生态体系，实现全面引领

中国大陆光子产业规模和产量已领先于欧洲、北美、日本、韩国和中国台湾地区，产业规模位列全球第一

新一代信息产业已经催生了人工智能、物联网、5G、大数据中心等众多成熟的新应用场景，为光电子技术率先突破提供了强大的需求牵引。我国拥有全球领先的光电子应用场景，这是我国光电子有条件实现率先突破的独特优势

近几年，我国光电子技术在信息获取、信息传输、信息处理、信息存储和信息显示等环节均取得了较大进展

光电子技术基于强大的物理属性上的优势，将接力集成电路技术路线，成为未来信息处理和计算的主流技术路线

文 | 米磊

当前新一轮科技革命蓬勃发展，光子技术、量子计算、脑科学、合成生物、可控核聚变、人工智能、物联网、大数据、5G等多种技术纷纷涌现，准确识别出具有革命性、基础性、战略性的技术并率先在全球实现突破，成为大国竞争的关键之一。

当今世界正经历百年未有之大变局，中国在芯片领域的科技研发中，一方面需要咬定青山不放松，在相对落后的电子芯片（集成电路）方向持续追赶；另一方面，可以集中力量投入资源，前瞻性地发展光电子芯片（集成光路），开辟新赛道，争取形成技术竞争新优势。

这是因为，光电子技术作为21世纪的战略性、基础性、先导性的高技术，能够广泛应用于人工智能、5G、量子信息、激光武器、基因测序、脑科学等众多新兴产业领域。我国光电子技术基础雄厚，拥有独特的优势，具备条件率先实现突破。

中国为什么有条件率先突破

一项技术、产业能否率先实现突破，受技术发展基础、技术积累时间差、新旧利益格局、人才队伍、产业基础、市场规模等多种因素影响，是这些因素共同作用的结果。综合这几方面的情况来看，我国光电子技术和产业应具有率先突破的基础。

从技术发展基础来看，光电子是新一轮科技革命中非常有可能实现率先突破的革命性技术。

从物理学最基本的要素来看，历次科技革命都是在物质、信息、空间、生命和能量等五大方向上持续爆发革命性技术。从技术演进趋势来看，人类技术变革是沿着机械、电路、光学、算法的路径演进。从现实情况看，20世纪是电的世纪，以集成电路为底层技术的信息产业革命极大地促进了人类经济社会的发展。进入21世纪，集成电路性能趋近于物理极限，已经难以持续满足人类社会信息获取、信息传输、信息处理、信息存储和信息显示的高速增长需求，经济社会发展呼唤更先进的技术路线。光电子技术依托其超高速度、超强并行性、超高带宽、超低损耗等物理属性上的优势，在传输速度、信息容量、计算速度、能耗等方面的性能将提升1000倍，能够成为新一代信息产业的基础设施和底层技术支撑。目前，新一代信息产业已经催生了人工智能、物联网、5G、大数据中心等众多成熟的新应用场景，为光电子技术率先突破提供了强大的需求牵引。

从技术积累时间差来看，欧美国家起步早的技术，我国追赶超越的难度大。反之，与欧美起步时间差距越小的技术，我国越具备率先突破的基础条件。

发展以硬科技为代表的主导技术需要长时间的积累，持续不断的工程经验积累和产业应用生态培育至关重要，需要完整经历“从零到一”“从一到百”的升级迭代过程。在发动机、涡轮机、基础材料化学等技术领域，欧美国家拥有上百年的先发优势。上一轮科技革命中的半导体技术，欧美国家拥有数十年的先发优势，且形成了集成电路技术生态、产业生态和应用生态。但在光学技术领域，我国基本与美西方处于同一起跑线，特别是全球光电子产业生态和应用生态还未形成，我国有机会形成以中国为主导的生态体系，实现全面引领。

从新旧利益格局来看，新旧技术的利益博弈是新技术推广落地的一大影响因素。

旧有技术既得利益者由于多年的技术积累和巨大的资金投入，不愿意舍弃在传统技术上的既得利益，有可能“雪藏”最先进的技术或推迟最先进技术的产业化。目前，在光电子领域，欧美发达国家同样面临新旧技术的利益博弈，很多巨头仍想守住集成电路领域的既得利益而不愿推动光电子技术。与之相比，中国在集成电路领域没有既得利益的负担，更愿意发展新技术，这就为我国光电子芯片率先突破提供了条件。

从产业基础来看，我国拥有全球规模最大的光电子信息产业。

2020年光子学市场数据和行业分析报告显示，中国光子产业的全球市场份额从2005年的10%增长到2019年的30%，光子产业复合增长率保持着10%以上的高增长速度。中国大陆光子产业规模和产量已领先于欧洲、北美、日本、韩国和中国台湾地区，产业规模位列全球第一。巨大的产业规模能够产生巨大的规模效应、市场带动效应。我国依靠自身市场规模和应用场景有能力有条件打造国内光电子产业内循环体系，并以此为基础以国内循环带动国际市场循环。

从市场基础来看，我国拥有全球领先的光电子应用场景，这是我国光电子有条件实现率先突破的独特优势。

科技强最终的落脚点是产业强，一项技术再先进、再领先，没有应用场景的支撑，也难以产生实际的作用。我国人工智能、物联网、智慧城市、5G通信等领域发展迅速，为光电子提供了广泛的应用场景。应用场景的领先，能够支撑我国光电子技术的持续迭代升级，激发强大的技术迭代活力，从而为引领全球光电子信息产业变革提供了条件。

观众在第十八届“中国光谷”国际光电子博览会上参观（2021年10月27日摄） 伍志尊摄/本刊

哪些领域有突破

近几年，我国光电子技术在信息获取、信息传输、信息处理、信息存储和信息显示等环节均取得了较大进展。

在信息获取领域，我国涌现出炬光科技、摩尔芯光、瑞识智能、唐晶量子、洛微科技、速腾聚创等一批光传感领域的高精尖特企业，在激光雷达科研和技术上不断取得突破。中国科学技术大学科研团队在相干测风激光雷达方面实现重大突破，首次实现3米和0.1秒的全球最高时空分辨率的高速风场观测。洛微科技2021年发布的第二代FMCWSoC光子芯片，是目前全球单颗芯片集成度最高的硅光芯片之一。法国市场调查公司Yole Développement发布的《2021年汽车与工业领域激光雷达应用报告》中，中国5家企业的市场应用份额进入全球前十。尤其值得注意的是，我国激光雷达企业与汽车厂家已经形成高度结合的良性循环生态，产业应用生态业已形成。

在信息传输领域，我国实现了领先发展。在全球光网络传输速度从100G向200G/400G提升的过程中，华为于2020年发布了全球首款800G可调超高速光模块，单纤容量达到48T，比业界方案高出40%，传输距离也比业界提升了20%。2021年，国家信息光电子创新中心、鹏城实验室、中国信息通信科技集团光纤通信技术和网络国家重点实验室、武汉光迅科技股份有限公司，在国内率先完成了1.6Tb/s硅基光收芯片的联合研制和功能验证，实现了我国硅光芯片技术向Tb/s级的首次跨越。

在信息处理领域，我国全面开花。中国科学技术大学潘建伟团队与中科院上海微系统与信息技术研究所、国家并行计算机工程技术研究中心合作，成功构建113个光子144模式的量子计算原型机“九章二号”，求解数学算法高斯玻色取样只需200秒，比日本富岳超级计算机速度快了近100万亿倍，比美国悬铃木量子计算机速度快了100亿倍。中国科学技术大学郭光灿团队在光量子芯片领域取得重大进展，首次在拓扑保护光子晶体芯片中实现量子干涉，推动了我国光量子芯片量产进程。北京大学王兴军教授团队近日在光子集成芯片和微系统方面取得了重大突破，解决了由集成微腔光梳驱动的新型硅基光电子片上集成系统的难题。由中科院西安光学精密机械研究所赵卫研究员领衔的大规模光子集成芯片B类先导专项，致力于开发集成器件大于2000的大规模光子集成芯片，并最终实现了15408个器件的大规模集成，集成规模世界领先。在光子计算芯片产业化方面，曦智科技设计出了全球首款光子计算芯片原型板卡，最新的单个芯片可集成12000个光子元器件，在研的光电混合AI计算芯片，性能有望超越主流先进制程电子芯片英伟达A103到5倍。

在光存储方面，郭光灿团队在光量子存储领域取得重要突破，将光存储时间提升至1小时，大幅度刷新了2013年德国团队光存储1分钟的世界纪录。近日该团队李传锋、周宗权研究组基于自主加工的激光直写波导，实现了光子偏振态的可集成固态量子存储，存储保真度高达99.4±0.6%，显著推进了可集成量子存储器在量子网络中的应用。

在光显示领域，我国激光显示关键材料、器件与应用技术不断取得突破。在光源设计、光机模组、整机设计等关键技术方面实现了领先；在激光器、成像芯片、镜头等核心部件的研发方面正快速缩短与国外的差距；在整机制造方面，中国企业已经探索出了成熟的技术，积累了相当的经验。中国工程院院士许祖彦、中科激光总工程师毕勇领导的中国科研团队，创造性地提出了红绿蓝三基色半导体激光显示概念，技术跻身全球第一梯队。赛富乐斯公司推出的4英寸半极性氮化镓材料，良率高达95%，成为全球首家可以量产工业级半极性氮化镓材料的硬科技企业，公司还成功点亮半极性绿光LED芯片，解决了下一代显示屏幕MicroLED的色彩问题。2021年10月，赛富乐斯成功开发了像素尺寸为2微米的全彩MicroLED阵列，取得了AR显示领域的一次重大突破，成为业界唯一一款批量在售的量子点MicroLED芯片，在全球率先实现这一技术从实验室成功走向商业化。

对全球芯片格局的影响

根据国际半导体产业协会的分类，全球半导体主要分为四类，分别是集成电路、光电子、分立器件及传感器。光电子芯片对电子芯片是一种升级的关系，这种关系使两者存在多种形态的竞争，如果我国光电子芯片取得突破，将对全球芯片格局产生多方面的影响。

一是光电子芯片可在电子芯片性能遇到瓶颈的领域形成替代。

传统电子芯片的主要应用场景是在信息处理和计算领域。美国经过数十年的积累，在全球信息处理和计算领域拥有控制力，拥有英特尔、英伟达、高通、超微半导体等一大批全球处理器龙头企业。无论是电脑、电视、手机、汽车电子产品等底层芯片，还是基于芯片衍生的软件、操作系统等，美国都把控着全球消费电子的“命门”。随着经济社会发展对算力的需求持续增加，以及集成电路物理属性将达到极限限制，摩尔定律算力供给已经难以满足未来AI对算力的需求。过去10年，AI领域对算力的需求增长超过了30万倍，未来人类社会对算力的需求仍将继续增长，这将推动全球信息处理和计算领域的变革升级。光电子技术基于强大的物理属性上的优势，将接力集成电路技术路线，成为未来信息处理和计算的主流技术路线。

二是未来信息产业新增市场更多依靠光电子芯片，全球半导体内部格局将重塑。

信息时代的基础设施是电子芯片，人工智能时代将更多地依托光子芯片。2021年全球半导体市场规模为5560亿美元，其中集成电路市场规模为4630.02亿美元，占全球半导体市场规模的83.29%；光电子芯片市场规模为434.04亿美元，占全球半导体市场规模的7.81%。从当前全球半导体市场格局来看，集成电路在全球半导体市场中仍旧占据主导地位。但是用发展的眼光来看，随着人工智能、物联网、AR/VR、大数据中心等新兴产业的崛起，光计算、光传感、光显示、光存储等技术需求将迎来爆发式增长，如计算领域的AI光子计算芯片，传感领域的激光雷达、手机3D感测VCSEL芯片，存储领域的全息光存储，显示领域的AR光波导芯片等，都是智能时代的新增市场，只能用光电子芯片来解决。因此，光电子芯片在全球半导体市场中的占比势必将大幅提升，以光电子芯片为底层支撑的“消费光子”也将逐渐取代以集成电路为支撑的“消费电子”，成为全球信息产业的“主战场”，为一些国家创造“换道超车”机遇。

三是光电子芯片突破后，全球半导体竞争将形成相互制约的格局。

美国对全球信息产业的控制力和影响力，来源于其抓住了信息产业的底层技术——集成电路，掌握了芯片设计、研发、制造的核心能力，并由此带动下游产业发展，形成了从底层技术到芯片制造再到下游产业链的完整产业生态，由此构建了以美国为中心，逐渐向全球扩散的全球半导体格局。当前，在全球范围内，光电子芯片的核心技术壁垒还未形成。我国在光电子芯片应用场景上的优势，能够反向牵引我国光电子技术的持续迭代升级。我国有望在人工智能时代打造出以中国为中心，逐渐向全球扩散的光电子芯片格局，在新的赛道中占据主导地位。

在中国国际工业博览会上展出的卫星模型（2020年9月15日摄） 张建松摄/本刊

经济的新领域新赛道

得未来者得天下，未来全球产业制高点的竞争领域之一就是光电子领域。集成电路是信息产业的基础设施，光电子芯片是人工智能、物联网、5G、无人驾驶、元宇宙等未来产业的基础产业和基础设施。光电子芯片是基础性、引领性产业，是未来产业中的“根技术”。正如位于底层的集成电路支撑起数万亿美元市场规模的硬件产业，带动数十万亿美元市场规模的互联网和大数据产业，未来，光电子技术作为革命性的“根技术”，将能够催生数万亿美元级市场规模的“树干”产业，带动数十万亿美元市场规模的“叶”经济，成为未来全球经济增长的新动力和主战场。光电子产业也能够为我国经济发展开辟众多新领域新赛道，助力我国形成新优势。

一是光电子芯片将催生千亿美元级直接市场，带动万亿美元级的5G和数据中心产业。

25GDFB激光器芯片是5G的基础。根据光通信行业市场调研机构LightCounting的测算，2021年全球25G及以上光芯片市场规模为107.55亿元。当前，我国25G光芯片国产率约为20%，25G以上光芯片国产率仅为5%。未来25G及以上速率芯片的突破，能够为我国带来近百亿元的直接市场规模，支撑近万亿元的5G产业发展。《中国5G产业发展前景预测与产业链投资机会分析报告》中的数据显示，到2030年5G带动的直接产出和间接产出将分别达到6.3万亿元和10.6万亿元。随着5G产业中孕育的未来产业逐渐崛起，反过来又将进一步支撑光电子芯片的市场规模向千亿级迈进。根据英国市场研究公司Technavio的预测，到2025年全球数据中心市场规模将达到5193.4亿美元，届时硅光芯片的直接市场规模也将获得巨大增长。

二是光电子芯片将催生万亿级卫星互联产业。

传统地面通信由于物理空间的限制无法覆盖全球，与之相比，卫星互联网技术作为一种颠覆性通信技术能够提供全球网络覆盖。特别是以激光通信为基础的星间激光链路和星间信息传输，将成为卫星互联网未来的主战场，它将成为低轨卫星网络的标配荷载和基础。卫星激光通信技术作为底层技术，能够带动太空通信产业的崛起。目前全球产业龙头正在加快布局，如美国太空探索技术公司（SpaceX）的“星链”计划拟共计发射4.2万颗卫星组建全球卫星互联网。2021年底，SpaceX已首次在“星链”卫星上使用了激光通信设备，并计划在未来发射的所有“星链”卫星中都配备星间激光链路。全球商业航天企业规划的未来发射的卫星数量大约为6万颗，一旦各类卫星组网成功，星间链路建成后，激光通信将成为卫星通信的主航道，孕育万亿级的市场规模。

三是光电子芯片将孕育万亿级的光计算产业，催生数十万亿的“消费光子”产业。

根据国际半导体产业协会的统计数据，2021年全球集成电路市场规模为4630.02亿美元。按照1元基础电路产值带动10元电子产品产值和100元国民经济的增长，集成电路带动了全球约4.6万亿美元的消费电子产业，带动了全球46万亿美元的经济增长。未来，随着光计算芯片取得突破并逐渐取代电子芯片，将催生万亿美元级的光子计算芯片产业，撬动下游数十万亿美元的“消费光子”产业。这对重塑全球信息产业格局具有战略意义。

四是光电子芯片将催生万亿美元级元宇宙产业。

光电子芯片能够满足元宇宙的信息输入和输出需求，是实现人与机器、虚拟与现实信息交流的接口。彭博行业研究报告预计，元宇宙将在2024年达到8000亿美元市场规模。普华永道预计，元宇宙市场规模在2030年将达到1.5万亿美元。从当前来看，VR、AR及MicroLED是未来元宇宙的主要战场。根据数据分析公司Statista发布的报告，2018年全球AR/VR市场规模为267亿美元，预计到2025年将达到8147亿美元，2019年至2025年复合增长率为63.01%。

五是光电子技术能够催生光传感等诸多新领域。

光电子技术作为信息获取的底层技术，能够支撑激光雷达、垂直腔面激光器（VCSEL）、3D传感等技术发展。在消费光子、红外成像、无人驾驶、光探测、光感知等领域，能够催生一大批新的市场应用，涵盖军事、国防、深空探测、机器视觉、科学仪器、量子通信、工业化自动化，以及机场、地铁、海关等危险爆炸物检测等。固态激光雷达将在无人驾驶、安防、机器人、工业应用、物联网等行业有着广泛的应用。

此外，光电子芯片在精密制造、生命科学以及国防军工等领域，也将催生众多应用市场。如在精密制造领域的超快激光加工技术，生命科学领域的基因测序、脑科学、神经网络、医疗诊断等方面，国防军工领域的高超音速导弹、激光武器等方面，均会有广泛应用。

创新主动权、发展主动权必须牢牢掌握在自己手中。未来，在国家战略级的部署和中国光电人的努力下，我国一定能够赢得光电子芯片的主动权，率先打造出世界级的光电子科技创新体集群。中国未来将迎着希望之光，率先迈进人类社会的“光子时代”。 （作者为陕西光电子先导院执行院长）■

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