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学科，一直以来都广受关注，并且被Horizon 2020（欧洲委员会第八个框架计划，Horizon Europe计划的前身）认定为六种关键使能技术（KET）之一，在自动驾驶、绿色能源和智能生活等领域发挥着重大作用，并获得了Horizon 2020框架计划数亿欧元的支持。

然而，在Horizon Europe框架计划的最新修订中，欧盟将更多的资助倾向于数字技术、健康、气候、粮食和自然资源等以任务为导向的领域，完全忽略了至关重要的光子学技术。

对此，诺贝尔奖得主Theodor Hansch、Stefan Hell和Gerard Mourou等人以及欧洲技术平台Photonics21分别在2018年以公开信和2019年的战略路线图的方式对该计划进行了反驳，希望欧盟可以将光子学技术纳入到Horizon Europe资助框架计划当中。

随后，欧盟及时发现到Horizon Europe框架计划修订的问题，并重新将光子学技术纳入资助计划当中，但在2020年初时，全球范围内都一直受到新冠疫情的影响，欧盟的研究经费也变得愈发紧张。在2020年7月的预算峰会上，欧盟将Horizon Europe的计划预算削减为809亿欧元（原为1070亿欧元）。

在此之后，欧洲议会一直在努力扩大Horizon Europe的资金拨款，并于2020年12月11日与欧洲理事会进行了长达14小时的马拉松式的谈判，最终欧洲委员会决定预算提升到955亿欧元，其中11亿欧元用于欧洲研究理事会（ERC）中。

在Horizon Europe曲折的资金申请过程中，为了可以在光子学技术领域申请到更多的资金拨款，Photonics 21于2020年5月，提交了关于建立新型欧洲光子学伙伴关系的草案，标题为“Photonics for a Healthy, Green & Digital Future.”，但该提案影响力较小，没有引起足够的重视。

而后，由Photonics 21管理的一个行业、学术、政府联盟——光学政府社会合作组织（以下简称PPP）又发布了《2021~2027年欧洲光子学路线图》（以下简称路线图）的最新版本，目的仍是希望Horizon Europe可以在光子学技术领域给与更多的资助，并协助制定未来的资助计划和方向，其标题为“New Horizons: Securing Europe’s Technological Sovereignty Through Photonics”，强调了过去一年里新冠疫情对Horizon Europe的影响以及光子学技术在“Next Generation EU”议程（于2020年9月，EC主席Ursula von der Leyen发表的欧盟现状报告中阐述）目标中的关键作用，其研究路线主要包括“数字基础设施”、“环境”和“健康”等多个领域。

《路线图》的目的虽是PPP为申请更多的光子学研究预算而定，但是从中也能了解到在疫情成为常态化的当下，欧盟对光子学的作用和未来发展的一些思考，也许对本国光学同仁发展和规划光子学研究有所裨益。因微信篇幅有限，光电汇仅《路线图》中侧重的“数字基础设施”、“环境”和“健康”三个主要领域进行编译归总，以飨读者。

欧洲光子学路线图研究领域

01

数字基础设施

随着科技的飞速发展，数字基础设施已经成为我们日常生活和工作中不可或缺的一部分，并扮演着越来越重要的角色，目前数字基础设施已经完全成为了食品和商品的基本市场、青少年教育的促进者、远程工作的推动者、文化的仓库以及公民权利的保障工具。

且在新冠疫情的影响下，更加突出了数字基础设施在通信、工业、人工智能等新型领域的重要作用，引发了一波激烈的数字化浪潮，预计该浪潮将在未来十年中持续并进一步扩大。

在不久的将来，全球都会进入一个全新的数字时代，数以万计的事物都将被智能互联；自动驾驶汽车、机器人和无人机都将被进一步普及；人工智能、机器学习也会加深其应用程度。

在这一时代下的经济、工业和社会的数字化都需要坚实的信息和通信基础设施，而光子通信和网络技术便是这一基础设施的重要支柱。报告从用户和应用的角度出发，对未来数字基础设施发展的技术挑战、解决策略和路线图进行了分析和总结，如表1所示。

表1：数字基础设施路线图

02

环境

欧盟委员会主席Von Der Leyen曾表示：“tackling climate and environmental-related challenges is this generation’s defining task.”，针对环境问题，欧盟提出了一系列的相关决策，并出台了欧洲绿色协议（The European Green Deal）。这一协议不仅表现了欧盟要解决环境问题的决心，还在一定程度上表现了未来新技术、新方案和新路线的发展方向和目标。

事实上，在实现零排放道路交通、清洁能源转换、光伏可再生能源和智能照明节能等目标时都离不开光电子技术的支持和发展，光电子技术和相关解决方案在达成欧洲绿色协议方面发挥着至关重要的作用。

因此，该报告对未来光电子技术在自动驾驶、智能照明节能和光伏可再生资源方面的技术挑战、解决策略和路线图进行了分析和总结，如表2、3所示。

表2 自动驾驶路线图

表3 智能照明节能和光伏可再生资源路线图

03

健康

一直以来，预防疾病、评估早期病情以及改善体质都是医疗健康领域中需要解决的持久挑战。

在世界范围内，仅脑部疾病和心血管疾病(心脏病和中风)、癌症、败血症和阻塞性肺疾病(COPD)等十大主要疾病每年的相应发病率就超过3000万人，尤其是在新冠疫情影响下，当今的医疗系统水平需要进一步的发展与提高。

目前，欧洲医疗保健行业在全球医疗保健市场中处于领先地位，年复合增长率为10.8%，2015年度总市场规模为338亿欧元。

预计到2021年，全球医疗光子技术将达到500亿欧元左右，如图1所示，这使其不仅成为光电子领域最大的市场之一，也是全球增长速度更快的行业之一。

图1 全球医疗光子技术市场规模图

目前，欧洲由于传统公司、初创企业、大学和研究机构已经形成了丰富的创新版图，因此在未来医疗光子技术市场的竞争中具备着得天独厚的优势。基于此，该报告对未来医疗光子技术发展的技术挑战、解决策略和路线图进行了分析和总结，如表4所示。

表4 医疗光子技术路线图

04

其他

除了以上三个主要领域的路线图外，该报告还针对其他几个领域做出了详细的路线图规划。

制造业

数字化，以及制造和材料的可持续循环方法，将是未来制造业的基础，而光子学恰是未来制造和加工行业解决方案的重要方向之一。针对该方向，该报告同样对光子学在制造业的路线图进行了一系列的规划，主要包括以下几个部分：

新型激光器及相关组件：高功率/高强度激光材料、薄膜和相关组件；高功率、高灵敏的超短脉冲激光器；不同波长的高亮度二极管激光器(连续和脉冲)等。

光束传输、整形和偏转系统：非机械式高速光束扫描系统；可重新配置和可编程的光束整形系统；快速监测和定量反馈系统等。

工业4.0：激光加工系统集成传感器；高吞吐量的并行处理；工程化集成仿真工具等。

质量控制和无损检测：实时过程控制；在线无损检测；基于大数据关联、超模型的质量预测等。

激光专用材料开发：增材制造用合金和材料；电子/光子专用材料；激光加工用高性能材料。

核心光子学技术平台

核心光子学技术平台的作用是确保基础技术开发到位，以支持特定的应用开发，从而为当前面临的社会经济挑战提供解决方案。而发展核心光子学技术平台的主要目标有以下几点：

• 增强平台功能和光谱覆盖范围，以促进生物医学、环境、工业和传感领域的新应用；

• 不断提高性能，以满足通信、传感和控制系统日益复杂的需求，同时支持基于量子技术和新计算架构(如神经网络)的新应用；

• 侧重于光子电路和系统的创建，在光子集成技术的基础上，结合其他光子器件，如成像传感器、微机电系统(MEMS)、微电子技术和先进的组装技术，以最有效的方式实现完整的系统；

• 继续对平台和试点生产线进行投资，以满足不断变化的应用需求，缩小供应链中的差距，并加强向批量生产的过渡。

针对以上四个目标，报告将光子集成系统、传感/通信光子集成电路（PICs）、电子系统应用中的光子替代、未来技术平台的新型器件等作为未来研究的几个重点方向。

光子学研究/教育和技术培训

在一个以知识为基础的社会里，光子学是创新的主要驱动力，也是一门旗舰科学。为了充分利用它的颠覆性潜力，政府、公司、教育工作者、学生和所有学科的普通公民都需要越来越多地意识到利用光线促进可持续发展、绿色交易、经济增长和造福人类所固有的机遇。

针对这一方面，报告中也对其提出了相应的目标：定义未来光子学劳动力的技能，并给予适当的培训；面向年轻人、学生、光子学和非光子学专业人士以及普通大众进行相应的光子学知识宣传；开发教育和技术培训的新方法；在光子创新中心和整个产业链中开展颠覆性研究；支持创建光电子创新中心；建立欧洲培训机构网络；积极参与数字产业倡议，支持光电子(和非光电子)中小企业数字化；宣传光子学对传统工作数字化转型的贡献。

总 结

光子学技术是兼具科技前瞻性和市场应用性的技术，对未来科技的发展至关重要。

该报告一方面以政治为导向，说明了光电子技术对于实现欧盟战略目标和指标的极端重要性；另一方面针对“数字基础设施”、“环境”和“健康”三个主要领域，“制造业”、“安全/安保/空间和国防”、“农业和食品”、“核心光子学技术平台”、“光子学研究/教育和技术培训”5个其他领域做出了详细的路线图规划。

该路线规划不仅可以作为欧洲下一步光电子技术发展的蓝图还可以作为其他地区科研人员及公司研发人员的参考方向。

来源

[1]https://www.osa-opn.org/home/industry/2020/december/an_updated_roadmap_for_european_photonics/

[2]https://www.flipsnack.com/Photonics21/photonics-strategic-research-and-innovation-agenda/full-view.html

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