2024美国西部光电展：那些老生常谈的光学技术，如何谈出新花样？
美国当地时间2024年1月27~2月1日，美国西部光电展在美国旧金山举行。今年展会上，硅光子学、集成光学、计算光学、光学显示技术、激光聚变等领域依旧是讨论的热点话题。但这些“老生常谈”的光学技术，在此次展会上又有什么不一样的新进展和新观点呢？光电汇媒体整理了部分光学同仁的观点，让我们一起看看他们谈出了什么“新花样”。
量子计算的未来
Simmons教授认为，量子领域目前棘手的量子成本问题应该很快可以解决，转而行业需要开始思考后量子密码学和开发抵抗量子计算机攻击的算法。Simmons教授相信未来十年，量子技术将获得巨大发展，我们将看到许多今天尚未确定的应用。
除了Photonic以外，与量子计算相关的公司还包括英国的M Squared公司和PsiQuantum公司值得关注。英国第一台商用中性原子量子计算机的开发者M Squared，生产了一系列基于原子干涉法的量子系统，包括加速计、重量计以及光学晶格时钟，还开发了“中性原子麦克斯韦”。百万量子比特的PsiQuantum，正在使用包括低损耗波导调制器和高效探测器在内的网络光学技术开发基于硅光子芯片的量子计算机。
除了技术分享，还有针对量子技术商业化的经验分享。英国高科技咨询公司Anchored In邀请了一群来自英国的早期职业研究人员，分享他们是如何成功地将量子技术从实验室推向市场。
工业激光器：
但2023年也出现了一个全新的行业前景——激光核聚变未来可能成就可行的商业公司。美国指出，迄今为止，全球对核聚变公司的私人投资总额已达60亿美元，私人核聚变投资的增加以及对核聚变商业化的兴趣日益浓厚，加强了全球参与的必要性，以解决研究挑战，发展国际供应链和劳动力。这60亿美元中的绝大部分都用于依赖磁约束的更传统的核聚变技术，但去年也有一些激光核聚变初创公司获得了大量资金，其中一些直接与美国能源部支持的DOE项目有关，包括美德合资的聚能公司、日本的EX-Fusion、慕尼黑的Marvel Fusion，以及位于帕洛阿尔托的Blue Laser Fusion。
有趣的是，准分子激光也可能在核聚变中发挥作用。Xcimer Energy正在开发一种能够产生超过10 MJ的KrF准分子激光聚变系统，并参与了DOE最近资助的三个研发中心。这些资助，为核聚变试验工厂创造设计，将有助于使核聚变在技术、商业上都具备可行性。
国际原子能机构总干事拉斐尔·马里亚诺·格罗西预测，“核聚变能源之旅的下一阶段将使我们从实验到示范再到商业核聚变能源生产。”他们的目标是将核聚变能源引入经济，使其成为不久的将来能源组合的一部分。在原子能机构的《世界核聚变展望》报告中，列出了一个激光聚变项目——Longview聚变能源系统计划的试点工厂——作为私营企业现在寻求在商业基础上提供聚变能源的一个例子。
2023年也可能是激光分离铀同位素技术的关键一年，此前澳大利亚的Silex公司筹集了8100万美元，并表示，随着与美国Cameco公司和全球激光浓缩公司(GLE)的合资企业的加速合作，该公司正在完成“商业规模的试点演示”。
硅光子学：
硅光子学（SiPh），近两年来一直是一个热门词。过去20年里，硅光子学成功地从学术研究领域过渡到了工业应用领域。尤其是在数据通信领域，基于硅光子的收发器市场获得蓬勃发展。SiPh在光学陀螺仪、中红外光谱、人工智能和神经形态应用、量子技术、化学传感、激光雷达和诊断传感系统等新市场领域潜力巨大。要实现这些不同应用，最重要的是与不同材料的硅集成，才能实现新的光子学应用。
是什么促使SiPh应用市场在电信之外实现多元化？硅光子学专家、根特大学和IMEC的全职教授Roel Baets表示，现有的电信收发器市场，人们希望转向更高速率和更低功耗，主流的SiPh平台无法满足这些要求。高达50 Gbaud的速率现在是SiPh的主流。当然，更高吞吐量的市场需求的出现，促使人们将其提高到100-200 Gbaud。这些速率目前还不是主流，因此开发商正朝着不同的方向发展。去年英特尔在OFC 2023上已经演示了100 Gbaud速率。同时，其他研究团队也在考虑超过100 Gbaud。
可以看出，在硅光子中使用普通载流子耗尽型等离子体色散调制器确实满足不了高速率的要求。然后就会想找到一种合适的电光调制器，这就是铌酸锂、钛酸钡和其他材料的用武之地。
随着应用从通信扩展到激光雷达、生物传感器、化学传感等领域，新应用的波长范围涵盖了可见光到中红外，这就需要硅光子支持更广范围的波长；除了对更高速度（和更低的功率需求）和新波段的需求外，研究者还在寻求第三个目标——在芯片上集成光源。这就会引发新的挑战——在工业制造环境中提出新的工艺流程，不仅意味着芯片制造，还意味着从设计和TDA到封装和测试整个流程。
Baets教授认为，硅光子学长期来看前景乐观，呼吁投资者和制造商保持耐心，所有人一起开发稳定的工艺流程，才能使新应用具有商业意义。
生物医学成像：
计算光学成像与人工智能在生物医学应用是西部光电展新增的一个会议。加州大学洛杉矶分校Samueli工程学院梁高副教授说：“近年来，将人工智能辅助技术引入生物医学成像是一个热门趋势。有些研究小组正在试图用硬件取代人工智能的某些部分，以便更快地执行光学计算。随着高分辨率显微镜的进步，包括计算成像显微镜，已经实现了超高分辨率、大视场成像。该领域面临的一个关键问题是，如果使用人工智能软件提高了生物医学图像的质量，研究人员如何确信生成的图像是精准的、靠谱的？一种方法是确保人工智能模型获得足够的训练数据集，这样生成的模型通常可用于不同的生物样本。另外，也可以在软件中内置一些硬件组件来提高人工智能的性能。通过这种方式，我们不仅可以计算的更快，而且还可以节省计算资源的成本。
一个成功案例就是将自适应光学增强技术用于OCT眼部护理中。纽约眼耳医院的Richard B.Rosen博士将OCT/OCTA与自适应光学扫描激光检眼镜（SLO）配对，增强了治疗效果，加强了对视网膜毛细血管血液灌注的贯穿，提高了黄斑变性、镰状细胞贫血和糖尿病视网膜病变等问题的理解。
microLED，
microLED和OLED一样，是一种发射显示技术。这两种技术都带来了高对比度、高速和宽视角。但microLED是由无机材料组成，在颜色、对比度、亮度、功耗、寿命、环境稳定性和坚固性等方面具有优异性，可广泛应用在小尺寸的车载、VR/AR或智能穿戴等电子消费品领域，以及大尺寸的超高清视频墙、户外显示、公共显示中。未来，microLED还可以实现传感器和电路的集成，实现具有嵌入式传感功能的超薄显示器，如指纹、显示内摄像头、触摸功能、手势控制等。
然而，该技术目前仍然不成熟，microLED的制造工艺也很复杂。随着研究人员持续投入，围绕microLED的基础科学研究取得了进一步的突破，但总的来说，microLED现在面临的挑战主要是大规模制造生产和供应链的问题。那么，microLED距离规模化量产还有多远？
据Yole估计，到2023年，该行业已经在microLED开发和工业化上花费了大约120亿美元。另外还有24亿美元用于并购。与2000年中期以来花了超过1000亿美元建造OLED晶圆厂相比，这些投资相形见绌，但它显示出了强劲的势头。近几年来，全球各大厂商马不停蹄加大投入进行投资建厂，不断尝试突破microLED的技术挑战。如苹果的microLED代工厂ams OSRAM投资近10亿美元正在马来西亚建造一座新的8英寸microLED晶圆厂；中国台湾的Ennostar在大陆建造6英寸晶圆厂，京东方（BOE）花3亿美元收购了华灿光电的控股权，其全部收益用于建造一个6英寸的microLED晶圆厂；此外，三安光电、上海显耀、友达光电等都有大动作。
microLED的显示应用（图源：yole）尽管目前microLED主要应用于高端显示和商用显示领域，但随着技术的进步和成本下降，逐渐渗透到消费电子市场只是时间问题。Yole集团的Eric H.Virey博士表示，对于大多数消费电子应用市场，如智能手机、智能手表、电视、笔记本电脑等，OLED已经做得很好，并且在成本和性能方面不断提高。所以，microLED正处于一种“市场驱动”的境地：要想竞争，必须进行差异化发展，而且成本与OLED相似。
深紫外激光二极管：
一直以来，光子工程师们一直在为新的应用寻找新型激光器。他们热衷于制造280 nm波长以下的深紫外半导体激光器。在该波长范围内工作的准分子激光器已经存在，但这些设备基于气体放电，体积大、效率低且昂贵。制造紧凑且具有成本效益的深紫外半导体激光二极管，将是一条更可取的路线。
为什么将半导体激光器推到更短波长并不是一件简单的事？本次西部光电展上，来自瑞典查尔默斯理工大学的Åsa Haglund回答了这一疑问。
制造一种深紫外半导体激光器给开发人员带来了一系列挑战。Haglund指出，为了产生深紫外光源，就需要在已建立的氮化镓半导体材料中引入铝，以增加材料的带隙，但这样做电阻率会大大增加，使得为电泵电源注入电流变得更加棘手。除此之外，光源的光束质量、热效应都是阻碍。紫外发光器件所需的氮化铝镓（AlGaN）的热导率，相比蓝光激光器的氮化镓材料低了一个数量级，因此热效应问题更加严重。
但目前，这些问题的解决方案都有了新进展。Haglund预计，研究人员将从目前发展的材料中找到更高质量的激光材料。同时，电源问题可以通过开发激光结构来解决，例如隧道结激光二极管或分布式极化掺杂技术。这些本身就是目前研究领域的热门话题，已经带来了电导率的提高，相关研究人员已经在世界上首次展示了深紫外激光二极管。而热问题，可能会因这些在材料和结构方面的进步而得到改进。
Haglund指出，深紫外激光未来将有望应用于医疗保健、病毒检测、传感检测、气体分析、高清激光处理等。“将半导体激光二极管波长延伸到深紫外光，是一个多学科项目，需要材料和设备领域的研究人员共同努力，希望未来会打开我们尚未预见到的新应用领域。”
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