政策觀察 | 深圳說“要有光”，展望可見光通信和光計算產業未來
1.產業概要
光子是傳遞電磁相互作用的基本粒子，具有光速傳播抗電磁干擾、任意疊加等特性。
可見光通信與光計算產業是利用光子來實現通信和計算的未來產業，由可見光通信和光計算兩個產業構成。
可見光通信
可見光通信(VLC)是一種利用人眼可見的光頻段波長380nm-790nm)實現通信功能的技術。與傳統無線通信技術相比，可見光通信技術具有高速、節能、無輻射等特點，將有效突破無線電頻譜資源匱乏的困局，有望成為6G關鍵候選技術**，是未來移動通信的一個潛在補充。
可見光通信技術主要特點和潛在應用場景
資料來源：可見光通信與光計算產業研究中心整理
光計算
光計算是以光子作為信息傳輸載體，基于光學單元構建的光學系統，通過必要的光學操作實現信息的處理或數據的運算。與傳統數字電計算相比，光計算具有二維并行處理、高速度、大容量、空間傳輸、抗電磁干擾、大規模可拓展和可實時自重構等優點，是突破摩爾定律困境以及馮·諾依曼架構問題的重要技術路線**。
光計算類型和潛在應用場景
資料來源：可見光通信與光計算產業研究中心整理
2.發展現狀
可見光通信
可見光通信產業尚處于起步階段，目前是關鍵技術研究和器件攻關的重要時間點。可見光通信技術已經在部分應用場景開展了試點運營，但仍面臨關鍵技術突破、標準化建設和產業生態培育等問題。
6G可見光通信技術研究時間表
資料來源：《6Gke可見光通信技術白皮書（2022）中國移動研究院》
從專利申請趨勢上看，全球可見光通信專利申請放緩2010年，德國海因里希赫茲研究所的團隊將通信速率提高至513Mbit/s，突破傳輸速率的瓶頸，可見光通信行業迎來了爆發式增長。2017年之后專利申請逐年放緩，產業正在通過尋找商業化機會實現下一輪增長。
全球VLC專利申請趨勢
數據來源：patsnap，2020年12月31日
從關鍵技術上看，可見興傳輸系統是可見興通信技術的焦點。在全球可見光通信專利中，86.3%涉及可見光傳輸系統，涉及發射機、接收機及編碼調制等技術。可見光通信對于信道建模、收發端器件等環節提出了新的需求。在收發端方面，高效光電器件及光學前端研制仍待推進。在傳輸方面，穩定高速傳輸、高效多址接入、MIMO及組網等關鍵技術仍待突破。
全球VLC專利技術分部
數據來源：patsnap，2020年12月31日
從應用領域來看，可見光通信產業化呈現三級梯隊的發展態勢。**梯隊室內網絡是目前產業化的主要方向，已開展小規模的室內定位導航試點應用:第二梯隊電磁頻譜嚴控環境和某些特種行業應用是可見光通信的剛需場景，已形成試驗系統，完成了相關測試工作，開始投入定向試點;第三梯隊智能交通和車聯網等其他創新應用還處于理論研究階段，只出現了局部的試點探索
表：國內外VLC技術與產業應用典型情況
資料來源：資料來源:中國信息與電子工程科技發展戰略研究中心，可見光通信與光計算產業研究中心整理(不完全統計)
光計算
從歷史發展來看，模擬光計算成為后發動力。20世紀60年代，數字光計算利用光和光學器件組合來實現經典的邏輯門，率先得到發展。21世紀以來，得益于大數據、人工智能等應用場景催生的算力需求，模擬光計算進入快速發展階段，專利申請迎來了爆發式增長。
從具體應用來看，大數據、人工智能和機器學習等應用是目前光計算發力的主要方向。一方面光計算在速度和功耗等方面具有天然的優勢，可以充分應對深度神經網絡(DNN)強大處理能力和并行計算能力需求帶來的硬件尺寸、重量和功耗等方面的問題。另一方面，模擬光目前推計算的非精確解與AI推理概率的理念不謀而合。理任務，尤其是用于視覺計算應用的推理任務，已可使用全光學或光電混合系統來實現。
從光計算技術來看，光計算芯片化逐漸受到廣泛關注。光計算技術包括基于空間光的光計算系統、基于光纖的光計算系統和片上光計算系統。目前光計算的集成度較低，通過芯片化提升集成度和運行速度逐漸受到廣泛關注。光子集成電路相對于傳統分立的光-電-光處理方式降低了復雜度，提高了可靠性，光子集成電路將逐漸從混合集成向單片集成演進。
表：光計算技術的進展
資料來源：華為，董曉文博士《從空間到芯片-光計算發展之路》
表：國內外光子芯片*新進展
資料來源：可見光通信與光計算產業研究中心整理
3.全球發展概況
可見光通信
全球可見光通信產業在區域上呈現日本歐洲領跑、美國緊隨和中國后程發力的態勢。產業發展初期，日本專利申請**全球，日本和歐洲率先實現較多核心技術的積累。2012年開始中國專利申請數量爆發，一躍成為該領域申請量*多的國家。中國雖然在總體專利數量上有**優勢，但是由于起步較晚，專利含金量仍較低。
全球主要國家與專利局和專利組織受理VLC專利分布
數據來源：patsnap，2020年12月31日
光計算
全球光計算產業發展呈現日美**、中歐緊隨、多點開花的三級格局。從專利數量上看，日本和美國占據了光計算相關領域專利的半壁江山，我國位于全球第二梯隊。
全球主要國家與專利局和專利組織受理光計算相關專利分布
4.趨勢研判
可見光通信
室內網絡已經成為產業化的主要方向，未來電磁敏感區應用和水下高速傳輸等應用場景是戰略布局的重點。電磁敏感區應用和水下高速傳輸是剛需市場。電磁敏感場景對于電磁功率與頻段有著嚴格的限制，可見光通信可以有效避免電磁干擾，實現安全可靠的無線通信。
目前可見光通信產業在信道建模、器件、傳輸與組網等方面仍面臨較大的挑戰。因此，探索神經網絡在信道建模的應用，突破大帶寬發射器件、波分復用、MIMO陣列收發和異構組網等技術是可見光通信產業未來發展的重點方向。
光計算
光電融合是5-10年內光計算產業的重要趨勢。用光子芯片輔助現有數字電子芯片加速整體運算過程，是光計算目前實現產業化的一個重要方向。
硅光技術成為光計算產業焦點。目前光計算在集成度上仍然較低。光子矩陣、片上互聯和片間傳輸等技術取得突破，硅光技術已進入大規模集成階段。未來光電融合的片上系統將為光計算產業帶來更多新的發展動能。
5.行動計劃解讀
行動計劃
《行動計劃》指出，可見光通信與光計算產業在10至15年內有望成為戰略性新興產業的中堅力量，因此應重點發展可見光通信技術和光計算技術。《《行動計劃》明確，到2025年，在可見光通信與光計算產業領域，成為全國技術研發高地，培育一批“專精特新”企業，拓展若干個技術應用場景和迭代示范工程，實現基礎研究、技術創新、應用拓展、產業集聚、人才匯聚、金融支撐的產業生態。
解讀
可見光通信
可見光通信產業目前大部分技術還處于孵化期，實現產業化還需要基礎研究和應用探索齊頭并進。一方面，材料器件、高速通信系統、異構組網等關鍵技術仍待突破。另一方面，探索創新且具有比較優勢的應用場景同樣迫在眉睫。從實際需求出發實現技術和應用場景之間“少走彎路”，才能更有針的良性循環迭代，對性地實現關鍵技術攻關，賦能產業化。我市可以大力引進具有技術能力和場景需求的產學研各界，鼓勵產學研之間建立聯合實驗室，真正實現科技成果“沿途下蛋、就地轉化”。
光計算
光計算產業是未來異構計算的重要組成部分圍繞光學模擬計算和光學數字計算兩大技術路線，重點突破光相干處理、光非相干處理、光計算、光互聯、光存儲、光子集成、光學神經擬態等關鍵技術，重點發展光計算芯片、數據處理技術及系統，開展光計算設備研制。充分利用光計算在高操作復雜度模型的物理實現方面的優勢，與視覺成像、機器學習、人工智能、空間激光通信、水下激光通信、智能遙感測繪等應用場景匹配，構建以硬件與工藝、系統與架構、軟件與算法為核心的“三位一體’的光計算產業生態。
專家觀點
哈爾濱工業大學:(深圳)副教授 蔣宇飛
可見光通信產業尚處于前期探索階段，大規模產業化還需要更多的攻關。個人認為，未來大范圍應用的主要場景是室內通信和射頻敏感的特殊場景，將形成對WiFi的補充。目前仍未實現大規模產業化主要有兩個方面的原因:
1.關鍵技術仍待攻克。一是可見光通信產業化的收發架構與傳統射頻架構存在區別，發射端LED帶寬的提升和接收端的集成都是新的難題。二是實驗室內使用的材料都是特制材料，實現大規模低成本的應用還有一段距離。
2.學界和業界需要更加緊密聯合。除了實驗室方面的技術攻關，實現應用落地需要華為等設備商企業在集成端做推動。同時也需要一些新的初創企業去挖掘技術的產業化潛力，形成試點示范。
