光子产业 2025：趋势、挑战和创新

虽然2025年才刚刚到来，但它已经面临着诸多挑战：政治格局将发生变化（美国）或面临动荡（欧洲），各种冲突的威胁将改变供应链。在工业领域，汽车制造业正在经历重大变革。与此同时，半导体行业的前景略显乐观。然而，一些公司仍为自己的生存担忧。我不会深入探讨政治议题，但我很乐意分享几个我认为在2025年值得关注的趋势。

▲光子领域迈向2025年的趋势中，值得关注的包括工业激光器市场、激光聚变技术的盈利前景以及半导体制造。

01 激光市场现状

在深入探讨之前，有必要先区分“激光市场”和“激光行业”这两个术语。粗略地说，激光行业可以包括任何制造激光源或激光作为关键组件的机器的公司。激光市场通常被细分为激光源市场和包含激光源的机器市场。

要审视所有这些细节，需要大量的篇幅。在这里，我们将仅限于考虑售出的机器数量，而不是生产的激光源数量。这是Optech Consulting的Arnold Mayer几十年来一直在做的事情。我请他先对2024年材料加工激光机器市场的数据进行初步评估（见图1）。

Mayer认为，2024年全球激光材料加工系统市场规模为230亿美元。经过对2024年第四季度的最终调整，该市场规模较2023年创下的235亿美元的历史高点下降了1%至5%。“今年，只有较小的市场显示出增长，而北美和欧洲的需求下降，中国市场则趋于平稳，”Mayer说，“从应用层面看，增长从宏加工转向了微加工。激光微加工设备的需求在连续两年疲软后，在2024年部分恢复。相比之下，切割系统市场连续第二年下降，而由于中国电动汽车市场的成熟，焊接市场的增长放缓。”

展望明年，Mayer表示，目前的信息表明，当前的市场趋势将在2025年初持续：我们可能会看到微加工领域继续保持强劲势头，但宏加工领域则持续疲软。虽然Mayer预计激光材料加工市场将呈现基本增长趋势，但他无法确认这一趋势将贯穿全年。

换句话说，水晶球是模糊的。更严肃地说，趋势可能会在一年中发生变化。

▲据Optech Consulting提供的数据，2024年全球激光材料加工系统市场呈现温和下降态势，市场规模约为230亿美元。

02 AI推动光子迈向半导体领域

光子已经彻底改变了电信和数据传输。我们所使用的互联网，如果没有光纤中的数据传输，将无法实现。但这些传输在计算机或路由器的后端就终止了。由此产生的一个问题已经存在很长时间了：光子何时能进入印刷电路板（PCB）层面，甚至芯片层面？

看起来，答案就是——现在。2024年，数十亿美元被投资于推动光子在PCB和芯片层面发展的公司。事情正在蓬勃发展。现在真正的问题是：它们能走多远？

最终目标是让光子进入处理器层面。长期以来，光子处理单元（或光子集成电路PICs）一直是“下一件大事”。但现在看来，业界转而关注光子互连。

2024年10月，谷歌风投向总部位于波士顿的初创公司Lightmatter投资了4亿美元。该公司承诺将加速普通芯片之间的互连。在TechCrunch上发布的一篇对Lightmatter首席执行官Nick Harris的采访中，重点讨论了通过全光接口互连AI处理器。

据该文章报道，Lightmatter目前提供的光子互连速率可达30太比特，而其机架上的光纤布线允许1024个GPU在专门设计的机架中同步工作。Lightmatter的估值已跃升至44亿美元。

还有许多其他公司（如Ayar Labs、Xscape、Celestial AI）也在研发光学互连。2024年12月，总部位于硅谷的Ayar Labs筹集了1.55亿美元，以加速其封装内光学互连的大规模生产。投资者包括AMD Ventures、英特尔资本和NVIDIA。Ayar Labs的芯片由GlobalFoundries在其Fotonix工艺（300毫米硅片）上生产。该公司目前正在运送数千个样品，目标瞄准AI基础设施。但它也在测试蜂窝通信、航空航天和雷达等领域的应用。这里值得一提的是，光子正在进入数据中心或其他专业结构。我怀疑我们很快就会在消费设备中看到同样的技术。

光子互连与芯片有望带来更低的能耗、更高的带宽以及更低的延迟。这正是人工智能已经从光学互连中受益的原因。然而，封装仍是一个问题，因为光子学与电子学的工作方式截然不同。因此，在未来的架构中，它们可能会保留在不同的芯片模块上。

对于光子集成电路（PICs）而言，这种设计考虑似乎更具挑战性。PICs需要集成激光器、波导、分光器、探测器、调制器等元件。对于这些元件，正在研究更多的材料，包括氮化硅、铌酸锂、钽酸钡、石墨烯、氧化铝、氮化铝等。这可能会导致许多新的供应链的产生。不过，PICs生态系统正在不断发展壮大，许多不同的项目和初创公司正在涌现。这应该是一项技术和一系列趋势，明年值得再次关注。

03 如何通过 Fusion 赚钱

10月16日，《纽约时报》发表文章《亚马逊、谷歌和微软渴望能源，转向核能》。谷歌预计，到2030年至2035年间，小型模块化反应堆（SMR）将提供高达500兆瓦的电网电力。亚马逊则向SMR开发投入了5亿美元。

值得一提的是，这些投资只是这些公司对能源的巨大需求和实现碳中和愿望的一小部分。

当我看到这条新闻时，我在想我们何时会了解到（激光）核聚变技术方面的类似投资。我猜不会很快。2024年，我们看到了几轮对核聚变初创公司的投资，但金额都不超过数千万美元。这些投资金额足以再建一座激光设施，但远远达不到建造核聚变试验设施所需的投资。

我认为这表明需要更多的研究，尤其是基础研究。当然，国家点火设施（NIF）在2024年再次取得了令人难以置信的进展，朝着5.2兆焦耳输出的目标迈进。但令人头疼的问题仍然没有得到解答。哪种激光核聚变过程能够实现净增益，即产生的能量超过激光所需的能量？可大量生产的目标靶会是什么样子？我想说，哪个团队能找到实现净增益的实验证据，哪个团队就能获得诺贝尔奖。

但这并不意味着我们必须坐下来等待答案。绝对不是。从NIF身上，我们至少可以学到两点。第一，我们需要比现在更大、更高效的泵浦激光器。我们还需要能够长时间承受高功率/能量/强度运行的光学元件。同样，它们必须比我们现在拥有的任何东西都要好。

在德国，几个项目已经开始获得政府和私人资助，为激光核聚变发电站准备必要的构件。其中一个名为“DioHELIOS”的项目，汇集了激光二极管研究领域的顶尖人才，旨在开发更高效的激光二极管及其高效制造技术。在工业方面，参与者包括TRUMPF、Jenoptik、Laserline和ams OSRAM。在研究方面，来自弗劳恩霍夫激光技术研究所（ILT）和费迪南德-布劳恩研究所（FBH）的专家将做出贡献。他们的目标是制造出兆瓦功率且每瓦成本低于1美分的泵浦模块。另一个项目“PriFUSIO”则着眼于光学元件。该项目的参与者希望建立沿供应链生产耐用激光光学元件（包括光栅、反射镜、基板和涂层）的专门知识。

第三个项目“Planet”走得更远，它着眼于激光核聚变以外的应用。该项目由核聚变初创公司Focused Energy牵头（并得到TRUMPF的少许帮助），合作伙伴计划建立一个基于激光的中子源。今年早些时候，我写过关于这类次级源应用的文章。这可能暗示了第一个溢出业务案例：一旦你有了模块化的高功率/能量/强度激光器，你就可以用它来做很多事情——从材料科学到低地球轨道碎片减缓。

目前，我们看到，即使实际的激光核聚变过程尚未确定，用于核聚变的激光器和光学元件也可能很快就会为其制造商带来利润。这再次涉及到了供应链。

以上是我认为值得关注的三个话题。当然，还有很多其他话题。例如，用于星间数据传输的激光通信终端（LCTs）预计将在2025年成为激光市场的一个细分领域。《Photonics Spectra》2025年3月刊将全面介绍LCTs。量子技术也值得单独探讨。此外，在汽车制造业中激光的应用也值得进一步研究（在电动汽车正在兴起的时候）。

2025年将是激动人心的一年，光子领域也不例外。事情将会发生变化，可能会比其他年份更加明显，我们希望这些变化都是积极的。

（文章来源：Photonics 2025: Trends, Challenges, and Innovations | Dec 2024 | Photonics Spectra）