光子技術深度分析（關於2023年光子學行業的一些預測）

2023-04-18 11:54:23 1

作者 | Andreas Thoss

編譯 | Sueuel

Photonics的特約編輯Andreas Thoss，通過回顧一年中的重大事件和與行業中關鍵人物的交談，發表了一些有趣的觀點。在此編譯出來，以饗讀者。

2022年，國際形勢動蕩不安，戰爭、疫情，還有因長期新冠大流行而導致的供應鏈緊張，都讓我們充滿了焦慮。好在2022年快要接近尾聲的時候，我們終於聽到了一個好消息：美國NIF雷射聚變裝置首次點火成功。這一突破隨即成為全球的頭號新聞，並為綠色能源的未來前景帶來了希望。

那麼，雷射產業如何呢？

德國通快集團截止2022年6月的年度財報數據顯示，其年度收入強勁增長20%，訂單量大幅增長了42%。美國的Coherent（前身為II-VI公司）在其年度報告中披露，收入增長了7%，訂單量增長了29%。

工業雷射市場緩慢增長

最近，雷射市場分析師Arnold Maye博士分享了關於雷射行業的前景。「我預計2022年全球工業雷射系統市場將達到220億美元，與2021年持平，雖然北美的需求呈現出強勁的增長，但全球最大的雷射工業市場——中國的市場需求卻有所下降。另外，以當地貨幣計算，歐洲的需求增長，但由於匯率的大幅變化，美元價值沒有增加。」

Maye博士預測2023年工業雷射市場的增長率在5%~10%。由於中國市場走勢的不確定性比較大，該市場暫時無法預測。隨著半導體行業對雷射和光學系統的需求增加，預計切割和焊接將佔據市場的最大份額。

半導體晶圓製造新工廠不斷湧現

隨著《美國晶片和科學法案》的通過，許多新的半導體晶圓廠開始投建。美國國會撥款520億美元來支持其國內的晶片行業，所以這一現象可能會持續數年。據估計，僅臺積電就計劃在美國投資400億美元新建3 nm晶圓廠。Intel、格芯、三星、德州儀器和其他公司也計劃與美國的晶圓廠合作，投資熱潮有望超過2000億美元。

蔡司製造了一個車庫大小的真空室，用於測量ASML高數值孔徑（NA）EUV光刻機內使用的光學器件。圖由蔡司SMT提供

其他地方的這種投資勢頭也在增強。中國正在準備半導體產業扶持計劃，以提振本國半導體產業的發展；歐盟也在加緊力推歐版的晶片法案，旨在扶持本土晶片供應鏈，但是力度較小。英特爾宣布計劃在距離柏林以西兩小時車程的馬格德堡（馬格德堡），建造一個巨大的晶片製造工廠，德國政府已經為該項目撥款了68億歐元。

所有這些措施都將有助於針對晶片行業的光子基建設備的長期增長。

這些能滿足當前的市場需求嗎？ASML的執行長Peter Wennink認為半導體市場年增長率約為9%，2020年至2030年間半導體市場收入將翻一番。

延續摩爾定律

技術方面也有好消息。極紫外（EUV）光刻技術已成為光刻技術的最新驅動力。我們一直在探索怎樣才能在晶片上實現更小的結構。如今我們有了答案：具有更高數值孔徑（NA）的EUV。

ASML計劃從2023年上半年開始，提供從現有0.33 NA提高到0.55NA的新極紫外光刻設備。新設備可以將摩爾定律的壽命延長至少10年。這也是目前晶片製造商獲得更小晶片結構的方式和途徑。

簡而言之，較高的數值孔徑意味著較大的鏡像將圖案投射到晶片上，從而實現更小的結構。目前還沒有看到有廠商發布其他可以超越EUV的新技術。按照ASML的說法，這項技術可至少持續到2030年。

產業供應鏈問題或將減少

在過去的兩年中，供應鏈問題嚴重阻礙了雷射領域和其他光子製造設備、終端設備的生產。

有的雷射廠商不得不開始向市場推廣自己的舊系統，只因他們無法獲得新一代產品的所有零件。而有的廠商則希望供應鏈問題能和感冒一樣在新一年裡消失不見。

這些評論反映了業內人士對供應鏈中斷的看法：風險仍在繼續，但仍有希望的空間。

招聘到合適的光學人才是一項挑戰

困擾目前光子學行業另一個問題是招聘，尋找合適的光學人。

總部位於柏林的雷射焊接設備商Scansonic MI GmbH，最近在附近的特斯拉工廠流失了一些員工。據Scansonic MI GmbH董事兼總經理Axel Luft稱，該公司已轉向個人聯繫或獵頭來填補職位空缺。

另一家德國公司TOPTICA Photonics在全球共有450名員工，它在其網站上列出了50個空缺職位。

在美國，填補光學工作崗位空缺的挑戰略有不同，Meta和Intel等大型科技公司今年宣布大規模裁員。

Optica的高級行業顧問Tom Hausken提到，這些裁員造成的勞動力中斷很快就出現了，而且令人困擾。「就業數據仍然很好，但包括雷射行業在內的整個經濟體中仍有很多空缺職位，這意味著之前很難招到人的公司——比如許多小公司、大型軍事承包商和政府實驗室，最終將能夠招到合適的人。」這種說法可能更適用於量子技術等熱門工作領域，以及更傳統的光學和光子學工程。

雷射聚變和雷射空間通信

雷射核聚變的突破性進展成為2022年值得回顧的很重要的一部分。

最近，美國能源部（DOE）和能源部國家核安全管理局（NNSA）宣布，勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）實現了聚變點火，在公布的結果中，他們首次在可控核聚變實驗中實現核聚變反應的淨能量增益。科學家希望通過探索和利用核聚變產生的能力，實現「人造太陽」的目標，為地球提供近乎無限的清潔能源。光子學領域的媒體也都在關注該事件，但筆者並不認為聚變會有助於解決我們未來10年內面臨的能源問題。

筆者認為，近地軌道衛星或許在2023年與光子學市場更為相關。使用雷射終端進行自由空間通信的下一代衛星，將為光子元件創造數億美元的收入。這些衛星中的每一顆都需要四個這樣的終端，單價在六位數左右。

例如，RIVADA空間網絡公司計劃在2025年發射300顆衛星。它們都將攜帶四個雷射終端，總共 1200 個。「雷射終端直接通信，不再需要地面網關，現在可從多個渠道獲得。」RIVADA業務發展總監Thomas Laurent說。

此前，美國航天發展署宣布，擁有數百顆衛星的國防空間架構也將使用光通信終端。如果其他衛星艦隊採用這項新技術，這項技術可能會迅速發展成為一個價值數十億美元的光子元件細分市場。

發射到近地軌道的雷射連結衛星網絡將在未來三年內為光學元件創造一個新的主要市場。圖由RIVADA空間網絡提供

雷射武器部署加快

還有一個與國防相關的趨勢是高能雷射武器。在雷射發明後，人們對雷射將成為自原子彈以來武器領域最大的突破寄予厚望。撥款預算達到了百萬美元。

50年後，雷射在戰場上更加活躍。例如，以色列公司拉斐爾先進防禦系統（Rafael Advanced Defense Systems）提供7.5 kW的LITE光束雷射系統，以對抗距離達2公裡的小型無人機。拉斐爾還發布了100 kW的「Iron Beam」雷射防空系統，該系統已經攔截了2500多枚火箭。該雷射武器的銷售成本很低，每一次雷射發射的成本為2美元，與該公司「鐵穹」系統攔截飛彈的5萬美元/枚形成鮮明對比。但該雷射系統也有其局限性：雷射嚴重依賴於清晰的視線，任何霧、雨或雪都會使其失效。換句話說：這樣的雷射系統只能作為輔助武器存在。

儘管如此，美國拜登總統仍承諾支持鐵穹和雷射穹頂系統。就在近期，美國武器製造商洛克希德馬丁公司（ Lockheed Martin）宣布與拉斐爾合作開發一種雷射武器系統，該系統可能在2023年上市。因此，在雷射發明六十年後，該技術在防禦對策中的部署終於有望加速。

參考文獻：

https://www.photonics.com/Articles/Eight_Predictions_for_the_Photonics_Industry_in/p6/vo214/i1445/a68642