Свет – язык Вселенной!

«Практически все, что мы знаем о мире, мы узнали благодаря свету!»» – профессор, д-р Т.У.Ханш, Нобелевский лауреат

«Фотоника является важнейшей Ключевой Высокоэффективной Технологией и представляет один из наиболее важных компонентов в грядущей цифровой революции, которая будет основываться на наукоемких технологиях» — Европейский инвестиционный банк, 2018

 

 

 

 

 

Востребованность фотоники

Световые технологии являются ключевой движущей силой для магистральных тенденций развития общества, таких как цифровизация, Интернет вещей, большие данные, искусственный интеллект и автономные транспортные средства. Хотя сегодня мировой рынок фотоники оценивается в 600 млрд.Евро, раскрыты всего 20% потенциальных возможностей и пользы от применения световых технологий.

Фотонные технологии являются незаменимыми для стимулирования будущей экономики и будут лежать в основе еще предстоящих успехов во многих отраслях, таких как здравоохранение, космос, мобильность, кибербезопасность, квантовые технологии, аддитивное производство и т.д.

Как важнейшая «сквозная» технология, фотоника является важнейшим «строительным материалом» для дальнейшей цифровой революции, которая произойдет в мире в следующие несколько лет. В будущем, когда на рынок будут выходить все новые световые технологии, фотоника будет оказывать все большее влияние на все области нашей жизни и станет вездесущей: от фотонных датчиков в портативных устройствах, следящих за нашим здоровьем, и самодвижущихся автомобилей, контролирующих окружающую обстановку, до светодиодного освещения, которое работает как защищенный узел связи для наших беспроводных устройств, и это лишь некоторые из применений.

В области информации и коммуникации новая программируемая оптическая инфраструктура станет «центральной нервной системой», на которой в большой степени будет основываться цифровое общество, промышленность и экономика. Фотонные технологии связи являются оптическими «артериями» нашего современного общества и экономики, они осуществляют передачу данных на сверхбыстрых скоростях в миллионах развернутых по всему миру оптических сетях, доходящих до каждого дома.

«Органами чувств» цифрового общества являются высоко интегрированные, точные и быстрые фотонные системы, с возможностью комплексирования информации, поступающей со множества датчиков. Таким образом, эти технологии, основанные на свете, позволяют создавать новые алгоритмы искусственного интеллекта и, тем самым, автономное вождение, «умные» города, индустрию 4.0, а также глубокое понимание вопросов климата и прорывы в медицине и здравоохранении. Труднейшей задачей для световых технологий в следующем десятилетии в секторе информации и коммуникации станет достижение необходимых рабочих характеристик, устойчивости и кибербезопасности, удовлетворяя при этом требования к стоимости, энергетической эффективности и преодолевая технологические ограничения.

Развитие фотоники, связанное с промышленным производством и обеспечением качества, ориентировано на задачи индустрии 4.0. В будущем полностью цифровая цепочка создания стоимости, от поставщика к потребителю, откроет новые формы сотрудничества, удовлетворения индивидуальных требований заказчика, новые услуги и новые бизнес-модели. Всё это будет способствовать усилению промышленной базы.

Новые лазерные системы и комплексное использование сенсорных технологий для мониторинга различных параметров будут находиться в самом центре цепочек создания стоимости, позволяя компаниям быстро переходить к массовому производству деталей и к изготовлению индивидуализированных изделий.

Важными проблемами для человечества в медико-биологических науках и здравоохранении являются стареющее общество и рост болезней в связи с возрастом, а также увеличение расходов на систему здравоохранения. Разработка мобильных, портативных фотонных устройств (вместе с современными биодатчиками для экспресс-диагностики и лечения «на месте», которые измеряют состояние здоровья и самочувствие владельца) внесет вклад в раннюю диагностику и в последующее медицинское вмешательство, чтобы снизить расходы на здравоохранение и улучшить благосостояние людей.

Доступная диагностика в реальном времени, основанная на фотонике и позволяющая определить стадию заболевания, проследить и оценить эффект лечения, откроет двери для практической реализации индивидуализированной медицине, повышая эффективность лечения. Новые разработки в области света могут помочь в поиске новых биомаркеров и разработке перспективных способов лечения неизлечимых заболеваний, а также в улучшении нашего понимания функций мозга.

Новые технологии в освещении, электронике и отображении информации станут «интеллектуальным стержнем» Интернета вещей (IoT) и приведут к широкому и повсеместному распространению информационных и коммуникационных технологий. Микро-дисплеи в очках и даже в контактных линзах обеспечат персонализированную информацию через дополненную реальность, дадут большие возможности для выполнения сложной работы. Классические информационные системы заменит информация, которая учитывает предпочтения и привычки каждой отдельной личности. Освещение, электроника и дисплеи будут также играть чрезвычайно важную роль в решении задач, связанных с эффективностью энергопользования, благосостоянием и безопасностью питания.

Мониторинг нахождения в зданиях и связанное с этим отключение отопления, освещения и электрических устройств в неиспользуемых помещениях с помощью сенсорного управления освещением могут существенно снизить потребление энергии. Такие системы могут повсеместно устанавливаться в новых зданиях и использоваться при модернизации существующих. Разработка комфортного освещения, ориентированного на человека, станет стандартным решением в частных и общественных пространствах.

Революционный Интернет вещей (IoT), когда машины будут распознавать, работать, решать и общаться друг с другом без вмешательства человека, уже начинает преобразовывать наше общество. При значительных затратах, требующихся на IoT системы, по сравнению с подсистемами датчиков, в центре такого перехода будут находиться фотонные компании, занимающиеся безопасностью, метрологией и комплексированием датчиков. Поскольку все большее количество датчиков понадобится интегрировать с IoT, дальнейшее развитие получит встроенная фотоника: в IoT, смартфонах, планшетах и других промышленных изделиях. 

Разработка и производство оптических компонентов и систем являются основой во всех вышеуказанных областях. Хотя дело касается множества компонентов и систем, одна технология обеспечивает ключевые выгоды во всех областях – это разработка фотонно-интегральных схем и устройств. Успех в этой области приведет к сокращению стоимости и размера, и повышению надежности фотонных систем. Новые, усовершенствованные фотонные интегральные схемы позволят полностью распространить фотонные технологии на многие секторы и будут играть существенную роль в переходе на цифровые технологии. Спрос на интегрированные фотонные устройства также связан с возникающими квантовыми технологиями, в частности, с квантовыми вычислениями и связью, что диктует срочную необходимость в параллельной разработке обеих технологий.

Ключевыми световыми технологиями, которые будут играть важную роль в автомобилестроении и транспорте, являются фотонные датчики, коммуникационные технологии и технологии освещения, а также перспективные интерфейсы человек-машина. Прогресс в этих технологиях внесет свой вклад в решение четырех основных задач: улучшение дорожной безопасности, большая мобильность, беспрепятственный дорожный трафик и цифровизация автомобильной промышленности.

В сельском хозяйстве и пищевой промышленности использование специально настроенного искусственного освещения для улучшения роста растений в сочетании со световыми сенсорами увеличит урожаи и качество пищи, особенно это относится к городскому хозяйству, где большая нехватка площади и света. Световые технологии нацелены на решение глобальной проблемы безопасности пищи с учетом изменения климата и роста населения. Они могут многое предложить в этой области, используя средства мониторинга и измерения на фермах, заводах по производству пищевых продуктов и у потребителя. Хотя уже есть примеры успешного применения фотоники, главным вызовом является необходимость создания решений, которые будут дешевыми и легко реализуемыми, ориентированными на специфические нужды аграрно-пищевого сообщества.

Важной областью в будущей фотонике является образование и обучение следующего поколения профессионалов. Им нужно передать профессиональные знания, чтобы они могли успешно и творчески распоряжаться огромным потенциалом, предоставляемым фотонными технологиями. В будущем, для привлечения внимания студентов к дисциплинам точных наук и изучению фотоники понадобятся инновационные подходы. Прорывные исследования в фундаментальных и прикладных науках останутся основой будущего технологического развития, которое позволит нам справиться с проблемами, кажущимися сегодня неразрешимыми. Активное сотрудничество между академической наукой и промышленностью, которое в прошлом способствовало успешному выходу на рынок многих исследований, связанных с фотоникой, нужно продолжать как очень успешную стратегию.

Настоящее и будущее фотоники

Фотоника все еще является эволюционирующей технологией. По оценкам некоторых промышленных экспертов мы достигли всего 10-20% ее полного потенциала. Так как свет имеет много свойств, которые можно освоить и использовать (с некоторыми это сделать проще, с другими сложнее), фотоника продолжает оставаться богатым источником для развития технологии и возможностей применения, а также предоставляет уникальный путь к решению проблем во многих прикладных отраслях.

Фотоника является высоко динамичным и крайне конкурентным рынком, оценивавшимся в 2015 году в 447 млрд. Евро, который продолжает расти со средним темпом роста, превышающим рост других секторов. Сегодня годовой темп роста рынка фотоники составляет 6,2% и ожидается, что этот рост продолжится.

Понимая инновационный потенциал фотоники, мировые экономические державы активно инвестируют в разработку световых технологий и в конкурентные преимущества, которые они могут предоставить. Ключевым игроком на этом рынке является Европа со своей высоко динамичной фотонной промышленностью, которая в настоящее время «мировой лидер на рынке инноваций по многим изделиям и услугам, которые будут развивать цифровую экономику 21 века”. Как видно из рисунка 1, Европа обладает сильной позицией на глобальном рынке, имея долю 15,5%, что делает ее вторым производителем фотонных изделий после Китая.

В Отчете Photonics PPP за 2017 год подчеркивалось, что «европейская фотонная промышленность особенно выросла в таких сегментах рынка, как машинное зрение/измерение и обработка изображения (CAGR +5,6%), медицинские технологии (CAGR +5,3%) и технологии производства (CAGR +4,7%)».

 

 

Рисунок 1: Фотоника в мире

Рисунок 2: Результаты финансирования исследований в Европейской фотонике: лидерство в технологии и на мировом рынке в ключевых европейских сегментах.

На рисунке 2 показано, что сегодня европейская фотонная промышленность удерживает высокую долю мирового рынка в фотонике для промышленного производства (50%), оптических измерений и обработки изображения (35%), оптических компонентов и систем (32%), медицинских технологий и биомедицины (28%), а также для обороны и безопасности (26%) и освещения (25%).

Китай достиг преимущества на рынке за счет производства ТНП в больших объемах и с низкой добавочной стоимостью, например, дисплеи и освещение. Европа, наоборот, доминирует в высоко технологичных секторах и изделиях с высокой добавочной стоимостью, например, как показано на рисунке 2, экспорт лазерных станков, которые используются в Китае для производства ТНП. Однако, есть убедительные доказательства, что Китай инвестирует в высокорентабельные технологии, чтобы конкурировать на этих рынках с Европой.

 

Инвестиции

Около €10 млрд. — В 2015 европейская фотонная промышленность вложила €9.6 млрд. в инновацию (расходы на НИР и капитальные вложения)

Интенсивность НиР и ОКР в фотонной промышленности составляет около 10%

Государственные инвестиции в РРР-проекты в области фотонной промышленности возросли в 4,3 раза

 

Участие промышленности в проектах Horizon 2020 PP выросло до 45%, по сравнению с 35% в FP7

7 сервисных организаций по разработке и изготовлению опытных образцов помогают конечному промышленному пользователю ускорить разработку изделия

€49 млн. инвестировано ЕС в частно-государственные организации, предоставляющие услуги по изготовлению опытных образцов (пилотные линии)

67 проектов запущены в настоящий момент в рамках программы Horizon 2020 с государственным инвестированием в объеме €278 млн. из фонда финансирования Eвросоюзом программы Horizon 2020 за первые 3 года: 2014-2016

Рынок

Европейский рынок фотоники составляет €69 млрд. в год

Фотонное производство в Европе за последние 10 лет выросло более чем на 62%

Фотонное производство в Европе росло со средними годовыми темпами 5%, начиная с 2005г.

Темпы роста фотонного производства в Европе более чем в 3,5 раза превышают темп роста ВВП Евросоюза

50% мирового рынка занимают европейские технологии фотонного производства

35% мирового рынка занимает европейская фотоника в секторе измерения и обработки изображения

32% мирового рынка занимает европейская фотоника в секторе оптических компонентов и систем

Мировая фотонная промышленность выросла с

€228 млрд. в 2005 году до €447 млрд. в 2015 году

Ожидается, что к 2020 году мировой рынок фотоники составит

 €615 млрд.

Сектор фотоники растет вдвое быстрее, чем мировой ВВП

Люди

19 000 новых рабочих мест создано в европейской фотонной промышленности

Прогноз: к 2020 году их число может достичь 42 000

9 проектов частно-государственного партнерства Photonics посвящены непосредственно исследованиям, обучению и подготовке по фотонике

 

Более 1700 компаний и исследовательских организаций поддерживают Photonics PPP.

Платформа Photonics21 имеет более 3000 зарегистрированных индивидуальных членов

Семинары и встречи по стратегии развития Photonics PPP посетили около 1000 человек

Примерно 300 000 человек в Европе заняты непосредственно в секторе фотоники

 

Высококвалифицированная и хорошо оплачиваемая занятость крайне важна для общества и всей экономики, к этому стремятся многие страны. Конкурирующие экономики уже реализуют планы, которые помогут им использовать значительные возможности, предоставляемые фотоникой, для своей экономики. Страны, имеющие массовое производство товаров потребления, хотят сохранить свою промышленную базу. Правительство Южной Кореи объявило, что к 2020г. они увеличат капиталовложения в фотонику до €2.8 млрд. в год. Правительство Китая также повышает свои ежегодные расходы на фотонику на 40%, до €1 млрд. к 2020г., что дополняется еще и региональными инвестициями, которые часто в несколько раз превосходят центральное финансирование. Другие страны, которые стремятся поддерживать у себя высокоэффективные рабочие места в сфере производства, также делают капиталовложения. В США фотоника рассматривается как стратегическая ключевая прорывная технология, определены области, где используется фотоника, которые являются критическими для конкурентоспособности и национальной безопасности США. Одним из примеров является инициатива AIMs, по которой $610 млн. частно-государственного партнерства вкладывается в развитие производства интегрированной фотоники в США.

Европейское фотонное сообщество является хорошо организованным и очень эффективным, оно действует под эгидой Photonics21 – самой большой технологической платформы в Европе и Photonics PPP (частно-государственного партнерства. Среда европейской фотоники создана на основе исследовательских групп мирового класса, сильного сектора малых и средних промышленных предприятий и нескольких больших компаний. Вместе они образуют европейскую экосистему фотоники. Большинство из этих игроков работают в региональных фотонных кластерах, но также на базе национальных технологических платформ, что само собой разумеется, учитывая разнообразные промышленные сектора, которые поддерживает фотоника.

Благодаря мультидисциплинарной природе фотоники, а также профильной исследовательской и промышленной базе, которой обладает Европа, этот сектор естественным образом влился в региональные инновационные кластеры и национальные технологические платформы, которые представляют интересы фотонного сообщества на местном и национальном уровне. Принимая во внимание, что этот сектор может создавать значительную занятость, эти инновационные кластеры играют активную роль в региональных и национальных инновационных стратегиях. С учетом того, что такое тесное взаимодействие поддерживает стратегические направления в исследованиях и инновациях в области фотоники, очень важно, чтобы региональные инновационные кластеры и национальные технологические платформы продолжали свое сотрудничество и продвигали общую европейскую стратегию в области НИОКР по фотонике в ближайшем будущем.

Двигатели будущих инноваций

  • Экспресс-диагностика основных болезней
  • Качественная еда: «с фермы – на вилку» основных болезней
  • Дорожный трафик без происшествий и пробок
  • Действительно безотходная экономика
  • Миллион новых рабочих мест
  • Нулевые простои при терабитовой экономике
  • Фотоника как лидирующая наука для инноваций