天開創(chuàng)新沙龍

如何知道一滴水包含的物質(zhì)？又該如何了解一片落葉中的元素？人們總在暢想，可以“明察秋毫、見微知著”，渴望看懂更本質(zhì)的物體材料、看到更細(xì)微的元素構(gòu)成。

基于微納結(jié)構(gòu)的“實(shí)時(shí)超光譜成像芯片”便是在這條道路上的重要突破，它像一雙感知物質(zhì)的火眼金睛，不但能看到顏色與形狀，更能洞察其中的物質(zhì)與元素，實(shí)現(xiàn)了對物質(zhì)世界的“透視”。

2025年12月26日，第三十期天開創(chuàng)新沙龍暨2025年天津光電產(chǎn)業(yè)（人才）聯(lián)盟年會在天開高教科創(chuàng)園津南園舉行。

本期沙龍的主題是：光電技術(shù)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用與高質(zhì)量發(fā)展。

美國國家工程院外籍院士、光電子器件專家、清華大學(xué)教授黃翊東，是本期沙龍的主講嘉賓之一。

黃教授的專業(yè)領(lǐng)域是“光電子芯片”。

芯片大家都不陌生，但是什么是光電子芯片呢？

光電子芯片是一種用光波來感知、傳輸和處理信息的芯片。例如傳統(tǒng)用于光通信領(lǐng)域的光電子芯片，通過集成光波導(dǎo)、調(diào)制器、激光器等器件，直接在芯片上構(gòu)建光信號路徑，實(shí)現(xiàn)高速、低功耗的數(shù)據(jù)處理。簡單來說，它就像個(gè)“光速翻譯官”，把電信號和光信號互相轉(zhuǎn)換，讓信息跑得更快、更穩(wěn)。

光電子芯片的核心特點(diǎn)↓

速度超快?：光速傳輸，延遲極低，適合處理海量數(shù)據(jù)。

能耗超低?：光處理功耗比電子芯片低幾個(gè)數(shù)量級，更省電。

抗干擾強(qiáng)?：不受電磁干擾，信號更穩(wěn)定。

主要應(yīng)用領(lǐng)域↓

通信?：5G/6G、光互聯(lián)、數(shù)據(jù)中心。

計(jì)算?：光計(jì)算芯片在AI、科學(xué)模擬中潛力巨大。

其他領(lǐng)域?：激光雷達(dá)、生物傳感、量子計(jì)算等。

發(fā)展現(xiàn)狀↓

全球超1/4國家參與光子產(chǎn)業(yè)鏈，其中中、美兩國的企業(yè)占據(jù)了一半以上的市場份額，形成了中美兩強(qiáng)的格局，光電子芯片正成為突破傳統(tǒng)芯片算力瓶頸的前沿技術(shù)。

黃翊東教授和她的研發(fā)團(tuán)隊(duì)，在新一代光電子芯片研究及產(chǎn)業(yè)化方面實(shí)現(xiàn)了重要突破。

讓芯片變成“火眼金睛”

當(dāng)你拿起手機(jī)，對著桌上的蘋果拍一張照片，咔嚓……

除了可以知道蘋果的大小、顏色和形狀，手機(jī)鏡頭上的“火眼金睛”還能實(shí)時(shí)獲取蘋果的光譜圖像，分析出蘋果甜不甜、有沒有農(nóng)藥殘留……

這神奇的一幕，就出自清華大學(xué)電子工程系黃翊東教授的研發(fā)團(tuán)隊(duì)。

多年來，清華大學(xué)電子工程系黃翊東教授團(tuán)隊(duì)，始終致力于光譜成像芯片的研發(fā)，研制出國際首款“實(shí)時(shí)超光譜成像芯片”。

不需要大型實(shí)驗(yàn)設(shè)備、不需要專業(yè)人員取樣檢測……這款體積小巧、性能高超的芯片，僅僅通過類似拍照的方式，就可以擁有洞穿一切的“火眼金睛”，實(shí)時(shí)解鎖物質(zhì)密碼。

由黃翊東團(tuán)隊(duì)研發(fā)的國際首款“實(shí)時(shí)超光譜成像芯片”↓

探尋物質(zhì)的指紋

因?yàn)橛辛斯猓祟愌壑胁庞辛巳f紫千紅。千百年來，開普勒、笛卡爾、牛頓等著名科學(xué)家前赴后繼，投身到光的探索中。

圍繞“微納結(jié)構(gòu)光電子芯片”這件事，黃翊東團(tuán)隊(duì)堅(jiān)持了20多年。

自從2003年回到母校清華大學(xué)任教以來，黃翊東帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)致力于微納光電子領(lǐng)域的研究，取得了一系列豐碩的研究成果。國際首款“實(shí)時(shí)超光譜成像芯片”就是其重要成果之一。大家平時(shí)看到蝴蝶翅膀之所以色彩斑斕，正是因?yàn)樯厦娴摹肮庾泳w”結(jié)構(gòu)，而這也正是光譜成像芯片的關(guān)鍵研究基礎(chǔ)。

簡單來講，光可以理解為一種電磁輻射。根據(jù)輻射頻率的不同，電磁波分為無線電波、微波、紅外光、可見光等，人類的眼睛可以感知紅綠藍(lán)三原色，通過大腦將三原色自動混合感知成其他顏色，但無法分辨光場的真正頻率。

不同物質(zhì)對不同頻率的光吸收不同，反映出不同的光譜。我們眼睛看到的顏色其實(shí)是物質(zhì)光譜的降維信息，僅憑人眼判斷事物的信息量非常有限，而光譜成像可以帶來超越人眼分辨能力的機(jī)器視覺。

以機(jī)器視覺來擴(kuò)展人眼視覺，讓普通人擁有“火眼金睛”的能力，這或許是國際首款實(shí)時(shí)超光譜成像芯片研發(fā)的靈感來源。

不同的物質(zhì)具有不同的特征光譜，所以說光譜是物質(zhì)的指紋，可以反映物質(zhì)的信息，光譜作為物質(zhì)感知的重要維度意義重大。然而，在實(shí)際應(yīng)用中這個(gè)重要的維度并沒有釋放出它的巨大潛力。已有的大型單點(diǎn)掃描式光譜成像儀盡管發(fā)揮了一定的作用，但局限性非常突出：除了個(gè)頭大、價(jià)格高外，只能單點(diǎn)掃描，不能獲得同一時(shí)刻空間各點(diǎn)的光譜信息，無法跟蹤移動的物體。如何實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)光譜成像的創(chuàng)新突破，成為擺在黃翊東團(tuán)隊(duì)面前的考題。

和光同塵

這道考題看起來簡單，解起來難。這種光電子芯片在物理效應(yīng)、制備工藝、算法配合上都需要創(chuàng)新突破，技術(shù)壁壘非常高。在黃翊東看來，中國和其他國家在微納光電子領(lǐng)域的研究可謂是齊頭并進(jìn)，在技術(shù)水平上有著數(shù)十年的積累。清華人以服務(wù)國家為己任，不但不能被“卡住脖子”，而且要通過創(chuàng)新走在前沿，在全球范圍內(nèi)創(chuàng)造不會被卡脖子的引領(lǐng)技術(shù)。

為了攻克制備工藝的壁壘，黃翊東帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)及畢業(yè)生，一起搭建了微納光電子芯片制備工藝平臺——天津華慧芯科技。華慧芯是專業(yè)的微納光電子芯片制造服務(wù)商，具備12吋28納米先進(jìn)制程超表面晶圓制造能力。借助華慧芯這個(gè)平臺，研發(fā)團(tuán)隊(duì)克服了制備工藝、算法配合等難題，完成了“實(shí)時(shí)超光譜成像芯片”的初步研發(fā)。

相比過去的光譜成像設(shè)備，國際首款“實(shí)時(shí)超光譜成像芯片”有顯著優(yōu)勢：體積小、性能高、可實(shí)時(shí)光譜成像。光譜成像芯片在0.5平方厘米面積上集成了超過200萬個(gè)微型光譜儀，單點(diǎn)微型光譜儀從筆記本大小縮小到百微米以內(nèi)，光譜分辨率高達(dá)0.5納米，并且一次拍照就可以獲得圖像上200萬像素的光譜；從原來只能單點(diǎn)掃描到實(shí)時(shí)拍攝，解決了原來不能獲取目標(biāo)動態(tài)光譜的難題，通過視頻拍攝的實(shí)時(shí)光譜畫面，分析得出背后的物質(zhì)信息。

與光共舞

有了技術(shù)上的突破，還要落地成為產(chǎn)業(yè)。

如果說技術(shù)上的突破是“和光同塵”，那么落地成為產(chǎn)業(yè)，就是“與光共舞”。

“實(shí)時(shí)超光譜成像芯片”走向應(yīng)用最重要的意義是提供了信息獲取“全新的維度”，看透物質(zhì)的“火眼金睛”，在工業(yè)自動化、智慧醫(yī)療、機(jī)器視覺、消費(fèi)電子等諸多領(lǐng)域都有廣闊應(yīng)用場景。抱著“讓光譜感知無處不在”的愿景，黃翊東團(tuán)隊(duì)致力于“讓光譜把它的威力真正發(fā)揮出來”，先后孵化了北京與光科技、光函數(shù)科技等創(chuàng)新企業(yè)，進(jìn)行“實(shí)時(shí)超光譜成像技術(shù)+X”的探索。

以實(shí)時(shí)超光譜成像技術(shù)加煉鋼為例，以前在轉(zhuǎn)爐中完成煉鋼時(shí)，主要是憑借工人的經(jīng)驗(yàn)和一次性的測溫設(shè)備，對于上千度的爐溫，這兩種方式危險(xiǎn)性和誤差都很大。而采用實(shí)時(shí)超光譜成像的技術(shù)，只需要在距離轉(zhuǎn)爐大約20米處拍一張照片，就可以得到一個(gè)相對準(zhǔn)確的爐內(nèi)溫度，安全性更強(qiáng)，誤差更小。

在醫(yī)療診斷領(lǐng)域，通過光譜相機(jī)可以準(zhǔn)確分辨出癌組織的分布區(qū)域，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)術(shù)中監(jiān)測，為癌組織的切除手術(shù)提供重要的邊界信息。。

在未來，可能僅需拍一張照片，就可以進(jìn)行血糖監(jiān)測、了解皮膚狀態(tài)、檢測水質(zhì)、了解病蟲害信息……大家都可以零距離“與光共舞”，隨時(shí)隨地享受光譜拍照的“火眼金睛”為生產(chǎn)生活帶來的便利。

天津成為光電產(chǎn)業(yè)的沃土

光電產(chǎn)業(yè)是光子學(xué)、電子學(xué)、信息學(xué)相融合的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，產(chǎn)業(yè)鏈長、成長性好、發(fā)展空間大，是國際產(chǎn)業(yè)技術(shù)競爭的熱點(diǎn)。

天津是中國北方重要的光電產(chǎn)業(yè)基地，依托于南開大學(xué)、天津大學(xué)等在光學(xué)、光電子領(lǐng)域的強(qiáng)大科研實(shí)力，以及中電科集團(tuán)等國家隊(duì)布局。從傳統(tǒng)的光學(xué)儀器、激光技術(shù)，逐步擴(kuò)展到光通信器件、光電傳感器、新型顯示等高技術(shù)領(lǐng)域。

天津光電產(chǎn)業(yè)以光通信、光存儲、光顯示、光傳感、光成像等領(lǐng)域?yàn)橹?，是新一代信息技術(shù)的重要支撐，也是推動數(shù)字經(jīng)濟(jì)、智能制造、綠色發(fā)展等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵性產(chǎn)業(yè)。

天津光電產(chǎn)業(yè)（人才）聯(lián)盟于2024年10月19日成立，旨在進(jìn)一步推動光電領(lǐng)域科技創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新深度融合，加快形成新質(zhì)生產(chǎn)力。聯(lián)盟將加強(qiáng)各會員單位間的交流合作，推動光電科技創(chuàng)新和科技成果轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)力；拓寬產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)的銜接渠道，助力天津光電產(chǎn)業(yè)發(fā)展壯大；加強(qiáng)與全國尤其是北京光電學(xué)術(shù)和行業(yè)組織協(xié)作，促進(jìn)京津科技創(chuàng)新協(xié)同和產(chǎn)業(yè)體系融合，為合力建設(shè)世界級先進(jìn)制造業(yè)集群提供強(qiáng)勁動能。

光電產(chǎn)業(yè)被視為國家戰(zhàn)略，發(fā)展空間大，科技基礎(chǔ)好、增長速度快、和歐美發(fā)達(dá)國家的發(fā)展差距小，因此，光電產(chǎn)業(yè)在中國得到了長足的發(fā)展，中國光電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展后勁，不容小覷。天津光電產(chǎn)業(yè)在專用通信設(shè)備和環(huán)境監(jiān)測儀器領(lǐng)域具有較強(qiáng)競爭力，同時(shí)在新能源、儲能等新興領(lǐng)域也有布局。

本期天開創(chuàng)新沙龍上，還舉行了“天津光電成果轉(zhuǎn)化基地”揭牌啟動建設(shè)儀式。

新建設(shè)的天津光電成果轉(zhuǎn)化基地由天津光電產(chǎn)業(yè)（人才）聯(lián)盟發(fā)起并運(yùn)營，將聚焦光電子和傳感器領(lǐng)域前沿技術(shù)進(jìn)行概念驗(yàn)證，加速成果轉(zhuǎn)化。

同時(shí)，聯(lián)盟將與津南區(qū)協(xié)同建設(shè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型促進(jìn)中心，使轉(zhuǎn)化基地與津南區(qū)制造業(yè)企業(yè)直接對接，雙向賦能光電傳感器技術(shù)孵化轉(zhuǎn)化和制造業(yè)企業(yè)智能轉(zhuǎn)型。

天津光電產(chǎn)業(yè)（人才）聯(lián)盟成立近兩年，已集聚重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、龍頭企業(yè)等創(chuàng)新資源，并與其他生產(chǎn)要素搭建握手通道。聯(lián)動京津冀和中關(guān)村的光電產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟展開合作，推動聯(lián)盟企業(yè)參與跨區(qū)域的交流，共建光電產(chǎn)業(yè)的繁榮生態(tài)。圍繞產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，牽頭組織高校企業(yè)聯(lián)合開展攻關(guān)，推動核心技術(shù)突破與產(chǎn)業(yè)化。

記者 | 邢耕