Претендент в приоритеты. Фотоника очаровала экспертов.

Фотоника представляет собой обширную совокупность различных рынков, так или иначе использующих фотонные технологии. Выделяют “базовые” рынки, непосредственно связанные с фотонными компонентами, и “вертикальные”, развитие которых обусловлено использованием различных технологий фотоники — это информационные технологии, биофотоника, передовое производство, оборона и безопасность, освещение и энергетика. При этом фотоника как таковая не является объектом статистического наблюдения официальных государственных ведомств ни в одной из развитых стран.

По данным доклада “Фотоника. Отчет по промышленности. 2013” (Photonics. Industry Report. 2013), опубликованного совместно Немецким федеральным министерством образования и исследований (BMBF) и промышленными ассоциациями VDMA, Spectaris и ZVEI, объем мирового рынка фотоники в 2011 году оценивался приблизительно в 350 миллиардов евро (486 миллиардов долларов). Среднегодовой темп прироста мирового рынка фотоники в период 2005-2011 годов составлял порядка 7,4%. По прогнозам в 2011-2020 годах среднегодовой темп прироста несколько снизится — до 6,4%, и объем рынка фотоники к 2020 году составит около 615 миллиардов евро.

Основными центрами производства продукции являются Япония, Китай, Южная Корея, Тайвань, Германия, Северная Америка (см. диаграмму). Наибольший прирост в объеме производства продукции фотоники в 2005-2011 годах наблюдался в Китае (более чем в 

3 раза), Германии (в 1,6 раза), Южной Корее (в 1,5 раза), на Тайване (в 1,5 раза).

Наиболее крупные сегменты мирового рынка фотоники связаны с ИT-сектором и энергетикой. Так, на долю дисплеев, ИT и коммуникационных технологий в 2011 году приходилось около 47% рынка, а на долю фотовольтаики — 14% (таблица 1).

По темпам прироста в 2005-2011 годах лидировали сегменты фотоники, связанные с производственными и оборонными технологиями. В 2011-2020 годах, согласно прогнозу, наиболее высокие темпы прироста будут наблюдаться в области технологий, важных для развития производства, обороны и энергетики.

Зарубежный опыт показывает, что на государственном уровне фотоника признана важной обеспечивающей технологией, необходимой для развития стратегических отраслей и новых направлений. В то же время существенная разнородность практических применений фотоники препятствует формированию ее статуса в качестве единого национального технологического приоритета. Разнообразный состав исследовательских групп и компаний, работающих в области фотоники, определяет важность их самоорганизации в той или иной форме (отраслевой ассоциации, технологической платформы, кластера и т.п.) для повышения конкурентоспособности производственных цепочек и лоббирования с целью получения государственной поддержки.

Усиление конкуренции на мировых рынках фотоники со стороны Китая и Южной Кореи заставляет США, страны ЕС и Японию менять приоритеты и инструменты государственной поддержки. В США и ЕС развиваются новые формы государственно-частного партнерства, позволяющие аккумулировать большие объемы финансовых ресурсов и усиливать координацию работ под контролем отраслевых сообществ. Государственная политика в Китае и Южной Корее, в свою очередь, ориентирована на масштабную инфраструктурную поддержку через развитие специализированных кластеров.

Высокий потенциал фотоники для переструктурирования традиционных рынков (ИКТ и др.) и формирования новых (в области биофотоники и др.) вызвал пристальный интерес к данному направлению в России. В нашей стране правительство стало уделять особое внимание фотонике в начале 2010-х, в результате чего был разработан и в 2013 году утвержден план мероприятий (“дорожная карта”) “Развитие оптоэлектронных технологий (фотоники)”, в рамках которого планировалось включить ее в состав приоритетов развития науки, технологий и техники в стране. В июле 2014 года фотоника стала ключевой темой заседания президиума Совета при Президенте РФ по модернизации экономики и инновационному развитию России. В январе 2015 года была утверждена обновленная Стратегическая программа технологической платформы “Фотоника” на 2015-2025 годы, а в июне 2015-го Минобрнауки РФ включило фотонику в число трех приоритетных исследовательских фронтов.

Всего, по оценкам ТП “Фотоника” по данным на 2015 год, в России в этой области работает около 850 организаций, основная их часть — это малые предприятия (320 компаний) и некоммерческие организации (вузов — 150, медучреждений — 120, отраслевых НИИ, КБ и НПО — около 100, академических институтов — 80). И только примерно 60 организаций можно отнести к производственным объединениям и крупным предприятиям. Общая численность занятых на предприятиях, работающих в области фотоники, составляет около 56 тысяч человек, в том числе 34 тысячи человек — специалисты с профильным высшим образованием.

В 2012-2013 годах ТП “Фотоника” оценивала российский рынок гражданской продукции фотоники в 0,2% от мирового (менее 1 миллиарда долларов), а годовой объем производства продукции с использованием технологий фотоники — в 8-10 миллиардов рублей. По результатам опроса 116 российских компаний, проведенного ТП “Фотоника” в 2015 году, оценка суммарного объема продаж на внутреннем и внешнем рынках в 2014 году составила уже около 60 миллиардов рублей. Основной объем продаж отечественной продукции пришелся на материалы и элементную базу фотоники (19%), продукцию фотоники для ИТ (17%) и лазерное технологическое оборудование (15%).

Поддержка гражданских исследований и разработок в области фотоники в России осуществляется на основе ряда общих инструментов. Так, Минобрнауки реализует ФЦП “Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы”, а также Программу по созданию высокотехнологичных производств в рамках Постановления Правительства РФ от 9 апреля 2010 года №218. Министерство промышленности и торговли РФ поддерживает различные подпрограммы в рамках Государственной программы “Развитие промышленности и повышение ее конкурентоспособности” и проекты Фонда развития промышленности.

Институты развития (Фонд содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (Фонд Бортника), Фонд “Сколково”, РОСНАНО и Фонд перспективных исследований) также осуществляют поддержку проектов НИОКР. Систематизированных данных о поддержке фотоники в рамках перечисленных инструментов нет. 

Библиографический поиск проводился за период с 2000 по январь 2016 года по укрупненным направлениям фотоники на основе ключевых слов, предоставленных специалистами-экспертами: “материалы и структуры фотоники”, “информационные приложения фотоники” и “биомедицинские приложения фотоники”. Основной анализ проводился по базе данных Web of Science, и его результаты выборочно сопоставлялись с показателями из базы данных Scopus. 

По всем направлениям, за исключением биомедицинских приложений и спектрально-прецизионных лазеров, как по числу публикаций, так и по показателям цитирования (h-индекс, среднее число цитат на статью) с большим отрывом (в разы) лидируют США. По двум оставшимся направлениям по числу публикаций впереди находится Китай, который входит в число лидеров по всем областям фотоники. В целом США и Китай “производят” около половины всех публикаций: доля публикаций США по большинству направлений больше 30%, а Китая — 15%. Другие ведущие страны — это Япония и Германия. Формально по числу публикаций Россия входит в десятку ведущих стран по большинству направлений. Однако сам по себе этот факт не является основанием для оптимизма. Доля российских публикаций в общем объеме во всех областях кроме одной (спектрально-прецизионные лазеры) не превышает 3-5%, что представляется крайне низким для страны такого масштаба. Тот факт, что эта доля сравнима с числом публикаций для отдельных европейских стран или Сингапура, вряд ли может быть утешительным.

Показатели цитирования российских публикаций тоже достаточно скромные. Индекс Хирша (h-индекс) по всем направлениям не превышает 25 (как правило, равен 15), а среднее число цитат на статью по большинству направлений меньше 15. Для сравнения, h-индекс американских публикаций обычно не меньше 60, а среднее число цитат в два-три раза больше российского показателя. Для Китая индикаторы цитирования также существенно ниже, чем для США. Тем не менее по h-индексу Китай серьезно опережает Россию. По среднему числу цитат на статью Россия почти по всем направлениям немного опережает Китай (заметное исключение составляют биомедицинские приложения фотоники и метаматериалы). Однако, ввиду низкой абсолютной величины этого показателя для обеих стран, это опережение вряд ли является серьезным достижением.

На уровне организаций по числу публикаций лидирует Китайская академия наук. Другие ведущие организации — университеты Калифорнии, Университет Аризоны, Стэнфорд, французский CNRS. РАН также входит в число лидеров по большинству направлений, хотя, учитывая масштаб Российской академии наук, ее способность конкурировать с отдельными университетами по числу публикаций (проигрывая им по цитированию), это не является индикатором успеха. Среди российских организаций в пятерку лидеров по большинству направлений входят Физико-технический институт им. А.Ф.Иоффе (Санкт-Петербург), МГУ (Москва), Институт общей физики им. А.М.Прохорова (Москва) и Физический институт физики им. П.Н.Лебедева (Москва). В области биомедицинских приложений фотоники лидирует Саратовский государственный университет, в области метаматериалов заметен Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики (Университет ИТМО), а в квантовых компьютерах — Казанский федеральный университет.

Всего найдено 16 высокоцитируемых публикаций с российскими авторами, что составляет порядка 1% от общего числа подобных работ. Примечательно, что в большинстве из этих публикаций российские организации не ведущие. Пожалуй, именно этот индикатор лучше всего отражает реальный вклад российской науки в мировые исследования по фотонике за последние 15 лет.

В таблице 2 приведено сравнение доли публикаций из России, Китая, который по масштабам близок к России, и Японии, которая представляет небольшие, но технологически высокоразвитые страны. Очевидно, что Россия значительно уступает Китаю по всем направлениям. Отставание от Японии существенно меньше. Россия имеет относительно неплохой задел в области фотонных кристаллов и характеризации фотонных материалов оптическими методами. Отставание особенно заметно в области низкоразмерных материалов, включая углеродные нанотрубки, в оптических соединениях и кремниевой фотонике, а также в информационных и биомедицинских приложениях фотоники.

Списки ведущих российских организаций, выявленных обеими системами, очень похожи. Доминируют академические институты (им. Иоффе, Лебедева, Прохорова, Киренского) и несколько университетов — МГУ, ИТМО, МФТИ). Нужно иметь в виду, что идентифицировать авторство многих институтов РАН не так просто, поскольку поисковые системы нередко определяют их просто как “РАН”, игнорируя индивидуальные названия (см. таблицу 3).

Анализ цитирования по всему направлению был ограничен возможностями поисковых систем и проводился выборочно; эти ограничения особенно сильны для Scopus. Данные, полученные с использованием WoS, показали, что российские публикации (всего 2289) имеют h-индекс — 63 и среднее число цитат на статью — 11,32. Для сравнения, для Китая эти показатели — 119 и 12,2, то есть демонстрируют более заметный вклад при похожей эффективности средней работы. Количество цитат российских статей в динамике растет линейно при практически одинаковом количестве публикаций за последние 5-6 лет. Из этого можно предположить, что российские публикации становятся более значимыми для мирового научного сообщества.

Специалисты в области фотоники идентифицировали ряд проблем, препятствующих развитию, и предложили возможные решения. Систематизируя экспертные мнения, их можно условно разделить на два блока.

Первый блок касается места фотоники среди других технологических направлений и возможных форм ее поддержки в зависимости от специфики подобластей, наличия научных заделов и компаний, предъявляющих спрос на технологии фотоники. Фотоника не входит в число государственных приоритетов и поддерживается разными структурами без серьезной координации усилий. Из 27 технологий текущего перечня критических технологий РФ (который, по всей вероятности, будет пересматриваться в связи с принятием Стратегии научно-технологического развития РФ) только 3 можно отнести к материалам, технологиям их обработки, материаловедению и созданию элементной базы: 

— Технологии получения и обработки конструкционных наноматериалов;

— Технологии получения и обработки функциональных наноматериалов;

— Технологии создания электронной компонентной базы и энергоэффективных световых устройств.

Эти технологии не затрагивают оптические материалы, которые лежат в основе всех направлений фотоники и без которых построение принципиально новых элементов и устройств фотоники невозможно. Поэтому для успешного развития оптических материалов, технологий их синтеза и обработки для задач фотоники необходимо, по мнению экспертов, включить направления по оптическому материаловедению в перечень критических технологий Российской Федерации.

В дополнение к этому эксперты считают важным разработать по отдельным технологиям “дорожные карты” в рамках реализации Национальной технологической инициативы.

Указывалось также на отсутствие стратегии и прогноза развития рынка телекоммуникаций. Таким образом, в области целеполагания, с одной стороны, нет признания на государственном уровне важности научных и технологических направлений фотоники, а с другой — нет данных о потенциале развития рынков, где новые технологии фотоники могут найти применение.

Приоритетные направления реализуются, как правило, через механизм федеральных целевых программ. Предложено скорректировать их после включения фотоники и отдельных ее технологий в список приоритетов. Кроме того, для ряда областей применения фотоники целесообразно сформировать специальные отраслевые программы. Это касается в первую очередь такой дорогой и трудоемкой сферы, как космическая фотоника.

Еще одной перспективной формой организации работ (в основном НИОКР) в области фотоники признаны проектные консорциумы. В частности, такая форма может быть оптимальной для решения задачи создания квантового компьютера на сверхпроводниковых кубитах. В такой проект могли бы войти недавно созданные в России лаборатории и технологические центры, располагающие необходимым базовым оборудованием и научными кадрами высокой квалификации. К ним относятся, в частности, Российский квантовый центр, МФТИ, МИСиС, ВНИИА, МГТУ им. Н.Э.Баумана и НГТУ. 

Фокус на НИОКР необходим в еще одной области — полупроводниковой фотонике. За последние 10 лет большинство научных разработок в этой сфере было проведено институтами РАН и малыми компаниями, созданными на базе академических институтов или их сотрудниками. При этом государственное финансирование технологической инфраструктуры данных организаций все эти годы практически отсутствовало. Университетские разработки в области полупроводниковых фотонных технологий пока не в состоянии составить серьезную конкуренцию академическим институтам и малым предприятиям. Однако следует отметить, что прогресс происходит там, где налажено взаимодействие университетов с сотрудниками академических институтов. Задача — поддержать такие естественно сформировавшиеся консорциумы. 

В тех областях фотоники, где научное отставание от мирового уровня особенно сильное, также предлагается использовать инструмент консорциумов, но осуществлять поддержку в два этапа, с начальным привлечением средств действующих государственных фондов — РФФИ и РНФ. Речь, в частности, идет о таких областях, как биофотоника, в том числе адресная доставка лекарств. В таких “поисковых” проектах важно было бы объединить научные коллективы ведущих университетов и научных центров страны с коллективами успешно функционирующих фирм (в том числе получающих финансирование, например, от Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере), занимающихся разработкой и выпуском наукоемкой и высокотехнологичной продукции. 

Наконец, есть ряд перспективных областей фотоники, где у России научно-технический задел крайне мал и при этом требуются значительные затраты для развития. Их поддержка должна идти не только через научные фонды, программы фундаментальных исследований, но и обязательно в международной кооперации. Пример такой области — оптические соединения и оптоэлектронные компоненты для наноэлектроники. Для эффективного вхождения России в эту область потребуется примерно 10 лет. Общим трендом последнего времени является объединение усилий ведущих мировых игроков для решения задач, связанных с интеграцией фотоники в компьютерные технологии. Существенный рост рынка в данной области ожидается после 2024-2025 годов.

Помимо собственно участия в международных научных проектах, важно расширение международного сотрудничества в таких сферах деятельности, как приглашение зарубежных исследователей, стажировки, обмен студентами, совместная организация конференций. С участием Минобрнауки и заинтересованных университетов (особенно из числа участников Проекта 5-100, располагающих существенными средствами) возможно организовать стажировки студентов и аспирантов продолжительностью от 3 до 6 месяцев. Цель — научная практика и прослушивание курса лекций, которые читаются в зарубежных университетах. Поддержку должны получать стажировки только по темам, признанным приоритетными на государственном уровне. 

Отдельной проблемой является малое количество компаний, работающих в области фотоники или использующих технологии фотоники, и потому слабая востребованность результатов НИОКР на внутреннем рынке. 

Второй блок предлагаемых мер касается экономического регулирования и стандартизации.

Эксперты отметили важность создания нормативной базы, отраслевых стандартов и регламентов, проведения мероприятий по разработке государственных стандартов в области квантовых технологий, создания специализированных центров лицензирования и сертификации.

К мерам экономического регулирования, важным для развития фотоники, можно отнести:

— стимулирование экспорта передовых технологий и приборов;

— значительное снижение таможенных барьеров для экспорта инновационной продукции и импорта высокотехнологичных компонентов;

— кардинальную и регулярную корректировку списка товаров и технологий двойного назначения, экспорт которых контролируется, с привлечением представителей науки и бизнеса;

— стимулирование спроса на лазерные технологии путем введения специальных налогов на старое оборудование, сокращение срока амортизации станков, возмещение части затрат экспортерам;

— восстановление и развитие практически утерянной за последние 20 лет материальной базы современной полупроводниковой фотоники.

Таким образом, полученные результаты демонстрируют достаточно широкую палитру возможных действий. Одно из решений — это включение ряда направлений фотоники в число сквозных технологий Национальной технологической инициативы. Она, согласно принятой в декабре 2016 года Стратегии научно-технологического развития РФ, становится одним из основных инструментов, обеспечивающих преобразование фундаментальных, поисковых и прикладных научных исследований в конкурентоспособные продукты и услуги.