科学观察, 2016, 11(3): 1-12
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Cite this article:
Fang Junmin , Wang Lina , Tang Chuan , Zhang Juan , Tian Qianfei , Xu Jing . A Bibliometric Analysis of Optoelectronic Devices Research . 科学观察 [J], 2016, 11(3): 1-12 doi:10.15978/j.cnki.1673-5668.201603001
摘要:
光子学使能技术可产生或节约能源、减少温室气体排放、降低污染、改善公众健康,这不但可以带动巨大的经济增长,对解决面向2020年的全球重大社会挑战也有至关重要的作用。该文以Web of ScienceTM核心合集数据库中2010–2014年间的光电子器件研究论文为数据源,利用美国汤森路透公司的Thomson Data Analyzer等工具定量分析了关键光电子器件的研究趋势、国际竞争格局、热点方向,揭示了国际光电子器件研究的整体发展态势。
关键词:
光电子器件
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文献计量
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研发态势
Key words:
optoelectronic devices
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bibliometric analysis
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competitive situations
1 引言
光电子器件是利用电-光子转换效应制成的各种功能器件,是光电子技术的核心和关键部件。随着光电子技术对国民经济和军事影响的日益深刻和巨大,光电子器件引起了世界科技界、产业界和各国政府部门的高度关注。光电子器件主要包括激光器、探测器、发光二极管等,将为通讯与信息技术、能源、先进制造、生物医药、国防与国家安全领域带来广阔的发展前景。具体而言,对于信息通讯领域,集成光电子器件将对下一代通信网络产生重要影响,可能决定网络空间控制权;对于能源领域,固态照明和光伏技术将有望重塑更清洁、更高效、更安全的未来能源格局;对于先进制造领域,激光是21世纪制造业中最通用的机械工具,广泛应用于焊接、切割及微细加工中,可改进尺寸、重量、性能及成本等一系列产品关键性能;对于生物医药领域,光电子器件在医疗设备中广泛应用,如激光眼科手术;对于国防与国家安全领域,光电子器件将能够增加通讯、情报、导航、电子战及传感系统等国防与安全基础设施的性能、可制造性、稳定性并节省成本。据美国知名市场研究机构——研究及市场(Research and Markets)于2015年9月发布的《全球光电市场——市场份额和预测(2015–2020)》报告显示[1],2014年全球光电市场价值超过1 540亿美元,预计2015–2020年市场将保持35％的年复合增长率。
鉴于巨大的市场价值,光电子器件一直是国内外众多机构的关注重点。近年来,美国、欧盟对光电子器件愈加重视,制定了光学和光子学使能技术战略并进行了布局。2012年8月美国国家研究理事会发布了题为《光学与光子学：美国的关键技术》报告[2],建议政府多部门协同合作加快产业界及学术界开发光子学关键技术的步伐;2013年5月,美国国家光学学会、光学与光子国际学会、IEEE光子学会、美国激光研究所、通用电气、谷歌等联合成立“国家光子计划”(NPI)联盟[3];同月,NPI委员会发布了《通向有竞争力、安全未来的路径》白皮书[4],建议政府投资可促进先进制造、通讯与信息技术、国防与国家安全、能源、健康与医药领域发展的相关光子学技术研发;2014年4月,美国白宫科学技术办公室公布了光学和光子学快速行动委员会的《创造光学和光子学更加光明的未来》报告[5],为光子学研究机遇和能力建设提供建议。2005年12月,欧盟建立了由覆盖欧洲整个经济价值链的光子学产业和研发利益相关者组成的欧洲光子学技术平台Photonics21[6],旨在把欧洲塑造成为信息通信、照明、工业制造、生命科学、安全和教育等各应用领域中的光子学技术开发和部署的领军者。作为欧洲光子学产业界和学术界联盟,Photonics21于2011年2月发布了《光子学——作为欧洲一大关键使能技术的使命》报告[7],2013年4月发布《面向2020年的光子学研发战略路线图》[8],2013年12月与欧盟委员会建立光子学公私合作伙伴关系(PPP)[9]等,支持欧盟第七框架计划和地平线2020计划下光子学技术的研发,确保欧洲的工业领导力和经济增长。激光器、探测器、发光二极管、集成光电子器件等属于其中重点研发方向。
在此背景下,准确把握国际光电子器件发展的新态势和新特征对该领域国家发展战略的制定至关重要。本文拟通过对4大关键光电子器件科学论文的定量分析,揭示光电子器件研究的国际发展态势、了解相关机构的研发动态、明确其关键技术与挑战,以期为我国在相关领域的工作提供有益参考。
2 数据来源和方法
科学论文是科技研究成果的重要载体和科研产出的主要形式,科学论文的测度分析是衡量国家科技创新发展态势和水平的主要依据[10]。本文以Web of ScienceTM核心合集数据库为数据来源,通过构建新型激光器、多光谱探测技术、有机显示技术、光电集成技术4大关键光电子器件的检索式(详见附录所示)对2010–2014年发表的相关论文进行了检索,数据采集时间为2015年11月2日。利用美国汤森路透开发的分析工具TDA(Thomson Data Analyzer)对下载的论文数据进行清洗和可视化分析,通过对发文量、国家/地区、研究机构、关键词的统计分析来展示光子学器件的研究趋势、国际竞争格局、热点方向,同时还采用关键词共现分析方法揭示光子学器件领域中研究内容的内在相关性和技术领域的微观结构。
3 结果与分析
3.1 新型激光器技术
3.1.1 发文量年度变化趋势
2010–2014年,全球共发表新型激光器相关论文491篇。从图1来看,2010–2013年间,全球新型激光器的发文量总体保持增长趋势,2014年发文量开始有所下降。
3.1.2 主要国家/地区
由图2可见,2010–2014年新型激光器发文量最多的国家/地区依次是美国、中国、日本、俄罗斯、中国台湾、法国、英国、德国及新加坡。美国以26.5%的份额处于领先地位,约是排名第2的中国发文量的1.76倍。来自以上国家/地区的发文共计387篇,占全部发文量的78.8%。
从国家/地区发文量年度变化来看,美国在各年都保持领先地位,中国在2010–2012年以及2014年明显领先于其余国家/地区,在2013年中国和日本较为接近,如图3所示。
3.1.3 主要研究机构
从发文量来看(表1),2010–2014年间新型激光器领域论文发表数量排名前10的研究机构中4家来自美国,2家来自俄罗斯,另外4家分别来自中国、日本、法国和中国台湾。这些研究机构由科研院所和大学组成。美国加州大学伯克利分校与中国科学院的发文量相同,但篇均被引频次约是中国科学院的2倍,是排名第4的俄罗斯莫斯科物理技术学院的3.19倍,是排名第5的日本横浜国立大学的3.35倍。这10家机构在2010–2014年共发表论文167篇,占全部发文量的34.0%。
3.1.4 重点领域及热点
关键词共现分析可揭示某一领域中研究内容的内在相关性和技术领域的微观结构。根据新型激光器技术论文中相关关键词出现的频率遴选出排名前10的前沿技术发展方向,构建2010–2014年间的新型激光器主要前沿技术的共现矩阵(图4)。由此图可见,与等离子体有共现关系的频次最高,达55次,表明等离子体是新型激光器研究的主要理论基础,其中等离子体与纳米激光器的关系最为密切,说明等离子体主要应用在纳米激光器的研究中。此外,纳米激光器还与半导体激光器、太赫兹、增益、超材料有一定的共现关系,说明纳米激光器主要采用半导体材料和超材料来研制,工作波长涵盖太赫兹波段。等离子体纳米激光器与增益也有较重要的共现关系,表明等离子体纳米激光器的研究还需要增益介质。
表1
2010–2014年新型激光器领域发文量排名前10位的机构
3.2 多光谱探测技术
3.2.1 发文量年度变化趋势
2010–2014年,全球共发表多光谱探测技术相关论文584篇。从图5可见,2010–2012年间,全球多光谱探测技术的发文量总体保持增长趋势,2013年起发文量开始有所下降。值得注意的是,由于多光谱探测技术在国防应用领域的保密性,世界各国的相关研究并未全部公开发表论文,故此部分依据现有论文数据仅对多光谱探测技术的大体发展态势进行分析。
3.2.2 主要国家/地区
由图6可见,2010–2014年多光谱探测技术发文量最多的国家/地区依次是美国、中国、法国、德国、意大利、英国、中国台湾、伊朗和日本。美国以40.6%的份额处于领先地位,约是排名第2的中国的2.5倍。来自以上国家/地区的发文共计489篇,占全部发文量的83.7%。
从各国/地区发文量年度变化来看(图7),美国在2014年之前一直处于一枝独秀的地位,中国的发文量总体上呈现逐年上升的趋势并在2014年首次超过美国。其余各国/地区在2010–2014年间的发文量明显低于中、美,但彼此间的差异不大。
3.3 有机显示技术
3.3.1 发文量年度变化趋势
2010–2014年,全球共发表有机显示技术相关论文1 538篇。从图8来看,2010–2012年间,全球有机显示技术的发文量总体保持增长趋势, 2013年有所下降,2014年又开始反弹。
3.3.2 主要国家/地区
由图9可见,2010–2014年有机显示技术发文量最多的国家/地区依次是中国、韩国、美国、中国台湾、日本、德国、印度、加拿大、英国。中国以19.6%的份额处于领先地位,韩国以16.0%的份额排名第2,美国则以12.7%的份额排名第3。来自以上国家/地区的发文共计1 252篇,占全部发文量的81.4%。
从各国/地区发文量年度变化来看(图10),中国在各年都保持领先地位,韩国各年的发文量浮动较大,美国自2011年起呈现波动式下降趋势,中国台湾则呈现小幅增长趋势。
3.3.3 主要研究机构
2010–2014年间有机显示技术发文量排名前10位的研究机构中有4家来自中国,3家来自中国台湾,2家来自韩国,1家来自德国(表2)。这些研究机构由科研院所和大学组成,其中中国科学院的发文量最高,韩国科学技术院和台湾大学位列第4和第5位。从被引次数看,韩国首尔大学的篇均被引频次最高,约是排名第2的德国德累斯顿工业大学的1.98倍,是排名第4的中国吉林大学的3.55倍,是排名第5的台湾工业技术研究院的4.54倍。这10家机构在2010–2014年共发表论文287篇,占全部发文量的22.9%。
表2
2010–2014年有机显示技术领域发文量排名前10位的机构
3.3.4 重点领域及热点
根据有机显示技术论文中相关关键词出现的频率遴选出前10个前沿技术发展方向,构建2010–2014年间的有机显示主要前沿技术的共现矩阵(图11)。由此图可见,与有机发光二极管有共现关系的频次最高,达104次,表明有机发光二极管是有机显示技术的主要研究领域,其中有机发光二极管与薄膜晶体管的关系最为密切,说明近年研究的有机发光二极管主要利用薄膜晶体管来驱动。此外,有机发光二极管与磷光、光致发光、电致发光、有源矩阵有机发光二极管具有较密切的共现关系,说明有机发光二极管研究主要侧重于高发光效率的磷光有机发光二极管及有源矩阵有机发光二极管,采用的驱动方式包括光致发光和电致发光两种。有源矩阵有机发光二极管与电致发光共现频次最高,说明有源矩阵有机发光二极管通常采用电致发光的驱动方式来工作。
3.4 光电集成技术
3.4.1 发文量年度变化趋势
2010–2014年,全球共发表光电集成技术相关论文2 722篇。图12显示,2010–2014年间,全球光电集成技术的发文量总体保持增长趋势。
3.4.2 主要国家/地区
由图13可见,2010–2014年光电集成技术发文量最多的国家/地区依次是美国、中国、日本、法国、加拿大、德国、英国、新加坡、意大利。美国以27.5%的份额处于领先地位,约是排名第2的中国的2.0倍。来自以上国家/地区的发文共计1 987篇,占全部发文量的73.0%。
从各国/地区发文量年度变化来看(图14),美国在各年都保持领先地位,中国则明显领先于除美国外的其余国家/地区,且呈现逐年上升趋势。
3.4.3 主要研究机构
2010–2014年间光电集成技术领域发文量排名前10位的研究机构中3家来自美国,2家来自中国,其余5家分别来自新加坡、比利时、荷兰、法国、日本(表3)。这些研究机构中9家为科研院所和大学,1家为企业。其中中国科学院的发文量最高。从被引次数看,美国麻省理工学院的篇均被引频次最高,约是排名第2的比利时根特大学的1.44倍,是排名第4的中国浙江大学的2.23倍,是排名第6的新加坡科技研究局的2.67倍,是排名第7的中国科学院的3.35倍。这10家机构在2010–2014年共发表论文704篇,占全部发文量的25.9%。
从主要研究机构年度论文产出的变化趋势来看(图15),中国科学院在2011–2014年间的发文量均处于领先地位,新加坡科技研究局、比利时根特大学、法国巴黎第十一大学的发文量自2012年起呈现稳步增长趋势,美国加州大学圣巴巴拉分校在2010–2012年呈现增长趋势而后呈现逐年下降趋势。
3.4.4 重点领域及热点
根据光电集成技术论文中相关关键词出现的频率遴选出前10个前沿技术发展方向,构建2010–2014年间的光电集成主要前沿技术的共现矩阵(图16)。由此图可见,与硅光子有共现关系的频次最高,达353次,表明硅光子是光电集成技术的主要研究领域,其中硅光子与光子晶体、集成光学、绝缘体上硅、光子集成电路的关系最为密切,说明基于绝缘体上硅材料和纳米结构材料(光子晶体)的硅基光子集成电路是近年来的研究热点。此外,硅光子还与波导、光互联、环形共振器、半导体激光器具有较密切的共现关系,说明当前硅光子研究主要面向利用光信号代替电信号进行信息传输的光互联应用领域,研究内容侧重于在硅芯片上集成光波导、半导体激光器和环形共振器等光子器件,并已在相关研究中利用表面等离子体所产生的卓越光电特性开发创新型硅光子技术,尤其是在光子集成电路方面。
表3
2010–2014年光电集成技术领域发文量排名前10位的机构
4 总结与建议
本报告通过定性调研美国、欧洲等在光电子器件技术领域的研究现状,结合对研究论文的定量分析,发现国际光电子器件技术研究呈现出以下特点。
(1)美国国家研究理事会、国家光子计划委员会、白宫科技政策办公室相继发布了一系列报告,明确光电子器件技术所面临的重大研究挑战、优先研究领域、相应的发展建议、创新行动及目标。欧洲光子学技术平台Photonics21也发布了多份光子学战略研究报告,指明了面向关键应用领域的光电子器件技术发展路线及欧盟光子技术科研与创新的主要战略行动;通过与欧盟委员会建立光子学公私合作伙伴关系,推动光电子器件新技术、产品和服务的开发与应用。
(2)2010–2015年,在新型激光器、多光谱探测、光电集成技术方面,美国和中国是发文量排名第1和第2的国家。美国在此3个方向的发文量分别约为中国发文量的1.76倍、2.5倍和2.0倍。在有机显示技术方面,中国和韩国是发文量最多的国家,中国的发文量约是排名第2的韩国的1.2倍。由此可见,美国和中国是光电子器件研究领域中最活跃的国家。
(3)在研究机构层面,从论文产出数量角度分析,美国伊利诺伊大学是新型激光技术发文量最多的机构,中国科学院位列第2;中国科学院是有机显示和光电集成技术发文量最多的机构,排名第2的分别是中国电子科技大学和新加坡科技研究局。从论文影响力角度分析,中国机构与其他机构存在一定差距。在新型激光器、有机显示、光电集成技术方面,篇均被引频次最高的机构分别为美国加州大学伯克利分校、韩国首尔大学和美国麻省理工学院。发文量排名前10的中国研究机构的篇均被引频次与世界高水平机构存在一定差距。
(4)在前沿研究热点层面,新型激光器技术以等离子体为主要理论基础,尤其是在采用半导体材料和超材料的纳米激光器领域,其中等离子体纳米激光器的研发还需引入增益介质;有机发光二极管主要采用薄膜晶体管驱动的方式工作,研究内容主要侧重于高发光效率的磷光有机发光二极管及有源矩阵有机发光二极管领域,其中有源矩阵有机发光二极管常采用电致发光的驱动方式;光电集成技术的近年研究热点是面向利用光信号代替电信号进行信息传输的光互联应用领域的硅光子技术,尤其是基于绝缘体上硅材料和纳米结构材料(光子晶体)的硅基光子集成电路,研究内容侧重于在硅芯片上集成光波导、半导体激光器和环形共振器等光子器件,并利用表面等离子体所产生的卓越光电特性来开发相关创新型技术。
综上所述,中国在光电子器件技术研究领域中已开展了大量的研究工作,取得了一系列备受瞩目的研究成果,但发文的影响力仍有待进一步提升。基于以上发展态势及我国现状,本报告建议：(1)制定系统性发展战略布局,凝聚整体科技竞争力;(2)大力推动颠覆性的核心光电子器件技术研究,抢占战略制高点;(3)积极开展产学研合作,加快技术成果转移转化。
致谢
中国科学院半导体研究所的储涛研究员对本报告提出了宝贵的意见与建议,在此谨致谢忱！
The authors have declared that no competing interests exist.
References
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DOI:10.1038/nnano.2006.110
PMID:18654148
URL
[Cite within: 1]
Analysis of scientific papers, patent applications and funding, by geography and area of nanotechnology, reveals the different strengths and weaknesses of Europe with respect to the US, Japan and the rest of the world.
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