2020年光子學(xué)技術(shù)成就前20，任意編組，排序不代表技術(shù)成就的重要程度。多了解前沿趨勢，才更專(zhuān)注。

1、光子帶隙空心光纖技術(shù)

中空光纖使用諸如光子帶隙或反諧振之類(lèi)的現象將光引導通過(guò)空氣填充的芯。經(jīng)過(guò)多年的研究，這種光纖的光損耗已大大降低。這種光纖的一大優(yōu)點(diǎn)是更高的數據傳輸速度，因為光在空氣中的傳播比在玻璃中的傳播快得多。今年，新推出了一種光子帶隙空心光纖，該光纖的市場(chǎng)特別重視高速傳輸高頻要求。 該光纖可以替代微波塔和數據中心之間“最后一英里”連接中的微波傳輸。與玻璃纖維相比，它的速度優(yōu)勢使數據交換之間的間隔時(shí)間縮短了寶貴的毫秒。

2、反諧振空心光纖技術(shù)

大功率激光可以通過(guò)光纖輕松引導到其應用點(diǎn)。但是，在諸如手術(shù)和某些類(lèi)型的材料加工等中紅外應用中使用的現有固核硫屬化物玻璃纖維吸收了足夠多的光，它們可能會(huì )過(guò)熱，甚至導致?lián)p壞。反諧振空心光纖解決了這一問(wèn)題；纖維的外表面涂有氟化乙烯丙烯（FEP）聚合物，以提高耐用性并保護纖維不受潮。碲酸鹽玻璃纖維材料具有高的熱穩定性，并且可以在周?chē)諝猸h(huán)境中合成。

3、錐形雙包層光纖技術(shù)

在超快激光材料加工領(lǐng)域，皮秒和飛秒光纖激光器正在嶄露頭角。在這些激光器中，有源光纖本身的特性是對較高脈沖能量的限制。傳統上，已經(jīng)增加了光纖直徑以實(shí)現更高的脈沖能量，但是這些光束質(zhì)量對光纖的任何彎曲高度敏感?，F在，錐形雙包層光纖放大器提供了具有出色光束特性的高功率前景。錐形雙包層光纖是一種雙包層光纖，它是通過(guò)光纖拉伸工藝形成的，沿光纖的長(cháng)度方向逐漸變細。芯和包層都是錐形的。改變光纖參數的結果是一連串纖芯直徑不斷擴大的光纖放大器，結合了傳統的小直徑、雙包層單模光纖和用于制造的大直徑，雙包層多模光纖的特性。

4、超分辨率光學(xué)波動(dòng)成像技術(shù)

超分辨率光學(xué)波動(dòng)成像技術(shù)，是一種新的生物學(xué)顯微技術(shù)，與其他多色熒光技術(shù)不同，它促進(jìn)顯微鏡不同光譜通道之間的串擾。這樣就可以進(jìn)行統計分析，從而創(chuàng )建其他“虛擬”光譜通道。該軟件算法對閃爍的熒光團的時(shí)間序列進(jìn)行高階時(shí)空統計分析，因此不需要分離單個(gè)熒光團的發(fā)射?？此茝碗s的技術(shù)實(shí)際上簡(jiǎn)化了熒光團的選擇和實(shí)驗。

5、編碼光片陣列顯微鏡技術(shù)

光片熒光顯微鏡照射樣品的平面，從而可以對樣品的2D截面成像。而編碼光片陣列顯微鏡技術(shù)允許同時(shí)從多張光片中捕獲數據，而無(wú)需費時(shí)掃描單個(gè)光片穿過(guò)樣品以獲得3D圖像。來(lái)自單個(gè)光源的光在兩個(gè)反射鏡之間反射以創(chuàng )建多個(gè)光源，而路徑長(cháng)度的差異會(huì )導致光源之間的不連貫性。唯一的代碼，通過(guò)旋轉的掩模版施加在每個(gè)源上，該掩模版在每個(gè)子束上施加不同的調制頻率。然后，一個(gè)柱面透鏡創(chuàng )建一組光片。

6、干涉3D光學(xué)輪廓傳感技術(shù)

白光干涉法是一種經(jīng)過(guò)驗證的超高精度3D表面度量方法；但是，它提供的信息可以增加。2020年新推出的一種干涉3D光學(xué)輪廓儀，它使用傳感器融合技術(shù)，將要繪制區域的彩色圖像與干涉儀的數據相結合，從而提供精確的彩色3D表面輪廓圖。另外，它可以包括來(lái)自其他傳感器的數據以添加更多類(lèi)型的數據。它還具有白光干涉儀、相移干涉儀、真彩色成像的特性。 同時(shí)還增加了色彩增強功能；例如，在導體層的噴墨印刷中，重疊區域表現出在真彩色圖像中容易看到的顏色變化。

7、單分子顯微鏡反饋技術(shù)

單分子顯微鏡可以檢查完整細胞內單個(gè)分子之間的相互作用。但是，這些分子之間的相互作用發(fā)生的規模至少比現有單分子顯微鏡所能分辨的規模小4倍。單分子顯微鏡的定位精度通常在20到30 nm左右，原因是，當我們檢測到該信號時(shí)，顯微鏡實(shí)際上會(huì )移動(dòng)。 某研發(fā)團隊通過(guò)在樣品和載物臺位置之間插入反饋回路以及發(fā)射路徑中的自主光學(xué)反饋回路，并對顯微鏡的EMCCD進(jìn)行特征化和色校正，將穩定性提高到1 nm以上，并將定位精度提高到大約1 nm。

8、Holo-UNet神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)

數字光學(xué)全息圖用于定量相顯微鏡系統中，用于長(cháng)期活細胞成像；在這里，低照度的光用于捕獲亞細胞分辨率的細胞。但是，由于基本噪聲限制，低光照水平往往會(huì )導致質(zhì)量低劣的全息圖出現顆粒狀。某團隊通過(guò)使用稱(chēng)為Holo-UNet的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )規避了這個(gè)問(wèn)題，該網(wǎng)絡(luò )經(jīng)過(guò)數千次學(xué)習循環(huán)訓練，以對全息圖進(jìn)行去噪。 Holo-UNet了解視野中相位對象區域中平行強度條紋的變化，經(jīng)過(guò)訓練后，消除了多余的強度變化和與散粒噪聲有關(guān)的強度變化，從而改善了條紋的可見(jiàn)性。它使用極少的光，在亞毫秒成像速度下幾乎變成深黑色，該設置仍可以將全息圖恢復到接近實(shí)際的狀態(tài)。

9、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )深度學(xué)習技術(shù)

研究人員正在使用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )形式的深度學(xué)習對眼科OCT圖像進(jìn)行分割，以識別眼淚半月板。這是眼瞼存在的液體層?；加懈裳郯Y的患者的半月板幾何形狀異常，可通過(guò)諸如淚液半月板體積、高度或曲率半徑等指標量化觀(guān)察癥狀。此類(lèi)測量需要將淚液彎月面與圖像中的其他區域分開(kāi)。

10、量子集成光源技術(shù)

第一個(gè)有可能實(shí)現大規模CMOS工藝制造的量子光子學(xué)的集成光源。該光源基于聯(lián)運自發(fā)四波混頻（SWFM）開(kāi)發(fā)，其中通過(guò)硅波導傳播的多種模式光會(huì )受到非線(xiàn)性干擾，從而為生成單個(gè)光子創(chuàng )造了理想條件。與標準SWFM相比，聯(lián)運SWFM不會(huì )產(chǎn)生具有強光譜反相關(guān)性的光子。該團隊通過(guò)所謂的先驅Hong-Ou-Mandel實(shí)驗（光學(xué)量子信息處理的基礎），對將此類(lèi)光源用于光子量子計算進(jìn)行了基準測試，并獲得了有史以來(lái)觀(guān)察到的最高質(zhì)量的片上光子量子干擾，達到96%可見(jiàn)度。硅光子器件是通過(guò)CMOS兼容工藝在商業(yè)鑄造廠(chǎng)制造的；結果，可以在單個(gè)設備上輕松集成數千個(gè)源。研究人員計劃在單個(gè)芯片上集成數十到數百個(gè)量子源。

11、基于光子硬件的隨機位發(fā)生器

真正的隨機數生成器對于密碼數據通信至關(guān)重要。雖然可以通過(guò)軟件算法生成所謂的偽隨機數，但是由于數字生成的非隨機基礎，因此可以用足夠的時(shí)間來(lái)解密?chē)@此類(lèi)數字構建的密碼。相反，只有通過(guò)基于真正隨機物理過(guò)程的設置才能生成真正隨機數。世界各地的研究人員現已開(kāi)發(fā)出一種新的基于光子硬件的隨機位發(fā)生器。該設備基于芯片，因此具有可擴展性、堅固性、體積小和節能的特點(diǎn)。新設備超快，大約100 Tbit/s，比以前的物理隨機位發(fā)生器快兩個(gè)數量級。這種簡(jiǎn)單的設備由單個(gè)砷化鎵/砷化鎵鋁激光二極管組成，其配置允許許多時(shí)空干擾激光模式，從而產(chǎn)生自發(fā)的發(fā)射噪聲，以及兩個(gè)光電探測器陣列來(lái)檢測噪聲。

12、百萬(wàn)像素光子計數相機

百萬(wàn)像素光子計數相機，第一款基于采用單光子雪崩二極管的新一代圖像傳感器技術(shù)開(kāi)發(fā)而成。相機像素的間距為9.4 μm，是有史以來(lái)設計的最小的SPAD像素，在保持速度和定時(shí)精度的同時(shí)，每像素功耗小于1μW。新相機以每秒24,000幀（fps）的速率獲取圖像。運用先進(jìn)的集成電路設計技術(shù)在大型像素陣列上快速創(chuàng )建極其均勻分布的電信號的。在百萬(wàn)像素陣列上，快門(mén)速度僅變化了3％。該相機已計劃用于虛擬現實(shí)和激光雷達。

13、CQD光電探測器

中波到長(cháng)波紅外光譜區域對于包括環(huán)境監測、氣體傳感、熱成像、食品和藥品質(zhì)量控制等應用非常重要。但是，現有的MWIR和LWIR檢測器通常復雜且昂貴。硫化鉛（PbS）、膠體量子點(diǎn)（CQD）已成為與CMOS技術(shù)兼容的具有成本競爭力和高性能的光電探測器技術(shù)，但它們以前僅在短波紅外（SWIR）領(lǐng)域證明了成功?，F在，研究人員創(chuàng )建了一種CQD光電探測器，該探測器能夠使用PbS/CQD首次檢測出LWIR中的光，該PbS/CQD首次由無(wú)汞材料制成。器件在5–9 μm范圍內,在80 K時(shí)的響應度約為10-4 A/W。

14、改進(jìn)的IBS工藝技術(shù)

用于多層光學(xué)涂層的薄膜沉積工藝，尤其是離子束濺射（IBS），可能會(huì )在涂層中產(chǎn)生應力，進(jìn)而使下層光學(xué)器件受力，甚至可能使其變形?，F在，研究人員開(kāi)發(fā)了一種改進(jìn)的IBS工藝，該工藝可以使用高能O2沉積殘余應力從490 MPa降低到48 MPa的高質(zhì)量的二氧化硅（SiO2）薄膜。在薄膜沉積過(guò)程中協(xié)助離子轟擊。該結果旨在改善高反射率Ta2O5 / SiO2 多層堆疊制造，特別是用于自適應光學(xué)（AO）波前校正的薄鏡。沉積具有氧化物目標的SiO2膜時(shí)，殘余應力為48 MPa，在1064 nm波長(cháng)處的光吸收小于百萬(wàn)分之20（ppm），有時(shí)可達到小于9 ppm。

15、紅外熱成像技術(shù)

軍事、監視和安全界廣泛使用紅外熱成像技術(shù)來(lái)發(fā)現和表征不良行為。欺騙熱成像并不容易，但是研究人員已經(jīng)創(chuàng )建了一種方法，可以通過(guò)將具有該特征的視覺(jué)對象嵌入對象表面來(lái)實(shí)現這種目的，從而使紅外熱像儀和系統誤以為對象表面是在與他們不同的溫度下。另外，當物體的溫度改變時(shí)，對象表面的表觀(guān)溫度也不會(huì )改變。表面包含由摻雜鎢的二氧化釩薄膜制成的特殊結構，其中鎢的摻雜量在涂層中從前到后變化。二氧化釩是一種物質(zhì)，在某些溫度下可以從抑制電導率的絕緣體到導電的金屬相移。用不同含量的鎢對結構進(jìn)行摻雜會(huì )將相移溫度移至15°- 70°C之間的任何溫度。此外，對象表面的發(fā)射率設計為隨溫度而變化，與T4的倒數（溫度成四次方）成正比，這恰好抵消了黑體輻射對T4的依賴(lài)性。

16、計算機光學(xué)背板

在數據中心中，計算機背板將印刷電路板連接在一起以形成計算機總線(xiàn)。在這里，將背板通信方法從電氣方式轉換為光學(xué)方式可以大大提高數據傳輸速率，從而有助于實(shí)現高性能計算機。研究小組基于使用垂直腔表面發(fā)射激光器的玻璃基板上的光學(xué)聚合物波導，開(kāi)發(fā)了一種高速、大容量、緊湊的光學(xué)背板。在850 nm處發(fā)射以進(jìn)行數據傳輸。背板網(wǎng)絡(luò )通過(guò)八個(gè)并行通道達到了15 Gbyte/s的無(wú)錯誤數據傳輸；在光背板中，可通過(guò)現場(chǎng)可編程門(mén)陣列芯片對通道中的10 Gbit/s進(jìn)行無(wú)錯誤處理。建立了一個(gè)實(shí)驗平臺來(lái)測試背板：通過(guò)光模塊收發(fā)器調制偽隨機比特序列信號；光信號通過(guò)一個(gè)耦合器和1×8平行聚合物波導陣列的四個(gè)端口傳輸，然后通過(guò)另一個(gè)耦合器傳輸到另一個(gè)進(jìn)行光電轉換的收發(fā)器。最后，完成了誤碼率校正。對于四個(gè)通道，誤碼計數均為零。

17、深度殘差神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )相位檢索技術(shù)

對于某些類(lèi)型的成像系統，例如顯微鏡，其中的物體可能是透明的，但會(huì )影響相位，檢測或檢索相位信息可以幫助改善成像過(guò)程。存在相位檢索，即從強度信息中對隱藏的相位信息進(jìn)行計算恢復，但是以其傳統形式比較緩慢，需要密集的計算以檢索任何有用量的相位信息?？茖W(xué)家們開(kāi)發(fā)了一種基于深度殘差神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的相位檢索技術(shù)，該技術(shù)可以快速而準確地提取出通用點(diǎn)擴展函數的隱藏相位。 深度殘差神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )處理該信息并輸出1到6階的Zernike系數（對應于2到28的所謂Noll指數）。該方法可以潛在地擴展為進(jìn)行非類(lèi)Zernike相位信息的相位檢索，并且也可能有助于相位掩模的設計。

18、超快激光放大器

雖然皮秒和飛秒光纖激光器具有許多非凡的質(zhì)量，但是對于最高平均功率的超快光，人們必須轉向大體積固態(tài)激光器。研究人員不僅致力于克服超快激光功率限制，而且還致力于開(kāi)發(fā)從脈沖產(chǎn)生到工藝技術(shù)以及實(shí)際應用的整個(gè)工藝鏈中的技術(shù)。使用InnoSlab技術(shù)（兩個(gè)散熱器之間的矩形晶體，通過(guò)準直激光二極管縱向泵浦），已構建了一種超快放大器，該放大器以500 kHz的頻率發(fā)射能量略大于1 mJ的壓縮脈沖，平均功率為530 W。使用充氣的Herriott型電池，研究人員已證明脈沖持續時(shí)間從590降低到30 fs，而能量損失不到5％。 

19、可打印的有機光電二極管檢測器

印刷半導體組件是一個(gè)相對較年輕的技術(shù)，科學(xué)家們現在已經(jīng)創(chuàng )建了可打印的有機光電二極管檢測器，該檢測器可以看到顏色，對于可見(jiàn)光通信和其他應用都很有用。光電檢測分子由非富勒烯受體（NFA）組成，它們被嵌入透明的聚茚并芴基8-三芳基胺（PIF）聚合物基質(zhì)中。不同的NFA會(huì )產(chǎn)生不同的顏色吸收帶，例如紅色和藍綠色。

20、基于細菌視紫紅質(zhì)的結構化植入物

全世界將近200萬(wàn)人患有色素性視網(wǎng)膜炎，這是一種無(wú)法治愈的退化性疾病，會(huì )損害視網(wǎng)膜中的感光細胞并最終導致失明。研究人員正在開(kāi)發(fā)一種基于細菌視紫紅質(zhì)的結構化植入物，該植入物有可能恢復對感光器造成不可修復損害的患者的高質(zhì)量視力。在該裝置中，單分子厚細菌視紫紅質(zhì)層覆蓋有聚陽(yáng)離子聚合物；沉積幾個(gè)其他相同的細菌視紫紅質(zhì)/聚陽(yáng)離子層以形成完整的植入物。固有的靜電力使分子對準并穩定化，所得的定向多層體系結構具有吸收光并產(chǎn)生足夠的離子梯度以進(jìn)行視網(wǎng)膜刺激所需的光密度。除了模仿棒或圓錐的電光特性外，眼睛的周?chē)h(huán)境還提供了容納循環(huán)細菌視紫紅質(zhì)子泵送機制所必需的質(zhì)子。而且無(wú)需外部電源。