2020年光子學技術成就前20，任意編組，排序不代表技術成就的重要程度。多了解前沿趨勢，才更專注。
1、光子帶隙空心光纖技術
中空光纖使用諸如光子帶隙或反諧振之類的現(xiàn)象將光引導通過空氣填充的芯。經(jīng)過多年的研究，這種光纖的光損耗已大大降低。這種光纖的一大優(yōu)點是更高的數(shù)據(jù)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，該光纖的市場特別重視高速傳輸高頻要求。 該光纖可以替代微波塔和數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)交換之間的間隔時間縮短了寶貴的毫秒。
2、反諧振空心光纖技術
大功率激光可以通過光纖輕松引導到其應用點。但是，在諸如手術和某些類型的材料加工等中紅外應用中使用的現(xiàn)有固核硫?qū)倩锊ＡЮw維吸收了足夠多的光，它們可能會過熱，甚至導致?lián)p壞。反諧振空心光纖解決了這一問題；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(wěn)定性，并且可以在周圍空氣環(huán)境中合成。
3、錐形雙包層光纖技術
在超快激光材料加工領域，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(tǒng)上，已經(jīng)增加了光纖直徑以實現(xiàn)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(xiàn)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，它是通過光纖拉伸工藝形成的，沿光纖的長度方向逐漸變細。芯和包層都是錐形的。改變光纖參數(shù)的結(jié)果是一連串纖芯直徑不斷擴大的光纖放大器，結(jié)合了傳統(tǒng)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、超分辨率光學波動成像技術
超分辨率光學波動成像技術，是一種新的生物學顯微技術，與其他多色熒光技術不同，它促進顯微鏡不同光譜通道之間的串擾。這樣就可以進行統(tǒng)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間序列進行高階時空統(tǒng)計分析，因此不需要分離單個熒光團的發(fā)射?？此茝碗s的技術實際上簡化了熒光團的選擇和實驗。
5、編碼光片陣列顯微鏡技術
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允許同時從多張光片中捕獲數(shù)據(jù)，而無需費時掃描單個光片穿過樣品以獲得3D圖像。來自單個光源的光在兩個反射鏡之間反射以創(chuàng)建多個光源，而路徑長度的差異會導致光源之間的不連貫性。唯一的代碼，通過旋轉(zhuǎn)的掩模版施加在每個源上，該掩模版在每個子束上施加不同的調(diào)制頻率。然后，一個柱面透鏡創(chuàng)建一組光片。
6、干涉3D光學輪廓傳感技術
白光干涉法是一種經(jīng)過驗證的超高精度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光學輪廓儀，它使用傳感器融合技術，將要繪制區(qū)域的彩色圖像與干涉儀的數(shù)據(jù)相結(jié)合，從而提供精確的彩色3D表面輪廓圖。另外，它可以包括來自其他傳感器的數(shù)據(jù)以添加更多類型的數(shù)據(jù)。它還具有白光干涉儀、相移干涉儀、真彩色成像的特性。 同時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(qū)域表現(xiàn)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
單分子顯微鏡可以檢查完整細胞內(nèi)單個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(guī)模至少比現(xiàn)有單分子顯微鏡所能分辨的規(guī)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，顯微鏡實際上會移動。 某研發(fā)團隊通過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反饋回路，并對顯微鏡的EMCCD進行特征化和色校正，將穩(wěn)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)絡技術
數(shù)字光學全息圖用于定量相顯微鏡系統(tǒng)中，用于長期活細胞成像；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，低光照水平往往會導致質(zhì)量低劣的全息圖出現(xiàn)顆粒狀。某團隊通過使用稱為Holo-UNet的神經(jīng)網(wǎng)絡規(guī)避了這個問題，該網(wǎng)絡經(jīng)過數(shù)千次學習循環(huán)訓練，以對全息圖進行去噪。 Holo-UNet了解視野中相位對象區(qū)域中平行強度條紋的變化，經(jīng)過訓練后，消除了多余的強度變化和與散粒噪聲有關的強度變化，從而改善了條紋的可見性。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際的狀態(tài)。
9、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡深度學習技術
研究人員正在使用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡形式的深度學習對眼科OCT圖像進行分割，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，可通過諸如淚液半月板體積、高度或曲率半徑等指標量化觀察癥狀。此類測量需要將淚液彎月面與圖像中的其他區(qū)域分開。
10、量子集成光源技術
第一個有可能實現(xiàn)大規(guī)模CMOS工藝制造的量子光子學的集成光源。該光源基于聯(lián)運自發(fā)四波混頻（SWFM）開發(fā)，其中通過硅波導傳播的多種模式光會受到非線性干擾，從而為生成單個光子創(chuàng)造了理想條件。與標準SWFM相比，聯(lián)運SWFM不會產(chǎn)生具有強光譜反相關性的光子。該團隊通過所謂的先驅(qū)Hong-Ou-Mandel實驗（光學量子信息處理的基礎），對將此類光源用于光子量子計算進行了基準測試，并獲得了有史以來觀察到的最高質(zhì)量的片上光子量子干擾，達到96%可見度。硅光子器件是通過CMOS兼容工藝在商業(yè)鑄造廠制造的；結(jié)果，可以在單個設備上輕松集成數(shù)千個源。研究人員計劃在單個芯片上集成數(shù)十到數(shù)百個量子源。
11、基于光子硬件的隨機位發(fā)生器
真正的隨機數(shù)生成器對于密碼數(shù)據(jù)通信至關重要。雖然可以通過軟件算法生成所謂的偽隨機數(shù)，但是由于數(shù)字生成的非隨機基礎，因此可以用足夠的時間來解密圍繞此類數(shù)字構建的密碼。相反，只有通過基于真正隨機物理過程的設置才能生成真正隨機數(shù)。世界各地的研究人員現(xiàn)已開發(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(jié)能的特點。新設備超快，大約100 Tbit/s，比以前的物理隨機位發(fā)生器快兩個數(shù)量級。這種簡單的設備由單個砷化鎵/砷化鎵鋁激光二極管組成，其配置允許許多時空干擾激光模式，從而產(chǎn)生自發(fā)的發(fā)射噪聲，以及兩個光電探測器陣列來檢測噪聲。
12、百萬像素光子計數(shù)相機
百萬像素光子計數(shù)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開發(fā)而成。相機像素的間距為9.4 μm，是有史以來設計的最小的SPAD像素，在保持速度和定時精度的同時，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。運用先進的集成電路設計技術在大型像素陣列上快速創(chuàng)建極其均勻分布的電信號的。在百萬像素陣列上，快門速度僅變化了3％。該相機已計劃用于虛擬現(xiàn)實和激光雷達。
13、CQD光電探測器
中波到長波紅外光譜區(qū)域?qū)τ诎ōh(huán)境監(jiān)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(xiàn)有的MWIR和LWIR檢測器通常復雜且昂貴。硫化鉛（PbS）、膠體量子點（CQD）已成為與CMOS技術兼容的具有成本競爭力和高性能的光電探測器技術，但它們以前僅在短波紅外（SWIR）領域證明了成功?，F(xiàn)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首次由無汞材料制成。器件在5–9 μm范圍內(nèi),在80 K時的響應度約為10-4 A/W。
14、改進的IBS工藝技術
用于多層光學涂層的薄膜沉積工藝，尤其是離子束濺射（IBS），可能會在涂層中產(chǎn)生應力，進而使下層光學器件受力，甚至可能使其變形?，F(xiàn)在，研究人員開發(fā)了一種改進的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。在薄膜沉積過程中協(xié)助離子轟擊。該結(jié)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（AO）波前校正的薄鏡。沉積具有氧化物目標的SiO2膜時，殘余應力為48 MPa，在1064 nm波長處的光吸收小于百萬分之20（ppm），有時可達到小于9 ppm。
15、紅外熱成像技術
軍事、監(jiān)視和安全界廣泛使用紅外熱成像技術來發(fā)現(xiàn)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，可以通過將具有該特征的視覺對象嵌入對象表面來實現(xiàn)這種目的，從而使紅外熱像儀和系統(tǒng)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，對象表面的表觀溫度也不會改變。表面包含由摻雜鎢的二氧化釩薄膜制成的特殊結(jié)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(jié)構進行摻雜會將相移溫度移至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(shù)（溫度成四次方）成正比，這恰好抵消了黑體輻射對T4的依賴性。
16、計算機光學背板
在數(shù)據(jù)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。在這里，將背板通信方法從電氣方式轉(zhuǎn)換為光學方式可以大大提高數(shù)據(jù)傳輸速率，從而有助于實現(xiàn)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聚合物波導，開發(fā)了一種高速、大容量、緊湊的光學背板。在850 nm處發(fā)射以進行數(shù)據(jù)傳輸。背板網(wǎng)絡通過八個并行通道達到了15 Gbyte/s的無錯誤數(shù)據(jù)傳輸；在光背板中，可通過現(xiàn)場可編程門陣列芯片對通道中的10 Gbit/s進行無錯誤處理。建立了一個實驗平臺來測試背板：通過光模塊收發(fā)器調(diào)制偽隨機比特序列信號；光信號通過一個耦合器和1×8平行聚合物波導陣列的四個端口傳輸，然后通過另一個耦合器傳輸?shù)搅硪粋€進行光電轉(zhuǎn)換的收發(fā)器。最后，完成了誤碼率校正。對于四個通道，誤碼計數(shù)均為零。
17、深度殘差神經(jīng)網(wǎng)絡相位檢索技術
對于某些類型的成像系統(tǒng)，例如顯微鏡，其中的物體可能是透明的，但會影響相位，檢測或檢索相位信息可以幫助改善成像過程。存在相位檢索，即從強度信息中對隱藏的相位信息進行計算恢復，但是以其傳統(tǒng)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家們開發(fā)了一種基于深度殘差神經(jīng)網(wǎng)絡的相位檢索技術，該技術可以快速而準確地提取出通用點擴展函數(shù)的隱藏相位。 深度殘差神經(jīng)網(wǎng)絡處理該信息并輸出1到6階的Zernike系數(shù)（對應于2到28的所謂Noll指數(shù)）。該方法可以潛在地擴展為進行非類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(zhuǎn)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，而且還致力于開發(fā)從脈沖產(chǎn)生到工藝技術以及實際應用的整個工藝鏈中的技術。使用InnoSlab技術（兩個散熱器之間的矩形晶體，通過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(xù)時間從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相對較年輕的技術，科學家們現(xiàn)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(jié)構化植入物
全世界將近200萬人患有色素性視網(wǎng)膜炎，這是一種無法治愈的退化性疾病，會損害視網(wǎng)膜中的感光細胞并最終導致失明。研究人員正在開發(fā)一種基于細菌視紫紅質(zhì)的結(jié)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)層覆蓋有聚陽離子聚合物；沉積幾個其他相同的細菌視紫紅質(zhì)/聚陽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(wěn)定化，所得的定向多層體系結(jié)構具有吸收光并產(chǎn)生足夠的離子梯度以進行視網(wǎng)膜刺激所需的光密度。除了模仿棒或圓錐的電光特性外，眼睛的周圍環(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。而且無需外部電源。
