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(shì)，才更專注。
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的現(xiàn)象將光引導(dǎo)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(shù)據(jù)傳輸速度，因?yàn)楣庠诳諝庵械膫鞑ケ仍诓Ａе械膫鞑タ斓枚唷＝衲辏峦瞥隽艘环N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(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(shì)使數(shù)據(jù)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(dǎo)到其應(yīng)用點(diǎn)。但是，在諸如手術(shù)和某些類型的材料加工等中紅外應(yīng)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(huì)過(guò)熱，甚至導(dǎo)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(hù)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(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(duì)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(shí)現(xiàn)更高的脈沖能量，但是這些光束質(zhì)量對(duì)光纖的任何彎曲高度敏感。現(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(guò)光纖拉伸工藝形成的，沿光纖的長(zhǎng)度方向逐漸變細(xì)。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(kuò)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(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?dāng)_。這樣就可以進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，從而創(chuàng)建其他“虛擬”光譜通道。該軟件算法對(duì)閃爍的熒光團(tuán)的時(shí)間序列進(jìn)行高階時(shí)空統(tǒng)計(jì)分析，因此不需要分離單個(gè)熒光團(tuán)的發(fā)射。看似復(fù)雜的技術(shù)實(shí)際上簡(jiǎn)化了熒光團(tuán)的選擇和實(shí)驗(yàn)。
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(duì)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(shù)據(jù)，而無(wú)需費(fèi)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(zhǎng)度的差異會(huì)導(dǎo)致光源之間的不連貫性。唯一的代碼，通過(guò)旋轉(zhuǎn)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(diào)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(yàn)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(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(lái)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(shí)還增加了色彩增強(qiáng)功能；例如，在導(dǎo)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(shù)
單分子顯微鏡可以檢查完整細(xì)胞內(nèi)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(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(dāng)我們檢測(cè)到該信號(hào)時(shí)，顯微鏡實(shí)際上會(huì)移動(dòng)。 某研發(fā)團(tuán)隊(duì)通過(guò)在樣品和載物臺(tái)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(duì)顯微鏡的EMCCD進(jìn)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(luò)技術(shù)
數(shù)字光學(xué)全息圖用于定量相顯微鏡系統(tǒng)中，用于長(zhǎng)期活細(xì)胞成像；在這里，低照度的光用于捕獲亞細(xì)胞分辨率的細(xì)胞。但是，由于基本噪聲限制，低光照水平往往會(huì)導(dǎo)致質(zhì)量低劣的全息圖出現(xiàn)顆粒狀。某團(tuán)隊(duì)通過(guò)使用稱為Holo-UNet的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)避了這個(gè)問(wèn)題，該網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過(guò)數(shù)千次學(xué)習(xí)循環(huán)訓(xùn)練，以對(duì)全息圖進(jìn)行去噪。 Holo-UNet了解視野中相位對(duì)象區(qū)域中平行強(qiáng)度條紋的變化，經(jīng)過(guò)訓(xùn)練后，消除了多余的強(qiáng)度變化和與散粒噪聲有關(guān)的強(qiáng)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(shè)置仍可以將全息圖恢復(fù)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(xí)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(xí)對(duì)眼科OCT圖像進(jìn)行分割，以識(shí)別眼淚半月板。這是眼瞼存在的液體層。患有干眼癥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(biāo)量化觀察癥狀。此類測(cè)量需要將淚液彎月面與圖像中的其他區(qū)域分開(kāi)。
10、量子集成光源技術(shù)
第一個(gè)有可能實(shí)現(xiàn)大規(guī)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(yùn)自發(fā)四波混頻（SWFM）開(kāi)發(fā)，其中通過(guò)硅波導(dǎo)傳播的多種模式光會(huì)受到非線性干擾，從而為生成單個(gè)光子創(chuàng)造了理想條件。與標(biāo)準(zhǔn)SWFM相比，聯(lián)運(yùn)SWFM不會(huì)產(chǎn)生具有強(qiáng)光譜反相關(guān)性的光子。該團(tuán)隊(duì)通過(guò)所謂的先驅(qū)Hong-Ou-Mandel實(shí)驗(yàn)（光學(xué)量子信息處理的基礎(chǔ)），對(duì)將此類光源用于光子量子計(jì)算進(jìn)行了基準(zhǔn)測(cè)試，并獲得了有史以來(lái)觀察到的最高質(zhì)量的片上光子量子干擾，達(dá)到96%可見(jiàn)度。硅光子器件是通過(guò)CMOS兼容工藝在商業(yè)鑄造廠制造的；結(jié)果，可以在單個(gè)設(shè)備上輕松集成數(shù)千個(gè)源。研究人員計(jì)劃在單個(gè)芯片上集成數(shù)十到數(shù)百個(gè)量子源。
11、基于光子硬件的隨機(jī)位發(fā)生器
真正的隨機(jī)數(shù)生成器對(duì)于密碼數(shù)據(jù)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(jī)數(shù)，但是由于數(shù)字生成的非隨機(jī)基礎(chǔ)，因此可以用足夠的時(shí)間來(lái)解密圍繞此類數(shù)字構(gòu)建的密碼。相反，只有通過(guò)基于真正隨機(jī)物理過(guò)程的設(shè)置才能生成真正隨機(jī)數(shù)。世界各地的研究人員現(xiàn)已開(kāi)發(fā)出一種新的基于光子硬件的隨機(jī)位發(fā)生器。該設(shè)備基于芯片，因此具有可擴(kuò)展性、堅(jiān)固性、體積小和節(jié)能的特點(diǎn)。新設(shè)備超快，大約100 Tbit/s，比以前的物理隨機(jī)位發(fā)生器快兩個(gè)數(shù)量級(jí)。這種簡(jiǎn)單的設(shè)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(cè)器陣列來(lái)檢測(cè)噪聲。
12、百萬(wàn)像素光子計(jì)數(shù)相機(jī)
百萬(wàn)像素光子計(jì)數(shù)相機(jī)，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(jī)像素的間距為9.4 μm，是有史以來(lái)設(shè)計(jì)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(jī)以每秒24,000幀（fps）的速率獲取圖像。運(yùn)用先進(jìn)的集成電路設(shè)計(jì)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(hào)的。在百萬(wàn)像素陣列上，快門速度僅變化了3％。該相機(jī)已計(jì)劃用于虛擬現(xiàn)實(shí)和激光雷達(dá)。
13、CQD光電探測(cè)器
中波到長(zhǎng)波紅外光譜區(qū)域?qū)τ诎ōh(huán)境監(jiān)測(cè)、氣體傳感、熱成像、食品和藥品質(zhì)量控制等應(yīng)用非常重要。但是，現(xiàn)有的MWIR和LWIR檢測(cè)器通常復(fù)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(jìng)爭(zhēng)力和高性能的光電探測(cè)器技術(shù)，但它們以前僅在短波紅外（SWIR）領(lǐng)域證明了成功。現(xiàn)在，研究人員創(chuàng)建了一種CQD光電探測(cè)器，該探測(cè)器能夠使用PbS/CQD首次檢測(cè)出LWIR中的光，該P(yáng)bS/CQD首次由無(wú)汞材料制成。器件在5–9 μm范圍內(nèi),在80 K時(shí)的響應(yīng)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(yīng)力，進(jìn)而使下層光學(xué)器件受力，甚至可能使其變形。現(xiàn)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(yīng)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(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(yīng)光學(xué)（AO）波前校正的薄鏡。沉積具有氧化物目標(biāo)的SiO2膜時(shí)，殘余應(yīng)力為48 MPa，在1064 nm波長(zhǎng)處的光吸收小于百萬(wàn)分之20（ppm），有時(shí)可達(dá)到小于9 ppm。
15、紅外熱成像技術(shù)
軍事、監(jiān)視和安全界廣泛使用紅外熱成像技術(shù)來(lái)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(guò)將具有該特征的視覺(jué)對(duì)象嵌入對(duì)象表面來(lái)實(shí)現(xiàn)這種目的，從而使紅外熱像儀和系統(tǒng)誤以為對(duì)象表面是在與他們不同的溫度下。另外，當(dāng)物體的溫度改變時(shí)，對(duì)象表面的表觀溫度也不會(huì)改變。表面包含由摻雜鎢的二氧化釩薄膜制成的特殊結(jié)構(gòu)，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(dǎo)率的絕緣體到導(dǎo)電的金屬相移。用不同含量的鎢對(duì)結(jié)構(gòu)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(duì)象表面的發(fā)射率設(shè)計(jì)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(duì)T4的依賴性。
16、計(jì)算機(jī)光學(xué)背板
在數(shù)據(jù)中心中，計(jì)算機(jī)背板將印刷電路板連接在一起以形成計(jì)算機(jī)總線。在這里，將背板通信方法從電氣方式轉(zhuǎn)換為光學(xué)方式可以大大提高數(shù)據(jù)傳輸速率，從而有助于實(shí)現(xiàn)高性能計(jì)算機(jī)。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(dǎo)，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(shù)據(jù)傳輸。背板網(wǎng)絡(luò)通過(guò)八個(gè)并行通道達(dá)到了15 Gbyte/s的無(wú)錯(cuò)誤數(shù)據(jù)傳輸；在光背板中，可通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列芯片對(duì)通道中的10 Gbit/s進(jìn)行無(wú)錯(cuò)誤處理。建立了一個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)來(lái)測(cè)試背板：通過(guò)光模塊收發(fā)器調(diào)制偽隨機(jī)比特序列信號(hào)；光信號(hào)通過(guò)一個(gè)耦合器和1×8平行聚合物波導(dǎo)陣列的四個(gè)端口傳輸，然后通過(guò)另一個(gè)耦合器傳輸?shù)搅硪粋€(gè)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的收發(fā)器。最后，完成了誤碼率校正。對(duì)于四個(gè)通道，誤碼計(jì)數(shù)均為零。
17、深度殘差神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相位檢索技術(shù)
對(duì)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(huì)影響相位，檢測(cè)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(qiáng)度信息中對(duì)隱藏的相位信息進(jìn)行計(jì)算恢復(fù)，但是以其傳統(tǒng)形式比較緩慢，需要密集的計(jì)算以檢索任何有用量的相位信息。科學(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(zhǔn)確地提取出通用點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)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(shù)（對(duì)應(yīng)于2到28的所謂Noll指數(shù)）。該方法可以潛在地?cái)U(kuò)展為進(jìn)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(shè)計(jì)。
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(duì)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(kāi)發(fā)從脈沖產(chǎn)生到工藝技術(shù)以及實(shí)際應(yīng)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(zhǔn)直激光二極管縱向泵浦），已構(gòu)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(shí)間從590降低到30 fs，而能量損失不到5％。
19、可打印的有機(jī)光電二極管檢測(cè)器
印刷半導(dǎo)體組件是一個(gè)相對(duì)較年輕的技術(shù)，科學(xué)家們現(xiàn)在已經(jīng)創(chuàng)建了可打印的有機(jī)光電二極管檢測(cè)器，該檢測(cè)器可以看到顏色，對(duì)于可見(jiàn)光通信和其他應(yīng)用都很有用。光電檢測(cè)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(lán)綠色。
20、基于細(xì)菌視紫紅質(zhì)的結(jié)構(gòu)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(xì)胞并最終導(dǎo)致失明。研究人員正在開(kāi)發(fā)一種基于細(xì)菌視紫紅質(zhì)的結(jié)構(gòu)化植入物，該植入物有可能恢復(fù)對(duì)感光器造成不可修復(fù)損害的患者的高質(zhì)量視力。在該裝置中，單分子厚細(xì)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(xì)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(duì)準(zhǔn)并穩(wěn)定化，所得的定向多層體系結(jié)構(gòu)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，眼睛的周圍環(huán)境還提供了容納循環(huán)細(xì)菌視紫紅質(zhì)子泵送機(jī)制所必需的質(zhì)子。而且無(wú)需外部電源。
