2020年光子学技术成就前20，任意编组，排序不代表技术成就的重要程度。多了解前沿趋势，才更专注。

1、光子带隙空心光纤技术

中空光纤使用诸如光子带隙或反谐振之类的现象将光引导通过空气填充的芯。经过多年的研究，这种光纤的光损耗已大大降低。这种光纤的一大优点是更高的数据传输速度，因为光在空气中的传播比在玻璃中的传播快得多。今年，新推出了一种光子带隙空心光纤，该光纤的市场特别重视高速传输高频要求。 该光纤可以替代微波塔和数据中心之间“最后一英里”连接中的微波传输。与玻璃纤维相比，它的速度优势使数据交换之间的间隔时间缩短了宝贵的毫秒。

2、反谐振空心光纤技术

大功率激光可以通过光纤轻松引导到其应用点。但是，在诸如手术和某些类型的材料加工等中红外应用中使用的现有固核硫属化物玻璃纤维吸收了足够多的光，它们可能会过热，甚至导致损坏。反谐振空心光纤解决了这一问题；纤维的外表面涂有氟化乙烯丙烯（FEP）聚合物，以提高耐用性并保护纤维不受潮。碲酸盐玻璃纤维材料具有高的热稳定性，并且可以在周围空气环境中合成。

3、锥形双包层光纤技术

在超快激光材料加工领域，皮秒和飞秒光纤激光器正在崭露头角。在这些激光器中，有源光纤本身的特性是对较高脉冲能量的限制。传统上，已经增加了光纤直径以实现更高的脉冲能量，但是这些光束质量对光纤的任何弯曲高度敏感。现在，锥形双包层光纤放大器提供了具有出色光束特性的高功率前景。锥形双包层光纤是一种双包层光纤，它是通过光纤拉伸工艺形成的，沿光纤的长度方向逐渐变细。芯和包层都是锥形的。改变光纤参数的结果是一连串纤芯直径不断扩大的光纤放大器，结合了传统的小直径、双包层单模光纤和用于制造的大直径，双包层多模光纤的特性。

4、超分辨率光学波动成像技术

超分辨率光学波动成像技术，是一种新的生物学显微技术，与其他多色荧光技术不同，它促进显微镜不同光谱通道之间的串扰。这样就可以进行统计分析，从而创建其他“虚拟”光谱通道。该软件算法对闪烁的荧光团的时间序列进行高阶时空统计分析，因此不需要分离单个荧光团的发射。看似复杂的技术实际上简化了荧光团的选择和实验。

5、编码光片阵列显微镜技术

光片荧光显微镜照射样品的平面，从而可以对样品的2D截面成像。而编码光片阵列显微镜技术允许同时从多张光片中捕获数据，而无需费时扫描单个光片穿过样品以获得3D图像。来自单个光源的光在两个反射镜之间反射以创建多个光源，而路径长度的差异会导致光源之间的不连贯性。唯一的代码，通过旋转的掩模版施加在每个源上，该掩模版在每个子束上施加不同的调制频率。然后，一个柱面透镜创建一组光片。

6、干涉3D光学轮廓传感技术

白光干涉法是一种经过验证的超高精度3D表面度量方法；但是，它提供的信息可以增加。2020年新推出的一种干涉3D光学轮廓仪，它使用传感器融合技术，将要绘制区域的彩色图像与干涉仪的数据相结合，从而提供精确的彩色3D表面轮廓图。另外，它可以包括来自其他传感器的数据以添加更多类型的数据。它还具有白光干涉仪、相移干涉仪、真彩色成像的特性。 同时还增加了色彩增强功能；例如，在导体层的喷墨印刷中，重叠区域表现出在真彩色图像中容易看到的颜色变化。

7、单分子显微镜反馈技术

单分子显微镜可以检查完整细胞内单个分子之间的相互作用。但是，这些分子之间的相互作用发生的规模至少比现有单分子显微镜所能分辨的规模小4倍。单分子显微镜的定位精度通常在20到30 nm左右，原因是，当我们检测到该信号时，显微镜实际上会移动。 某研发团队通过在样品和载物台位置之间插入反馈回路以及发射路径中的自主光学反馈回路，并对显微镜的EMCCD进行特征化和色校正，将稳定性提高到1 nm以上，并将定位精度提高到大约1 nm。

8、Holo-UNet神经网络技术

数字光学全息图用于定量相显微镜系统中，用于长期活细胞成像；在这里，低照度的光用于捕获亚细胞分辨率的细胞。但是，由于基本噪声限制，低光照水平往往会导致质量低劣的全息图出现颗粒状。某团队通过使用称为Holo-UNet的神经网络规避了这个问题，该网络经过数千次学习循环训练，以对全息图进行去噪。 Holo-UNet了解视野中相位对象区域中平行强度条纹的变化，经过训练后，消除了多余的强度变化和与散粒噪声有关的强度变化，从而改善了条纹的可见性。它使用极少的光，在亚毫秒成像速度下几乎变成深黑色，该设置仍可以将全息图恢复到接近实际的状态。

9、卷积神经网络深度学习技术

研究人员正在使用卷积神经网络形式的深度学习对眼科OCT图像进行分割，以识别眼泪半月板。这是眼睑存在的液体层。患有干眼症的患者的半月板几何形状异常，可通过诸如泪液半月板体积、高度或曲率半径等指标量化观察症状。此类测量需要将泪液弯月面与图像中的其他区域分开。

10、量子集成光源技术

第一个有可能实现大规模CMOS工艺制造的量子光子学的集成光源。该光源基于联运自发四波混频（SWFM）开发，其中通过硅波导传播的多种模式光会受到非线性干扰，从而为生成单个光子创造了理想条件。与标准SWFM相比，联运SWFM不会产生具有强光谱反相关性的光子。该团队通过所谓的先驱Hong-Ou-Mandel实验（光学量子信息处理的基础），对将此类光源用于光子量子计算进行了基准测试，并获得了有史以来观察到的最高质量的片上光子量子干扰，达到96%可见度。硅光子器件是通过CMOS兼容工艺在商业铸造厂制造的；结果，可以在单个设备上轻松集成数千个源。研究人员计划在单个芯片上集成数十到数百个量子源。

11、基于光子硬件的随机位发生器

真正的随机数生成器对于密码数据通信至关重要。虽然可以通过软件算法生成所谓的伪随机数，但是由于数字生成的非随机基础，因此可以用足够的时间来解密围绕此类数字构建的密码。相反，只有通过基于真正随机物理过程的设置才能生成真正随机数。世界各地的研究人员现已开发出一种新的基于光子硬件的随机位发生器。该设备基于芯片，因此具有可扩展性、坚固性、体积小和节能的特点。新设备超快，大约100 Tbit/s，比以前的物理随机位发生器快两个数量级。这种简单的设备由单个砷化镓/砷化镓铝激光二极管组成，其配置允许许多时空干扰激光模式，从而产生自发的发射噪声，以及两个光电探测器阵列来检测噪声。

12、百万像素光子计数相机

百万像素光子计数相机，第一款基于采用单光子雪崩二极管的新一代图像传感器技术开发而成。相机像素的间距为9.4 µm，是有史以来设计的最小的SPAD像素，在保持速度和定时精度的同时，每像素功耗小于1μW。新相机以每秒24,000帧（fps）的速率获取图像。运用先进的集成电路设计技术在大型像素阵列上快速创建极其均匀分布的电信号的。在百万像素阵列上，快门速度仅变化了3％。该相机已计划用于虚拟现实和激光雷达。

13、CQD光电探测器

中波到长波红外光谱区域对于包括环境监测、气体传感、热成像、食品和药品质量控制等应用非常重要。但是，现有的MWIR和LWIR检测器通常复杂且昂贵。硫化铅（PbS）、胶体量子点（CQD）已成为与CMOS技术兼容的具有成本竞争力和高性能的光电探测器技术，但它们以前仅在短波红外（SWIR）领域证明了成功。现在，研究人员创建了一种CQD光电探测器，该探测器能够使用PbS/CQD首次检测出LWIR中的光，该PbS/CQD首次由无汞材料制成。器件在5–9 µm范围内,在80 K时的响应度约为10-4 A/W。

14、改进的IBS工艺技术

用于多层光学涂层的薄膜沉积工艺，尤其是离子束溅射（IBS），可能会在涂层中产生应力，进而使下层光学器件受力，甚至可能使其变形。现在，研究人员开发了一种改进的IBS工艺，该工艺可以使用高能O2沉积残余应力从490 MPa降低到48 MPa的高质量的二氧化硅（SiO2）薄膜。在薄膜沉积过程中协助离子轰击。该结果旨在改善高反射率Ta2O5 / SiO2 多层堆叠制造，特别是用于自适应光学（AO）波前校正的薄镜。沉积具有氧化物目标的SiO2膜时，残余应力为48 MPa，在1064 nm波长处的光吸收小于百万分之20（ppm），有时可达到小于9 ppm。

15、红外热成像技术

军事、监视和安全界广泛使用红外热成像技术来发现和表征不良行为。欺骗热成像并不容易，但是研究人员已经创建了一种方法，可以通过将具有该特征的视觉对象嵌入对象表面来实现这种目的，从而使红外热像仪和系统误以为对象表面是在与他们不同的温度下。另外，当物体的温度改变时，对象表面的表观温度也不会改变。表面包含由掺杂钨的二氧化钒薄膜制成的特殊结构，其中钨的掺杂量在涂层中从前到后变化。二氧化钒是一种物质，在某些温度下可以从抑制电导率的绝缘体到导电的金属相移。用不同含量的钨对结构进行掺杂会将相移温度移至15°- 70°C之间的任何温度。此外，对象表面的发射率设计为随温度而变化，与T4的倒数（温度成四次方）成正比，这恰好抵消了黑体辐射对T4的依赖性。

16、计算机光学背板

在数据中心中，计算机背板将印刷电路板连接在一起以形成计算机总线。在这里，将背板通信方法从电气方式转换为光学方式可以大大提高数据传输速率，从而有助于实现高性能计算机。研究小组基于使用垂直腔表面发射激光器的玻璃基板上的光学聚合物波导，开发了一种高速、大容量、紧凑的光学背板。在850 nm处发射以进行数据传输。背板网络通过八个并行通道达到了15 Gbyte/s的无错误数据传输；在光背板中，可通过现场可编程门阵列芯片对通道中的10 Gbit/s进行无错误处理。建立了一个实验平台来测试背板：通过光模块收发器调制伪随机比特序列信号；光信号通过一个耦合器和1×8平行聚合物波导阵列的四个端口传输，然后通过另一个耦合器传输到另一个进行光电转换的收发器。最后，完成了误码率校正。对于四个通道，误码计数均为零。

17、深度残差神经网络相位检索技术

对于某些类型的成像系统，例如显微镜，其中的物体可能是透明的，但会影响相位，检测或检索相位信息可以帮助改善成像过程。存在相位检索，即从强度信息中对隐藏的相位信息进行计算恢复，但是以其传统形式比较缓慢，需要密集的计算以检索任何有用量的相位信息。科学家们开发了一种基于深度残差神经网络的相位检索技术，该技术可以快速而准确地提取出通用点扩展函数的隐藏相位。 深度残差神经网络处理该信息并输出1到6阶的Zernike系数（对应于2到28的所谓Noll指数）。该方法可以潜在地扩展为进行非类Zernike相位信息的相位检索，并且也可能有助于相位掩模的设计。

18、超快激光放大器

虽然皮秒和飞秒光纤激光器具有许多非凡的质量，但是对于最高平均功率的超快光，人们必须转向大体积固态激光器。研究人员不仅致力于克服超快激光功率限制，而且还致力于开发从脉冲产生到工艺技术以及实际应用的整个工艺链中的技术。使用InnoSlab技术（两个散热器之间的矩形晶体，通过准直激光二极管纵向泵浦），已构建了一种超快放大器，该放大器以500 kHz的频率发射能量略大于1 mJ的压缩脉冲，平均功率为530 W。使用充气的Herriott型电池，研究人员已证明脉冲持续时间从590降低到30 fs，而能量损失不到5％。 

19、可打印的有机光电二极管检测器

印刷半导体组件是一个相对较年轻的技术，科学家们现在已经创建了可打印的有机光电二极管检测器，该检测器可以看到颜色，对于可见光通信和其他应用都很有用。光电检测分子由非富勒烯受体（NFA）组成，它们被嵌入透明的聚茚并芴基8-三芳基胺（PIF）聚合物基质中。不同的NFA会产生不同的颜色吸收带，例如红色和蓝绿色。

20、基于细菌视紫红质的结构化植入物

全世界将近200万人患有色素性视网膜炎，这是一种无法治愈的退化性疾病，会损害视网膜中的感光细胞并最终导致失明。研究人员正在开发一种基于细菌视紫红质的结构化植入物，该植入物有可能恢复对感光器造成不可修复损害的患者的高质量视力。在该装置中，单分子厚细菌视紫红质层覆盖有聚阳离子聚合物；沉积几个其他相同的细菌视紫红质/聚阳离子层以形成完整的植入物。固有的静电力使分子对准并稳定化，所得的定向多层体系结构具有吸收光并产生足够的离子梯度以进行视网膜刺激所需的光密度。除了模仿棒或圆锥的电光特性外，眼睛的周围环境还提供了容纳循环细菌视紫红质子泵送机制所必需的质子。而且无需外部电源。