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象將光引導通過空氣填充的芯。經過多年的研究，這種光纖的光損耗已大大降低。這種光纖的一大優點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，它的速度優勢使數據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有固核硫屬化物玻璃纖維吸收了足夠多的光，它們可能會過熱，甚至導致損壞。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定性，并且可以在周圍空氣環境中合成。
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。傳統上，已經增加了光纖直徑以實現更高的脈沖能量，但是這些光束質量對光纖的任何彎曲高度敏感。現在，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。這樣就可以進行統計分析，從而創建其他“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計分析，因此不需要分離單個熒光團的發射。看似復雜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據，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制頻率。然后，一個柱面透鏡創建一組光片。
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，它可以包括來自其他傳感器的數據以添加更多類型的數據。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
單分子顯微鏡可以檢查完整細胞內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，顯微鏡實際上會移動。 某研發團隊通過在樣品和載物臺位置之間插入反饋回路以及發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神經網絡技術
數字光學全息圖用于定量相顯微鏡系統中，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量低劣的全息圖出現顆粒狀。某團隊通過使用稱為Holo-UNet的神經網絡規避了這個問題，該網絡經過數千次學習循環訓練，以對全息圖進行去噪。 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。
9、卷積神經網絡深度學習技術
研究人員正在使用卷積神經網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。患有干眼癥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域分開。
10、量子集成光源技術
第一個有可能實現大規模CMOS工藝制造的量子光子學的集成光源。該光源基于聯運自發四波混頻（SWFM）開發，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造了理想條件。與標準SWFM相比，聯運SWFM不會產生具有強光譜反相關性的光子。該團隊通過所謂的先驅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兼容工藝在商業鑄造廠制造的；結果，可以在單個設備上輕松集成數千個源。研究人員計劃在單個芯片上集成數十到數百個量子源。
11、基于光子硬件的隨機位發生器
真正的隨機數生成器對于密碼數據通信至關重要。雖然可以通過軟件算法生成所謂的偽隨機數，但是由于數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。世界各地的研究人員現已開發出一種新的基于光子硬件的隨機位發生器。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。新設備超快，大約100 Tbit/s，比以前的物理隨機位發生器快兩個數量級。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，從而產生自發的發射噪聲，以及兩個光電探測器陣列來檢測噪聲。
12、百萬像素光子計數相機
百萬像素光子計數相機，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開發而成。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實和激光雷達。
13、CQD光電探測器
中波到長波紅外光譜區域對于包括環境監測、氣體傳感、熱成像、食品和藥品質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（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。現在，研究人員創建了一種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,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），可能會在涂層中產生應力，進而使下層光學器件受力，甚至可能使其變形。現在，研究人員開發了一種改進的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的高質量的二氧化硅（SiO2）薄膜。在薄膜沉積過程中協助離子轟擊。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（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、監視和安全界廣泛使用紅外熱成像技術來發現和表征不良行為。欺騙熱成像并不容易，但是研究人員已經創建了一種方法，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，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，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的依賴性。
16、計算機光學背板
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。在這里，將背板通信方法從電氣方式轉換為光學方式可以大大提高數據傳輸速率，從而有助于實現高性能計算機。研究小組基于使用垂直腔表面發射激光器的玻璃基板上的光學聚合物波導，開發了一種高速、大容量、緊湊的光學背板。在850 nm處發射以進行數據傳輸。背板網絡通過八個并行通道達到了15 Gbyte/s的無錯誤數據傳輸；在光背板中，可通過現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：通過光模塊收發器調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到另一個進行光電轉換的收發器。最后，完成了誤碼率校正。對于四個通道，誤碼計數均為零。
17、深度殘差神經網絡相位檢索技術
對于某些類型的成像系統，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。科學家們開發了一種基于深度殘差神經網絡的相位檢索技術，該技術可以快速而準確地提取出通用點擴展函數的隱藏相位。 深度殘差神經網絡處理該信息并輸出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，而且還致力于開發從脈沖產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，科學家們現在已經創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）聚合物基質中。不同的NFA會產生不同的顏色吸收帶，例如紅色和藍綠色。
20、基于細菌視紫紅質的結構化植入物
全世界將近200萬人患有色素性視網膜炎，這是一種無法治愈的退化性疾病，會損害視網膜中的感光細胞并最終導致失明。研究人員正在開發一種基于細菌視紫紅質的結構化植入物，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量視力。在該裝置中，單分子厚細菌視紫紅質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/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定化，所得的定向多層體系結構具有吸收光并產生足夠的離子梯度以進行視網膜刺激所需的光密度。除了模仿棒或圓錐的電光特性外，眼睛的周圍環境還提供了容納循環細菌視紫紅質子泵送機制所必需的質子。而且無需外部電源。
