光电子技术是当前全球最尖端的物理领域

光电子技术水平和产业能力已经成为衡量一个国家综合实力和国际竞争力的重要标志，光电子技术应用范围广泛，覆盖激光、光通信、精密仪器、光谱探测、图像处理、生物影像、原子物理、量子通信等领域。2020年来，全球研究者对光电子技术的探索不断取得积极成果。

1.英国牛津大学开发出光电双重性的新型存储单元

2020年1月，英国牛津大学(University of Oxford)研究人员开发出具有光电双重性的新型存储单元，可减少光电信号转换的耗能。光通信具有较低的功率阈值，因此相比于电信号通信延迟更低，而在信息利用过程中，光电信号转换需要消耗大量能量。牛津大学研究人员使用一种非易失性的锗基化合物构建新型存储单元，可分别对传递的光信号或电信号进行处理。该技术可促进光子晶体管的发展，并为光子电路和光子神经网络的开发铺平道路。

2.上海交通大学开发出新型可扩展光子计算机

2020年2月，上海交通大学研究人员开发出一种结合集成芯片、光子概念和非传统计算架构的光子计算机。为衡量光子计算机的计算能力，研究团队在该计算机上求解了名为“子集和问题”(SSP)的经典问题。研究人员成功将SSP映射到三维集成光波导网络中，并借助飞秒激光直写技术将其刻写在光子芯片内部。当光子注入光波导网络时，计算过程被激活。光子作为计算载体，在光波导网络中演化，并行搜索所有可能的演化路径来寻解。研究发现，得益于光子计算机的并行运算方式、集成光波导网络的紧凑性，以及光超高的传播速度、强抗干扰能力等特性，它对SSP的求解速度更快、效率更高。随着传统集成电路无限逼近物理规律极限，对新型计算手段的探索日益成为科学家的关注重点。此项研究成果预示光子计算机有望成为未来的新一代计算工具。

3.英国布里斯托大学开发出首个集成光子源

2020年5月，英国布里斯托大学(University of Bristol)研究人员开发出首个集成光子源，有望为大规模量子光子学技术提供支持。限制集成量子光子学技术规模的一个重要挑战是缺少能够产生高质量单光子的片上光源，因此，当电路复杂度增加时，量子计算中的误差会迅速累积，影响计算效果。为解决这一问题，研究人员利用成熟的互补金属氧化物半导体（CMOS)制造技术和新的光干涉技术，将具有数千根光纤和多个组件的电路集成到单个毫米级的芯片上，开发出首个具备在小型复杂光学电路中生成和控制单个光粒子能力的集成光子源。研究人员表示，该技术有望帮助制造者在单个芯片上集成数十到数百个光子，为大规模量子计算铺平道路。

4.美国高校研究人员开发出超高灵敏度的雪崩光电二极管

2020年5月，美国弗吉尼亚大学(University of Virginia，UVa)和得克萨斯大学奥斯汀分校(University ofTexas at Austin，UT-Austin)的研究人员开发出一种具有超高灵敏度的雪崩光电二极管。该研究成果基于一种铝、铟、砷和锑组成的合金，这种合金兼具长波灵敏度、超低噪声和实现低暗电流所需的设计灵活性，而现有的雪崩光电二极管材料技术则无法提供以上性能。同时，研究人员通过测试将该二极管的光栅格大小定为2微米，以在探测时保护人眼安全并扩大检测范围。研究人员表示，该研究成果有望促使更先进的夜视成像和激光雷达技术推出。

5.德国研究人员利用光子引线键合技术实现多光子芯片混合组装

2020年5月，德国卡尔斯鲁厄理工学院、亚琛工业大学（RWTHAachenUniversity）和海因里希·赫兹研究所(Heinrich Hertz Institute）的研究人员利用光子引线健合技术，实现了硅光子调制器阵列与激光器和单模光纤之间的健合，制造出光通信引擎，研究人员利用先进的三维光刻技术将光学引线键合到芯片上，从而有效地将各种光子集成平台连接起来，并简化了先进光学多阶模块的组装过程，从而实现了从高速通信到超快速信号处理、光传感和量子信息处理等多种应用的转换该研究成果降低了多光子芯片的组装难度，可以提高混合光子集成电路的制造能力6.瑞士苏黎世服邦理工学院开发出高速等离子芯片，可将快速电子信号直接转换为超快光信号

2020年7月，瑞士苏黎世联邦理工学院研究人员开发出高速等离子芯片，可将快速电子信号直接转换为超快光信号，且信号质量损失极小。此前，业界一直在研究光电转换芯片，但存在光子与电子设备尺寸差异大、造价昂贵和信号损耗等缺陷。苏黎世联邦理工学院研究人员将电子和光子组件紧密连接，并利用“片上通孔”的结构将它们直接连接，消除了光子与电子设备之间的尺寸差异，且将能量损耗降至极低。研究人员通过等离子技术压缩光波，将4个较低速的输入信号捆绑和放大，形成高速的电信号，可以以100吉比特/秒的速率传输数据。该研究为光通信中的高速传输提供了新的思路。

7.美国乔治·华盛顿大学提出光子张量处理器新设计，使用光执行神经网络计算

2020年7月，美国乔治·华盛顿大学(George Washington University，GWU)研究人员提出一种新的方法，使用光代替电来执行神经网络计算。研究人员设计出一种光子张量处理器，用以并行执行矩阵乘法，从而提高深度学习的速度和效率。光子张量处理器具有电光互连功能，能并行存储和处理数据，并高效地读写光学存储器。研究人员表示，集成了高效光学存储器的集成光子平台可以获得与电子张量处理器相同的性能，但是能耗更小、吞吐量更大。如果经过适当的训练，光子张量传感器可以用于执行快速推理任务。此外，光子系统也可用于计算节点分布式网络和5G边缘网络。

8.美国罗切斯特大学开发出超小型电光调制器，有助于缩小光芯片体积2020年8月，美国罗切斯特大学开发出超小型电光调制器，有助于缩小光芯片体积。与传统的电子电路相比，光子电路具有更高的速度、更大的带密和更高的能源效率。但是，由于高精度、高质量的纳米光子硬件结构难以制造，光子电路的体积无法做得足够小，阻碍了其与传统电子电路的竞争。罗切斯特大学研究人员使用铌酸锂创建光子微腔，并以此为基础在二氧化硅层上构建铌酸锂薄膜，从而开发出超小体积的电光调制器。单个微腔的尺寸仅为1微米，可在室温下对2~3个光子进行操控。该研究为实现大规模光子集成电路奠定了基础，有望促进光子通信、量子光子学等研究的发展。

9.德国基尔大学精确模拟电子与光相互作用

2020年9月，德国基尔大学（KielUniversity）研究人员开发出一种新方法，可以尽可能精确地描述电子与光之间的相互作用。过去，研究人员需要依赖高性能计算机来模拟电子与光的相互作用，且其模型具有一定的局限性。基尔大学研究人员提出一种新的理论模型，将麦克斯韦和薛定谔方程组合在一个与时间有关的循环中，以模拟第一性原理支配下的电子与光的相互作用。这种模拟首次在理论上精确描述了光谱学中的超快速过程，并能在不考虑绝热近似条件的情况下将电子与光的相互作用实时地显示为图像。由此，研究团队可以了解电子与光相互作用时，电子的能量、动量及总体上电子波包的形状如何变化。这一成果将有助于固态和分子系统的载流子动力学研究，以开拓更多的应用领域。