近日，武漢光電國家研究中心張新亮教授、余宇教授研究團隊提出基于無序引導型光子芯片與神經網絡的高維光場探測系統(tǒng)，可同時實現(xiàn)光的強度、寬譜以及混合全斯托克斯偏振態(tài)的綜合檢測。相關研究成果以“Disordered-guiding photonic chip enabled high-dimensional light field detection”為題，發(fā)表《自然·通訊》上。

光的強度、光譜和偏振作為光場的不同維度特性，對光與物質相互作用的研究及光學應用至關重要。然而，傳統(tǒng)的光學檢測技術通常依賴分立的光學元件，分別測量光的偏振和光譜信息，導致系統(tǒng)體積龐大且效率低下。而現(xiàn)有的集成化方案在檢測參數(shù)增多時，往往面臨信號串擾和分辨率不足的問題。

為解決這一難題，研究團隊展示了一種創(chuàng)新的無序引導芯片，通過對無序分布進行精心設計，引入復雜的干涉和散射效應，將光譜與偏振信息編碼為不同的多通道光強分布，基于逆向設計的引導區(qū)將輸出高效收集至片上鍺硅光電探測器陣列，神經網絡再對多路光電流解碼恢復光場信息。

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圖1.高維探測與成像系統(tǒng)工作原理示意圖

實驗結果表明，該芯片能夠在1540-1560nm波長范圍內，同時檢測混合偏振狀態(tài)和寬帶光譜，偏振測量誤差僅為1.2°，光譜分辨率高達400pm。

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圖2.全斯托克斯偏振與光譜探測性能。a.偏振探測任務在訓練過程中的訓練損失與驗證損失曲線；b.利用多層感知機（MLP）模型預測的偏振態(tài)與商用偏振分析儀測得結果在龐加萊（Poincaré）球上的表示；c.不同偏振態(tài)下的預測功率誤差；d.一系列窄帶譜線的重構光譜；e.連續(xù)寬帶信號的重構光譜；f.光譜平均重建誤差；g.不同噪聲因子σ下的光譜重構平均誤差；h.雙譜線重構光譜。

此外，研究團隊還展示了該芯片在高維成像中的應用，其識別性能顯著優(yōu)于傳統(tǒng)單維檢測方法。例如，在“蘋果”圖案的成像實驗中，芯片成功區(qū)分了不同波長和偏振組合的目標，實現(xiàn)了100%的分辨準確率，而傳統(tǒng)單維成像系統(tǒng)則無法分辨。該研究不僅為光學檢測提供了一種高分辨率、高集成度的解決方案，并且在生物醫(yī)學診斷、材料分析和光通信等領域展現(xiàn)出廣闊的應用前景。

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圖3.高維光場探測與成像結果。a.利用高維探測芯片與商用儀器測得的寬帶全斯托克斯偏振光譜；b.重構光譜與參考輸入光譜的對比；c.在寬帶波長范圍內，各斯托克斯參數(shù)的誤差分布；d.采用不同單波長和偏振態(tài)重構出的四個“HUST”字母圖像；e.以“蘋果”掩模為目標的“高維成像（HDI）”與“傳統(tǒng)單維成像（SDI）”結果對比；f.神經網絡對高維芯片探測信號進行分類的結果；g.在S1-S2與S2-S3平面中，不同輸入條件下的HDI與SDI結果。

武漢光電國家研究中心顧芷娟博士生為第一作者，余宇教授為通訊作者，論文第一單位為華中科技大學。該工作得到了國家重點研發(fā)計劃項目、國家自然科學基金重點項目、湖北省創(chuàng)新群體和光谷實驗室創(chuàng)新項目的資助。

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