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(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(guān)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(zhì)相互作用的研究及光學應(yīng)用至關(guān)重要。然而，傳統(tǒng)的光學檢測技術(shù)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(shè)計，引入復(fù)雜的干涉和散射效應(yīng)，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(shè)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)再對多路光電流解碼恢復(fù)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(jié)果表明，該芯片能夠在1540-1560nm波長范圍內(nèi)，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(wù)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(yù)測的偏振態(tài)與商用偏振分析儀測得結(jié)果在龐加萊（Poincaré）球上的表示；c.不同偏振態(tài)下的預(yù)測功率誤差；d.一系列窄帶譜線的重構(gòu)光譜；e.連續(xù)寬帶信號的重構(gòu)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(gòu)平均誤差；h.雙譜線重構(gòu)光譜。

此外，研究團隊還展示了該芯片在高維成像中的應(yīng)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(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。

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圖3.高維光場探測與成像結(jié)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(gòu)光譜與參考輸入光譜的對比；c.在寬帶波長范圍內(nèi)，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(gòu)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(jié)果對比；f.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對高維芯片探測信號進行分類的結(jié)果；g.在S1-S2與S2-S3平面中，不同輸入條件下的HDI與SDI結(jié)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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