基于无序波导光子芯片的高维光场智能检测与成像技术

本研究针对传统光场检测系统体积庞大、维度单一、分辨率低等瓶颈问题，创新性地提出了一种集成无序波导光子芯片与神经网络的高维光场检测方案。通过设计具有复杂散射特性的无序介质区域和逆设计导波结构，实现了单次测量下宽带光谱（1540-1560 nm）与全斯托克斯偏振（Full-Stokes）的同步检测，偏振误差低至1.2°，光谱分辨率达400 pm。该系统在材料分析、生物医学成像等领域展现出重要应用潜力。

在光学传感、通信和成像领域，光的强度、偏振和光谱等多维特征携带了物质相互作用的丰富信息。传统检测设备通常只能测量单一维度（如光谱或偏振），且依赖分立元件组合，导致系统笨重、效率低下。虽然近年出现的超表面（metasurface）和计算光学方案部分解决了这些问题，但仍受限于有限的检测通道数和低分辨率。如何实现紧凑、高效的高维光场全参数检测，成为亟待突破的科学难题。

华中科技大学张新亮、余宇团队在《Nature Communications》发表的研究中，提出了一种基于无序波导光子芯片的解决方案。该芯片核心由两部分构成：中央无序散射区域通过空气孔阵列（直径160 nm，填充因子10.5%）产生偏振干涉与波长敏感散射；外围逆设计（inverse-design）导波结构则高效收集泄漏光至16通道锗硅（Ge-Si）光电探测器（PD）。结合多层感知机（MLP）神经网络解码，系统将高维光场编码为多通道光电流响应，实现了单次测量下的全参数重建。

关键实验方法

1. 1.

   采用硅基光电子（SOI）工艺制备芯片，集成偏振分束旋转器（PSR）和Ge-Si PD阵列

2. 2.

   通过Pearson相关系数优化无序介质参数，实现输出响应解耦

3. 3.

   构建MLP神经网络模型，采用均方误差（MSE）损失函数进行偏振/光谱联合训练

4. 4.

   使用可编程滤波器（PF）和偏振控制器（PC）生成混合偏振宽带测试光源

5. 5.

   搭建单像素扫描成像系统验证高维成像能力

研究结果

单维偏振与光谱检测性能

系统在1550 nm波长下对85组随机偏振态的测试显示，全斯托克斯参数重建平均误差仅1.2°，光强（S₀）误差0.012。光谱检测方面，对1540-1560 nm范围内单峰/双峰/宽带信号的还原误差为0.083，最小可分辨波长间隔达400 pm（1545 nm与1545.4 nm双峰），满足瑞利判据（Rayleigh criterion）。

高维光场检测与成像

对混合偏振宽带光（20 nm带宽）的同步检测显示，斯托克斯参数误差<0.064。在单像素成像实验中，系统成功重建了"华中科大（HUST）"字母的多波长/多偏振图像，并准确区分了"苹果"图案中1550/1555 nm双波长携带的不同偏振组合（分类准确率100%），而传统单维系统因偏振叠加效应完全无法区分。

讨论与意义

该研究通过光子芯片的物理编码与神经网络的智能解码相结合，突破了传统高维光场检测的三大限制：

1. 1.

   器件集成度：将传统分光/偏振检测系统压缩至毫米级芯片

2. 2.

   参数维度：首次实现宽带光谱与任意偏振态的同步单次测量

3. 3.

   分辨率：400 pm光谱分辨率较同类集成器件提升5倍

如表1所示，该系统的带宽-分辨率比（BRR=50）和偏振检测精度（1.2°）均优于现有技术方案。未来通过集成热光调制器等动态调控元件，可进一步扩展工作波段。这项技术为材料成分分析、生物组织成像等需要多参数联合检测的场景提供了微型化解决方案，也为下一代智能光学传感系统的发展开辟了新路径。