近日，北京大学电子学院常林团队与物理学院杨起帆团队合作创造了递归逆向设计算法，通过融合多尺度仿真打破了光芯片设计的“算力墙”，实现了全链路结构的自动化设计。其构建的超光谱光子芯片让片上光谱仪在多项关键指标上超越了昂贵的商用设备，实现了具有亚皮米分辨率、超过800nm频谱覆盖范围的片上光谱测量。这一成果为未来光谱传感的下沉和普及提供了基础性科学支持。相关研究成果以为《基于递归逆向设计的超光谱光子集成回路》（“Hyper-spectral photonic integrated circuits based on recursive inverse design”）标题，发表在《Nature Communications》期刊上。
光谱调控是现代光子系统的核心能力之一。在光计算和光谱感知系统中，频谱响应所包含的独立可分辨特征越丰富，系统能够承载的信息通道就越多，计算吞吐量和探测分辨率也越高。然而传统光子集成电路面临着严重的“面积-性能”两难困境，使得小型化光谱系统往往伴随着分辨率和带宽降低，光学损耗激增等问题，难以满足应用需求。因此，如何用有限的芯片面积产生高密度、可预测并可定制的频谱响应，是集成光子学面临的重要挑战。
超光谱光子集成回路的结构与原理
针对这一难题，研究团队提出了超光谱集成光子回路（hyper-spectral photonic integrated circuits，HS-PICs）。该光路由一系列延迟波导和具有部分反射能力的反射节点相互连接而成。相比传统级联电路让光依次通过一个个彼此独立的器件，该结构则是建立了一套可以“反复调用”的光学网络：光在不同节点之间多次往返，同一个物理节点能够参与多个传播路径。由此，在相同无源面积和损耗条件下，该架构的频谱复杂度上限明显高于传统级联干涉仪、耦合微环和啁啾布拉格结构。
递归逆向设计流程
为了将这种结构转化为可制造的芯片，研究团队进一步提出递归逆向设计（recursive inverse design，RID）算法。该算法不再独立完成器件或链路结构设计，而是将芯片设计问题逐层分解为结构相似的子问题，在不损失仿真精度的前提下实现了全链路的自动化设计。实验证明，该方法使传统全波逆向设计需要数年才能求解的问题得以在25小时内完成，同时将高度依赖经验的复杂光子电路设计推进为自动化设计流程。
基于超光谱光子集成电路的超高分辨率光谱仪
基于上述方法，研究团队在4英寸氮化硅晶圆上设计并制造了超光谱光子回路。该芯片可提供59,049种可访问调谐状态，并支持780—2000nm范围内的4个工作波段。在常规1024通道工作模式下，芯片可在1秒左右完成单次光谱扫描。光谱重建实验中，该芯片成功重建了单峰、双峰，宽带和宽窄带混合光谱：单峰光谱在跨越800nm的工作范围内保持低重建误差，并能够分辨间隔仅0.9皮米的双峰信号。该芯片还可实现微波信号的频谱探测：在超过20THz的光学带宽内，系统在对多种信号的探测中均实现了125GHz的射频分辨率，平均频率偏差为157GHz。这些结果验证了该架构在超高分辨率、超宽波段光谱感知中的能力。
未来，这项技术有潜力应用于精密光谱传感和光计算系统中。它不仅通过架构创新系统性地提高了片上光谱仪的性能极限，推动芯片化光谱仪的应用，同时也为频域上的片上信息处理奠定了基石。
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