我国科学家实现高维光场探测

近日，武汉光电国家研究中心张新亮教授、余宇教授研究团队提出基于无序引导型光子芯片与神经网络的高维光场探测系统，可同时实现光的强度、宽谱以及混合全斯托克斯偏振态的综合检测。相关研究成果以“Disordered-guiding photonic chip enabled high-dimensional light field detection”为题，发表《自然·通讯》上。

光的强度、光谱和偏振作为光场的不同维度特性，对光与物质相互作用的研究及光学应用至关重要。然而，传统的光学检测技术通常依赖分立的光学元件，分别测量光的偏振和光谱信息，导致系统体积庞大且效率低下。而现有的集成化方案在检测参数增多时，往往面临信号串扰和分辨率不足的问题。

为解决这一难题，研究团队展示了一种创新的无序引导芯片，通过对无序分布进行精心设计，引入复杂的干涉和散射效应，将光谱与偏振信息编码为不同的多通道光强分布，基于逆向设计的引导区将输出高效收集至片上锗硅光电探测器阵列，神经网络再对多路光电流解码恢复光场信息。

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图1.高维探测与成像系统工作原理示意图

实验结果表明，该芯片能够在1540-1560nm波长范围内，同时检测混合偏振状态和宽带光谱，偏振测量误差仅为1.2°，光谱分辨率高达400pm。

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图2.全斯托克斯偏振与光谱探测性能。a.偏振探测任务在训练过程中的训练损失与验证损失曲线；b.利用多层感知机（MLP）模型预测的偏振态与商用偏振分析仪测得结果在庞加莱（Poincaré）球上的表示；c.不同偏振态下的预测功率误差；d.一系列窄带谱线的重构光谱；e.连续宽带信号的重构光谱；f.光谱平均重建误差；g.不同噪声因子σ下的光谱重构平均误差；h.双谱线重构光谱。

此外，研究团队还展示了该芯片在高维成像中的应用，其识别性能显著优于传统单维检测方法。例如，在“苹果”图案的成像实验中，芯片成功区分了不同波长和偏振组合的目标，实现了100%的分辨准确率，而传统单维成像系统则无法分辨。该研究不仅为光学检测提供了一种高分辨率、高集成度的解决方案，并且在生物医学诊断、材料分析和光通信等领域展现出广阔的应用前景。

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图3.高维光场探测与成像结果。a.利用高维探测芯片与商用仪器测得的宽带全斯托克斯偏振光谱；b.重构光谱与参考输入光谱的对比；c.在宽带波长范围内，各斯托克斯参数的误差分布；d.采用不同单波长和偏振态重构出的四个“HUST”字母图像；e.以“苹果”掩模为目标的“高维成像（HDI）”与“传统单维成像（SDI）”结果对比；f.神经网络对高维芯片探测信号进行分类的结果；g.在S1-S2与S2-S3平面中，不同输入条件下的HDI与SDI结果。

武汉光电国家研究中心顾芷娟博士生为第一作者，余宇教授为通讯作者，论文第一单位为华中科技大学。该工作得到了国家重点研发计划项目、国家自然科学基金重点项目、湖北省创新群体和光谷实验室创新项目的资助。

相关链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-63130-w