基于无序波导光子芯片实现高维光场探测

Nature Communications在线发表了武汉光电国家研究中心张新亮教授、余宇教授研究团队的最新研究成果，题为“Disordered-guiding photonic chip enabled high-dimensional light field detection”。该研究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。

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。

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。

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。