基于深度學(xué)習(xí)的集成模分復(fù)用光譜儀

在信息時(shí)代，光子和電子是信息傳輸?shù)闹饕d體。與微電子學(xué)中的摩爾定律不同，集成光子器件的密度主要受光波長(zhǎng)或衍射極限的限制。

為了提高光子器件的信息傳輸能力，波分復(fù)用（WDM）、偏振分復(fù)用（PDM）和模分復(fù)用（MDM）等復(fù)用技術(shù)得到了廣泛深入的研究，有效地提高了通信系統(tǒng)的傳輸能力。

最近，研究人員將這些復(fù)用技術(shù)（如WDM-MDM混合復(fù)用）結(jié)合起來(lái)，以滿足各種規(guī)模的光網(wǎng)絡(luò)對(duì)超高鏈路容量的巨大需求。

然而，當(dāng)提取獨(dú)立模式上攜帶的波長(zhǎng)相關(guān)信息時(shí)，通常需要級(jí)聯(lián)MDM設(shè)備和WDM設(shè)備，這增加了設(shè)備的尺寸。此外，由于不同模式之間的強(qiáng)耦合效應(yīng)，在單個(gè)設(shè)備中實(shí)現(xiàn)模式解復(fù)用和光譜測(cè)量仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。因此，與MDM系統(tǒng)兼容的片上多模光譜儀仍然是一個(gè)問(wèn)題。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，廈門大學(xué)和華僑大學(xué)等機(jī)構(gòu)的研究人員組成的團(tuán)隊(duì)在Opto-Electronic Science期刊上發(fā)表了題為“Towards integrated mode-division demultiplexing spectrometer by deep learning”的最新論文，團(tuán)隊(duì)提出了MDM光譜儀的概念，并描述了第一個(gè)基于MDM系統(tǒng)的集成模分復(fù)用光譜儀。該光譜儀由分支多模波導(dǎo)和光電探測(cè)器陣列（圖1）組成，通過(guò)結(jié)構(gòu)色散和光電流測(cè)量實(shí)現(xiàn)模式解復(fù)用和光譜檢測(cè)的集成。利用深度學(xué)習(xí)技術(shù)解決模式間非線性耦合問(wèn)題，研究人員成功地實(shí)現(xiàn)了多模光譜的單點(diǎn)重建和多點(diǎn)光譜分辨率增強(qiáng)的功能。

圖1所提出的模分復(fù)用光譜儀的原理圖

圖2 TE1-TE4多模的單點(diǎn)同時(shí)重建

模擬結(jié)果表明，分支結(jié)構(gòu)中的光場(chǎng)分布隨模式和波長(zhǎng)而變化，從而在探測(cè)器上產(chǎn)生不同的光電流。在深度學(xué)習(xí)算法的支持下，TE1-TE4的并行重建，在1500-1600nm帶寬內(nèi)對(duì)25個(gè)探測(cè)器進(jìn)行單次測(cè)量實(shí)現(xiàn)15nm光譜分辨率。

此外，研究人員進(jìn)一步應(yīng)用了多模重建方法來(lái)提高光譜分辨率，即通過(guò)將TE1-TE4中的多模響應(yīng)疊加到時(shí)間序列上的單個(gè)光譜，實(shí)現(xiàn)了3nm分辨率，與單模響應(yīng)（7nm分辨率）相比提高了約1.3倍，并打破了探測(cè)器數(shù)量的分辨率限制。

本研究項(xiàng)目得到了國(guó)家自然科學(xué)基金（62005231）、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)（20720210045、20720200074）和廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金（2021A1515012199）的資助。

審核編輯：湯梓紅