据中国激光杂志社网，于2024年03月10日报道， 光通信、计算和传感领域的广泛应用不断推动高性能集成光子元件的需求增长。近日，土耳其科奇大学的Ali Najjar Amiri等学者提出一种可扩展度高、灵活性极强的深度光子网络平台，用于实现具备任意功能的片上光学系统。传统的基于正向设计或逆向设计的器件往往功能单一，限制了光学操作的类型、复杂度和带宽。而这项研究提出的深度光子网络平台突破了这些限制，允许设计具备任意宽带功能的集成光子器件，为下一代光子集成电路（PICs）带来前所未有的灵活性和性能提升。相关研究成果已发表在Nature Communications上。（DOI：10.1038/s41467-024-45846-3）
更高效、更灵活、更复杂的方式操纵光
深度光子网络架构由一个输入层、一系列MZI层和一个输出层组成，如图1所示，这种基于MZI网络的架构优势在于具备实现任何光学系统的功能和出色的信号处理能力。输入光信号通过多层定制的MZI干涉仪进行处理，每个MZI相当于一个矩阵函数，模块化的传输矩阵构建了整个网络框架。具体来说，每个MZI由两对具有定制几何形状的波导椎体和两个定向耦合器组成，这些独特的波导椎体通过迭代优化算法进行波导参数的确定，用来实现与直波导不同的独特光谱相位分布，同时拥有更高的设计自由度。根据需求定制光子网络路径，结合机器学习算法的快速查找功能，可以对MZI的矩阵进行快速且精确地调控，允许任意功能集成光子器件的快速设计。
相关研究人员利用该深度光子网络平台，展示了超宽带功率分配器和频谱双工器，每个设计都在2分钟内完成。该平台为系统化、大规模光子系统设计提供了一条易于处理的路径，为高吞吐量通信、量子信息处理和医学/生物传感应用提供定制的功率、相位和色散分布。
任意功能的快速设计和高效实现
深度光子网络架构的核心在于其极高的可扩展性和灵活性，并且能够设计具有任意光谱规格的光子器件。在本文中，研究人员演示了如何使用该深度光子网络实现任意的光学功能。作为原理证明，选取了三个独立的器件进行说明：两个在1400-1600nm范围内工作的分光比分别为50:50和75:25的宽带功率分配器，以及在1450nm和1630nm之间工作的光谱双工器。根据所需功能的复杂度，可以选择合适的干涉层和每个波导锥度中参数的数量。例如，两个功率分配器均设计有三层网格，双工器设计有六层网格；对于MZI干涉臂中的波导锥度，使用了五个可训练的宽度和一个可训练的长度，从而为光子网络中每个MZI总共提供了24个优化参数。50:50和75:25功率分配器具有72个可训练参数，器件长度为240μm；光谱双工器具备144个可训练参数，器件长度为480μm。三种器件的优化迭代过程如图2所示，仅1-2分钟内即可实现快速收敛。这种模拟与优化相结合的新方法，大幅缩短了光学设备从概念到制造的开发周期。运用计算能力和尖端算法，不仅简化了光学系统的构建过程，同时为光子技术创新带来更多的可能性。
研究人员还对两个功率分配器和光谱双工器进行了实验验证。测试结果表明，两种功率分配器的插入损耗均低于0.61dB，实验测量的1dB带宽高达120nm，与模拟的结果相当一致。所制造的双工器也具备卓越的性能，插入损耗小于0.66dB，截止波长偏移仅为5nm。这些演示验证了该深度光子网络平台在处理复杂光学任务方面的实用性和有效性。
总结与展望
在这项工作中，研究人员提出了一种计算高效、物理精确且系统的深度光子网络平台，用于创建并实现片上任意光学功能的系统。该平台能够针对特定的要求进行功能扩展，具备极高的实用性和有效性，为设计和制造具备新功能的光电子器件和系统提供了可扩展、鲁棒的解决方案。深度光子网络的多功能演示，不仅提升了器件的性能，还为定制光学系统解决方案开辟了新的路径，有望在通信、计算和传感领域带来新的技术性变革。
信息光子技术的突破正在为通信和数据处理领域带来革命性的变化，为使广大学者了解“信息光子器件与集成”领域近年来的研究成果及研究进展，《光学学报》计划于2024年8月（第44卷第15期）推出“信息光子器件与集成”专题，该专题包含特邀综述和原创性研究论文。现特向广大专家学者征集“信息光子器件与集成”方面原创性研究论文（暂不接受自由来稿综述）。
征稿范围：
1.单元器件：波导，交叉，耦合、无源器件（偏振控制、模式调控、波长调控），非互易器件，光开关，调制器，激光器，探测器，放大器，非线性器件。
2.集成子系统：光感知，光互联，光交换，微波光子，光处理，智能光计算（硅基单片集成、InP基单片集成、混合集成、光电融合集成）。
截稿日期：2024年4月30日
投稿方式及格式：
通过《光学学报》期刊官网“作者中心”直接进入投稿系统，按系统要求填写信息，上传稿件（作者留言中备注“信息光子器件与集成”专题投稿）投稿模板及要求详见官网“下载中心”。
