华中科技大学武汉光电国家研究中心张新亮余宇团队在多维光场感知研究方面取得重要进展

5月30日，Science Advances在线发表武汉光电国家研究中心张新亮、余宇教授团队题为“All-integrated multidimensional optical sensing with a photonic neuromorphic processor”的最新研究成果。该研究提出光场敏化器与光学神经网络（ONN）全集成架构，突破传统级联传感器的光电转换与离线处理瓶颈，成功实现了高精度的实时多维光场感知。

光的感知在科学研究及日常生活中至关重要。光作为一种矢量场，包含丰富的物理维度，如强度、偏振和波长等。近年来，多维感知在卫星遥感和生物医学成像等应用中展现显著优势，并有助于优化光信号处理和增强光通信。然而，传统光探测器仅能响应光强，导致光电转换过程中丢失其他维度信息。现有方法通常依赖多个分立的光学器件分别感知偏振、波长等不同维度，并通过离线数字信号处理（DSP）解耦输出独立维度信息。然而，这种方法需要复杂的电子元件，并引入冗余的光电转换、采样和传输过程，导致高延迟和高能耗。

图1（A）传统多维感知系统与所提出系统架构对比；（B）全集成多维感知系统示意图；（C）基于逆向设计的敏化器；（D）马赫曾德尔干涉器；（E）全光非线性激活单元。

针对上述问题，张新亮、余宇团队首次提出了一个全集成的实时多维光场感知系统，基于硅光芯片实现了敏化器与非线性ONN的集成。其中，敏化器基于逆向设计优化，对输入光强、偏振和波长产生特定响应。随后，利用基于可重构线性干涉网络和全光非线性激活单元的五层ONN，对多路输出响应进行解耦。最终实现了三维光场的实时感知，准确率高达91%。整个系统基于全光集成架构，消除了传统方案中的光电转换、采样和数字信号处理等过程，延时降低了6个数量级，能效提高了2个数量级。进一步，该系统在没有额外硬件开销和DSP补偿的情况下实现了100 Gb /s高速信号的稳定与恢复。这项工作为低延时、低功耗的智能感知系统提供了新范式。

图2（A）系统实验装置图；（B）损失函数变化图；（C）ONN感知偏振态结果；（D）多维光场感知误差；（E）不同网络规模下ONN感知性能；（F）不同网络规模下不同任务的感知性能；（G）非线性激活单元对感知性能的影响。

武汉光电国家研究中心博士生顾芷娟、博士生石洋为共同第一作者，余宇教授和张新亮教授为共同通讯作者，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、国家自然科学基金重点项目和湖北省创新群体的资助。