深度光子网络平台，赋能任意功能光子集成电路
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。
图1 深度光子网络架构和组件
任意功能的快速设计和高效实现
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。
图2 功率分配器和光谱双工器深度光子网络的优化和最终仿真结果
总结与展望
