基于深度学习的衍射波导优化设计：实现多功能低损耗光传输新范式

研究人员针对传统介质波导依赖材料色散工程、功能单一的问题，通过深度学习优化设计了可级联的衍射波导系统。该研究实现了低损耗传输、弯曲导波、模式滤波/分束及偏振控制等功能，在太赫兹波段实验验证了空间模式选择性传输。这种无需材料改性的衍射架构为通信、成像和传感提供了通用化波导平台。

　　

光学波导作为光子系统的核心元件，其性能直接决定了光通信、传感和量子计算的效率。传统介质波导依赖复杂的材料折射率工程，存在功能固化、难以多波长兼容等瓶颈。尤其在太赫兹和可见光波段，现有波导面临模式串扰、弯曲损耗大等挑战。如何突破材料限制，实现可编程、多功能集成的波导系统，成为光学领域亟待解决的难题。

加州大学洛杉矶分校Aydogan Ozcan团队联合密歇根大学Mona Jarrahi课题组，在《Nature Communications》发表了创新性解决方案。研究团队首次提出基于深度学习的衍射波导通用框架，通过级联相位调制表面实现了媲美传统波导的性能。该设计无需材料色散调控，仅需按波长比例缩放结构尺寸即可适配不同波段，为多模态光操控提供了全新范式。

研究采用三大关键技术：1) 基于角谱法的衍射传播模型，构建200×200可训练相位单元的级联网络；2) 随机梯度下降(SGD)优化损失函数，同步控制耦合效率(CE)和能量效率(E)；3) 太赫兹扫描系统验证3D打印器件的模式选择性能。

【衍射波导设计】通过对比1.6/1.4折射率差的方形介质波导，双衍射层结构在0.75mm波长下实现前20阶模式92%以上的CE和99.4%的E。值得注意的是，未经训练的M₂₀
-M₃₉
高阶模式仍保持84%的CE，展现优异泛化能力。10单元级联测试表明，能量效率虽随距离递减，但M₀
-M₁₉
模式在70mm传播后仍维持70%以上传输效率。

【弯曲波导创新】采用倾斜角谱法设计的四层45°弯曲结构，在26.67λ单元间距下实现>90%的CE。通过调节15°旋转步长，验证了衍射波导对传播方向重构的适应性，为复杂拓扑光路奠定基础。

【模式动态调控】通过设定耦合效率阈值(T_CE,u
, T_CE,l
)，实现了：1) 高通滤波（M₁₂
-M₁₉
通过率>90%，抑制M₀
-M₁₁
至3%）；2) 双波长分束（0.7mm/0.8mm波长下分别导向CH1-CH2和CH3-CH4通道），串扰低于-20dB。

【偏振复用突破】集成四向偏振阵列(PA)的衍射单元，成功维持特定模式（如M₀
,M₄
）的x/y偏振态，阻断正交偏振模式传输。5单元级联测试显示偏振纯度保持>85%。

【实验验证】3D打印的三层太赫兹波导（特征尺寸0.4mm）实测表明：1) 单波长下M₆
/M₇
模式选择性与仿真吻合（r=0.82）；2) 双波长器件在0.7mm/0.8mm波段分别精准透射M₂
/M₃
和M₁₂
/M₁₃
模式。

该研究开创性地将衍射光学与深度学习结合，突破了传统波导的材料和功能限制。其核心价值体现在：1) 模块化设计支持即插即用级联，兼容现有光纤系统；2) 单器件同步实现模式、波长和偏振三维操控；3) 太赫兹到可见光的波长可扩展性。这种"光学乐高"架构为高维光通信、片上互联和微型光谱仪提供了通用平台，被审稿人评价为"重新定义了集成光子学的设计哲学"。研究团队特别指出，通过接种训练策略可克服3D打印的相位量化误差，未来采用熔融石英加工可进一步降低近红外波段的传输损耗。