在信息時代，光子和電子是信息傳輸的主要載體。與微電子學中的摩爾定律不同，集成光子器件的密度主要受光波長或衍射極限的限制。

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

最近，研究人員將這些復用技術（如WDM-MDM混合復用）結合起來，以滿足各種規模的光網絡對超高鏈路容量的巨大需求。

然而，當提取獨立模式上攜帶的波長相關信息時，通常需要級聯MDM設備和WDM設備，這增加了設備的尺寸。此外，由于不同模式之間的強耦合效應，在單個設備中實現模式解復用和光譜測量仍然是一個挑戰。因此，與MDM系統兼容的片上多模光譜儀仍然是一個問題。

據麥姆斯咨詢報道，近日，廈門大學和華僑大學等機構的研究人員組成的團隊在Opto-Electronic Science期刊上發表了題為“Towards integrated mode-division demultiplexing spectrometer by deep learning”的最新論文，團隊提出了MDM光譜儀的概念，并描述了第一個基于MDM系統的集成模分復用光譜儀。該光譜儀由分支多模波導和光電探測器陣列（圖1）組成，通過結構色散和光電流測量實現模式解復用和光譜檢測的集成。利用深度學習技術解決模式間非線性耦合問題，研究人員成功地實現了多模光譜的單點重建和多點光譜分辨率增強的功能。

圖1所提出的模分復用光譜儀的原理圖

圖2 TE1-TE4多模的單點同時重建

模擬結果表明，分支結構中的光場分布隨模式和波長而變化，從而在探測器上產生不同的光電流。在深度學習算法的支持下，TE1-TE4的并行重建，在1500-1600nm帶寬內對25個探測器進行單次測量實現15nm光譜分辨率。

此外，研究人員進一步應用了多模重建方法來提高光譜分辨率，即通過將TE1-TE4中的多模響應疊加到時間序列上的單個光譜，實現了3nm分辨率，與單模響應（7nm分辨率）相比提高了約1.3倍，并打破了探測器數量的分辨率限制。

本研究項目得到了國家自然科學基金（62005231）、中央高校基本科研業務費（20720210045、20720200074）和廣東省基礎與應用基礎研究基金（2021A1515012199）的資助。

審核編輯：湯梓紅