【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，華中科技大學張敏明教授、王健教授、鄭爽副教授研究團隊提出一種逆向設計硅光超構芯片，實現(xiàn)多維龐加萊球全空間任意實時動態(tài)光場調控。研究突破傳統(tǒng)單模器件的設計局限，通過逆向設計算法，實現(xiàn)硅基片上多波導、多模式與空間渦旋光場的高純度映射(基態(tài)模式數(shù)目翻倍)。在此基礎上，團隊結合多通道幅度-相位-偏振全可調諧光子集成回路，實現(xiàn)超過8個多維龐加萊球結構光場的實時動態(tài)調控，涵蓋偏振、軌道角動量(OAM)、高階及高維龐加萊球。相關研究成果以“Fully Tunable On-Chip Meta-Generator for Multidimensional Poincaré Sphere Mapping”為題發(fā)表于《光：科學與應用》(Light: Science & Applications)。
 

　　在光通信、成像、粒子操控、傳感測量及量子信息等領域，結構光場應用潛力巨大。結構光場種類多樣，包含相位型、偏振型以及更為復雜的幅度、相位、偏振分布。現(xiàn)階段，其產生與調控主要依賴自由空間元件，面臨著體積龐大、集成度低及調控速度受限等挑戰(zhàn)。近年來，硅基光子集成技術的發(fā)展推動光場調控技術向片上集成方向演進，但無論是Out-of-Plane還是In-Plane技術方案，均受限于波導模式與偏振維度的單一性，難以支持多維龐加萊球(Poincaré Sphere)全空間的任意實時動態(tài)光場調控。
 

　　針對上述核心瓶頸，研究團隊提出了一種基于逆向設計的硅基超構光子集成芯片。該工作首次引入多種波導模式復用與逆向設計算法，成功實現(xiàn)了具有不同拓撲荷數(shù)(l)的多模式軌道角動量光束出射，且8種波導光場與8種出射的軌道角動量光束一一映射。這一設計有效擴展了片上光場的模場空間，在同一器件中獲得更豐富的渦旋光模式基底。
 

　　以八個正交的軌道角動量OAM模式作為構造多維龐加萊球的基態(tài)，結合多通道幅度-相位-偏振全可調諧光子集成回路，該芯片具備了對多維光場狀態(tài)的實時靈活調控能力。該系統(tǒng)不僅實現(xiàn)了超過8個多維龐加萊球(涵蓋偏振、軌道角動量、高階及混合階)結構光場的實時動態(tài)調控，還成功合成了四維希爾伯特空間中的代表性結構光場。這一成果為光子芯片的小型化與多維光信息處理開辟了全新技術路徑。相比傳統(tǒng)自由空間光學系統(tǒng)，該方案具有結構緊湊、穩(wěn)定性高、調控維度豐富等優(yōu)勢。
 

　　未來，隨著高速調制器、片上光源、探測器和量子光源的進一步集成，該平臺有望發(fā)展為更加完整的片上結構光調控系統(tǒng)，并在光通信、精密測量、量子光子學等領域發(fā)揮重要作用。
 

　　鄭爽、王健和張敏明為論文共同通訊作者，研究生吳天戈與欒井為論文共同第一作者，華中科技大學為第一完成單位。研究工作得到新加坡南洋理工大學申藝杰教授，圣路易斯華盛頓大學、清華大學孟鳶博士的指導與支持。
 

　　引用：光電信息學院武漢光電國家研究中心張敏明王健鄭爽團隊在逆向設計硅光超構芯片領域獲進展 華中科技大學 【引用時間：2026年8月18日】