光纖因其固有優(yōu)勢(shì)成為現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中的基礎(chǔ)組件，為互聯(lián)網(wǎng)通信和大數(shù)據(jù)傳輸?shù)葢?yīng)用提供了高效且安全的媒介。與單模光纖（SMF）相比，多模光纖（MMF）能夠支持更多的導(dǎo)模（約10³至10⁴），提供了在頭發(fā)絲直徑范圍內(nèi)傳輸高容量信息和圖像的誘人優(yōu)勢(shì)。這一能力使多模光纖在量子信息和微創(chuàng)內(nèi)窺鏡等領(lǐng)域成為關(guān)鍵工具。

然而，多模光纖也帶來(lái)了一個(gè)重大挑戰(zhàn)：其高度散射特性在傳輸過(guò)程中引入了嚴(yán)重的模態(tài)色散，顯著降低了傳輸信息的質(zhì)量�，F(xiàn)有技術(shù)，如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）和空間光調(diào)制器（SLM），在多模光纖傳輸后重建失真圖像方面取得的成功有限。盡管有這些進(jìn)展，但使用微米級(jí)集成光學(xué)組件通過(guò)多模光纖直接光學(xué)傳輸無(wú)失真圖像仍然是光學(xué)研究中的一個(gè)難以實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。

針對(duì)多模光纖傳輸?shù)拈L(zhǎng)期挑戰(zhàn)，由上海理工大學(xué)人工智能科學(xué)與技術(shù)學(xué)院（SAIST）的張啟明教授和余浩毅副教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)提出了一項(xiàng)突破性解決方案。該研究發(fā)表在《自然·光子學(xué)》期刊上。

團(tuán)隊(duì)成功將微型多層光學(xué)衍射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（DN2s）集成到多模光纖的遠(yuǎn)端，實(shí)現(xiàn)了全光學(xué)圖像傳輸。衍射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)被視為一種光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ONN），基于深度學(xué)習(xí)的更高效人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，能夠以光速直接處理光學(xué)矩陣乘法，并實(shí)現(xiàn)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的高連接數(shù)，例如光學(xué)圖像分類、解密和相位檢測(cè)。

在這項(xiàng)工作中，研究人員采用3D振鏡掃描雙光子納米光刻（GS-TPN）制造方法，在商用0.35米長(zhǎng)的多模光纖遠(yuǎn)端集成了一個(gè)占地面積僅為150微米×150微米的微型衍射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。該光纖集成的微型衍射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在可見(jiàn)光波長(zhǎng)范圍內(nèi)工作，基于多層衍射元件光學(xué)推斷散斑圖案的振幅和相位信息，實(shí)現(xiàn)通過(guò)光纖直接進(jìn)行圖像重建和傳輸。

該系統(tǒng)在手寫數(shù)字成像方面表現(xiàn)出色，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)輸入圖像（65微米×65微米）的最小圖像重建特征尺寸約為4.90微米，平均光強(qiáng)對(duì)比度約為4%，每層衍射效率約為35%。此外，該平臺(tái)展示了遷移學(xué)習(xí)特性。在傳輸未包含在訓(xùn)練數(shù)據(jù)集中的31張HeLa細(xì)胞圖像時(shí)，系統(tǒng)保持了高質(zhì)量的光學(xué)圖像重建，突顯了將微型衍射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與多模光纖集成為前所未有的微米級(jí)光學(xué)推理平臺(tái)的潛力。這一創(chuàng)新為多功能緊湊光子系統(tǒng)鋪平了道路。

該研究通過(guò)將多層光學(xué)衍射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與多模光纖集成，成功實(shí)現(xiàn)了通過(guò)多模光纖直接光學(xué)圖像傳輸。利用衍射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的卓越計(jì)算能力，該系統(tǒng)有望在未來(lái)應(yīng)用于緊湊光子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)更廣泛的功能擴(kuò)展。

在光纖端面集成微型衍射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為推進(jìn)基于多模光纖的技術(shù)在緊湊光子系統(tǒng)中的應(yīng)用提供了一個(gè)新穎的微米級(jí)平臺(tái)，例如剛性內(nèi)窺鏡、多模光纖信號(hào)傳輸、模式排序和短距離量子光學(xué)互連。此外，這種方法可以擴(kuò)展到各種光纖系統(tǒng)，包括單模光纖、梯度折射率光纖和無(wú)序光纖。

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