光纤因其固有优势成为现代科学技术中的基础组件，为互联网通信和大数据传输等应用提供了高效且安全的媒介。与单模光纤（SMF）相比，多模光纤（MMF）能够支持更多的导模（约10³至10⁴），提供了在头发丝直径范围内传输高容量信息和图像的诱人优势。这一能力使多模光纤在量子信息和微创内窥镜等领域成为关键工具。
然而，多模光纤也带来了一个重大挑战：其高度散射特性在传输过程中引入了严重的模态色散，显著降低了传输信息的质量。现有技术，如人工神经网络（ANN）和空间光调制器（SLM），在多模光纤传输后重建失真图像方面取得的成功有限。尽管有这些进展，但使用微米级集成光学组件通过多模光纤直接光学传输无失真图像仍然是光学研究中的一个难以实现的目标。
针对多模光纤传输的长期挑战，由上海理工大学人工智能科学与技术学院（SAIST）的张启明教授和余浩毅副教授领导的研究团队提出了一项突破性解决方案。该研究发表在《自然·光子学》期刊上。
团队成功将微型多层光学衍射神经网络（DN2s）集成到多模光纤的远端，实现了全光学图像传输。衍射神经网络被视为一种光学神经网络（ONN），基于深度学习的更高效人工神经网络方法，能够以光速直接处理光学矩阵乘法，并实现人工神经网络中的高连接数，例如光学图像分类、解密和相位检测。
在这项工作中，研究人员采用3D振镜扫描双光子纳米光刻（GS-TPN）制造方法，在商用0.35米长的多模光纤远端集成了一个占地面积仅为150微米×150微米的微型衍射神经网络。该光纤集成的微型衍射神经网络在可见光波长范围内工作，基于多层衍射元件光学推断散斑图案的振幅和相位信息，实现通过光纤直接进行图像重建和传输。
该系统在手写数字成像方面表现出色，实现了实时输入图像（65微米×65微米）的最小图像重建特征尺寸约为4.90微米，平均光强对比度约为4%，每层衍射效率约为35%。此外，该平台展示了迁移学习特性。在传输未包含在训练数据集中的31张HeLa细胞图像时，系统保持了高质量的光学图像重建，突显了将微型衍射神经网络与多模光纤集成为前所未有的微米级光学推理平台的潜力。这一创新为多功能紧凑光子系统铺平了道路。
该研究通过将多层光学衍射神经网络与多模光纤集成，成功实现了通过多模光纤直接光学图像传输。利用衍射神经网络的卓越计算能力，该系统有望在未来应用于紧凑光子系统，实现更广泛的功能扩展。
在光纤端面集成微型衍射神经网络为推进基于多模光纤的技术在紧凑光子系统中的应用提供了一个新颖的微米级平台，例如刚性内窥镜、多模光纤信号传输、模式排序和短距离量子光学互连。此外，这种方法可以扩展到各种光纤系统，包括单模光纤、梯度折射率光纤和无序光纤。
相关链接：https://dx.doi.org/10.1038/s41566-025-01621-4
主题：用于微创内窥镜的光纤图像传输技术
cyqdesign发表于 2025-02-08 09:34