【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】2026年8月11日，北京大學電子學院常林團隊與物理學院楊起帆團隊合作在《自然·通訊》(Nature Communications)在線發(fā)表了題為《基于遞歸逆向設計的超光譜光子集成回路》(“Hyper-spectral photonic integrated circuits based on recursive inverse design”)的研究文章。團隊創(chuàng)造了遞歸逆向設計算法，通過融合多尺度仿真打破了光芯片設計的“算力墻”，實現(xiàn)了全鏈路結構的自動化設計。其構建的超光譜光子芯片讓片上光譜儀在多項關鍵指標上超越了昂貴的商用設備，實現(xiàn)了具有亞皮米分辨率、超過800nm頻譜覆蓋范圍的片上光譜測量。這一成果為未來光譜傳感的下沉和普及提供了基礎性科學支持。
 

　　光譜調(diào)控是現(xiàn)代光子系統(tǒng)的核心能力之一。在光計算和光譜感知系統(tǒng)中，頻譜響應所包含的獨立可分辨特征越豐富，系統(tǒng)能夠承載的信息通道就越多，計算吞吐量和探測分辨率也越高。然而傳統(tǒng)光子集成電路面臨著嚴重的“面積-性能”兩難困境，使得小型化光譜系統(tǒng)往往伴隨著分辨率和帶寬降低，光學損耗激增等問題，難以滿足應用需求。因此，如何用有限的芯片面積產(chǎn)生高密度、可預測并可定制的頻譜響應，是集成光子學面臨的重要挑戰(zhàn)。
 

　　針對這一難題，研究團隊提出了超光譜集成光子回路(hyper-spectral photonic integrated circuits，HS-PICs)。該光路由一系列延遲波導和具有部分反射能力的反射節(jié)點相互連接而成。相比傳統(tǒng)級聯(lián)電路讓光依次通過一個個彼此獨立的器件，該結構則是建立了一套可以“反復調(diào)用”的光學網(wǎng)絡：光在不同節(jié)點之間多次往返，同一個物理節(jié)點能夠參與多個傳播路徑。由此，在相同無源面積和損耗條件下，該架構的頻譜復雜度上限明顯高于傳統(tǒng)級聯(lián)干涉儀、耦合微環(huán)和啁啾布拉格結構。
 

　　為了將這種結構轉化為可制造的芯片，研究團隊進一步提出遞歸逆向設計(recursive inverse design，RID)算法。該算法不再獨立完成器件或鏈路結構設計，而是將芯片設計問題逐層分解為結構相似的子問題，在不損失仿真精度的前提下實現(xiàn)了全鏈路的自動化設計。實驗證明，該方法使傳統(tǒng)全波逆向設計需要數(shù)年才能求解的問題得以在25小時內(nèi)完成，同時將高度依賴經(jīng)驗的復雜光子電路設計推進為自動化設計流程。
 

　　基于上述方法，研究團隊在4英寸氮化硅晶圓上設計并制造了超光譜光子回路。該芯片可提供59,049種可訪問調(diào)諧狀態(tài)，并支持780—2000nm范圍內(nèi)的4個工作波段。在常規(guī)1024通道工作模式下，芯片可在1秒左右完成單次光譜掃描。光譜重建實驗中，該芯片成功重建了單峰、雙峰，寬帶和寬窄帶混合光譜：單峰光譜在跨越800nm的工作范圍內(nèi)保持低重建誤差，并能夠分辨間隔僅0.9皮米的雙峰信號。該芯片還可實現(xiàn)微波信號的頻譜探測：在超過20THz的光學帶寬內(nèi)，系統(tǒng)在對多種信號的探測中均實現(xiàn)了125GHz的射頻分辨率，平均頻率偏差為157GHz。這些結果驗證了該架構在超高分辨率、超寬波段光譜感知中的能力。
 

　　未來，這項技術有潛力應用于精密光譜傳感和光計算系統(tǒng)中。它不僅通過架構創(chuàng)新系統(tǒng)性地提高了片上光譜儀的性能極限，推動芯片化光譜儀的應用，同時也為頻域上的片上信息處理奠定了基石。
 

　　該論文的共同第一作者為北京大學電子學院博士研究生何昊、涂增基和物理學院博士研究生王元蕾。常林和楊起帆為共同通訊作者。主要合作者還包括北京大學電子學院博士后趙紅艷、張磊，研究生封創(chuàng)新、陳玉君，物理學院博士后楊若傲，信息科學技術學院本科生周雍卓和電子學院吳建軍教授。該工作由北京大學電子學院光子傳輸與通信全國重點實驗室作為第一署名單位完成。該研究得到了北京市自然科學基金、國家自然科學基金、上海市2025年度“科技創(chuàng)新行動計劃”、石家莊-北京大學合作計劃聯(lián)合研究項目、何享健科學基金及啟明光子等支持，并得到北京大學高性能計算平臺、北京大學微納加工平臺和北京大學先進光子集成中心的支持。
 

　　引用：電子學院常林團隊與合作者在芯片化光譜儀領域取得重大進展-北京大學【引用時間：2026年9月11日】