近日，华中科技大学武汉光电国家研究中心董建绩教授团队在光计算领域取得重要进展，提出并实现了一款通用可重构衍射光子芯片（URDPC）。该芯片首次在同一硬件平台上兼容处理片上导波模式、自由空间结构光场和电逻辑信号，同时通过片上数据加载机制有效突破了高维数据输入受限的瓶颈。相关成果发表于《Laser & Photonics Reviews》，题为 Universal Reconfigurable Diffractive Photonic Chip for Multi-Modal Optical Computing 。

传统集成光计算芯片面临功能固定、输入模态单一、端口数量严重制约高维数据加载等共性难题。尤其对于衍射光学网络，这些问题使其在实际动态场景中难以发挥通用计算潜力。针对上述挑战，研究团队设计了一款基于硅基平板衍射波导的通用可重构芯片。该芯片集成了80个氮化钛热光相移器作为可调单元，通过热光效应灵活调控光场相位，为动态重构提供了物理基础。同时，芯片整合了多种输入接口：模式复用器支持TE₀至TE₃四种片上模式输入，2×2光栅阵列可接收自由空间的结构光场，微环谐振器则实现电信号到光信号的映射。这一设计使单一芯片能够融合处理来自不同物理域的信息（如图1所示）。

图1 通用可重构衍射光子芯片

基于原位梯度下降训练算法，团队实时优化芯片传输矩阵，成功实现了四种TE模式的动态路由与分拣，模间串扰抑制优于-12 dB；对于空间光调制器产生的LP和OAM模式光束，经光栅耦合后同样实现了高保真路由，串扰优于-10 dB。在数字逻辑处理方面，团队提出非线性映射策略，将原始二维输入空间通过引入常值连续波信号和逻辑“与”操作生成的信号，嵌入到高维空间，使输入矩阵满足满秩条件，进而通过线性操作完成了与（AND）、或（OR）、异或（XOR）、同或（XNOR）四种基本逻辑运算及数值比较器功能，计算保真度超过99%，消光比优于12 dB。进一步利用衍射结构的波长选择性，芯片在双波长下同步执行了同构和异构并行逻辑任务，展现了多线程光计算能力。

面对物理端口有限而难以加载高维数据的普遍难题，团队创新性地将预处理后的图像特征直接编码到80个可调单元的相位状态中，实现了系统级输入维度的有效扩展。在MNIST四分类任务中，该方法取得84%的识别准确率，而若仅依赖传统4个物理端口，则几乎无法有效分类。这一方案为衍射光网络处理复杂视觉任务提供了可行路径。

该芯片目前虽为概念验证（80个可调单元），但其架构天然具备可扩展性。未来结合片上光学非线性激活单元和非易失性相变材料，有望构建大规模通用光计算系统，为人工智能、光传感和光电混合计算等领域提供新的硬件选择。

研究工作得到国家重点研发计划和国家自然科学基金资助。论文第一作者为华中科技大学武汉光电国家研究中心博士生崔建伟，通讯作者为周海龙副教授、时红艳研究员和董建绩教授。

论文全文链接：https://doi.org/10.1002/lpor.71755