据悉，中国科学技术大学研究人员对用于多阶模拟空间微分器的平面光子芯片的研究以“Single planar photonic chip with tailored angular transmission for multiple-order analog spatial differentiator”为题发表在《Nature Communications》。
目前，由于大数据时代对大规模实时数据处理的需求迅速增加，人们对光学模拟信号处理产生了浓厚的兴趣，纳米光子学方面的重大进展为该领域带来了机遇。虽然数字信号处理可以提供很大的通用性，但由于使用昂贵的模拟到数字转换器，它存在处理速度低、功耗高和复杂性高的问题，这些问题在研究非重复性和罕见现象(例如非线性动力学)时变得很明显。这些限制可以通过使用光学模拟信号处理来消除，因为它具有本质上的并行特性，可以提供高速运行和低功耗。传统光学信号处理和傅里叶光学中使用的传统笨重透镜现在已被纳米光子材料所取代，例如基于超表面(或超材料)、光子晶体、等离子体结构、自旋霍尔效应和拓扑光子学制备的紧凑且高效的超薄器件。
光学模拟空间微分器就是其中之一。该分配器可以对从整个图像中检测到的边缘进行大规模并行处理，这已被证明在机器和计算机视觉、医学或生物成像操作以及自动驾驶汽车中具有重要应用。然而，大多数基于纳米光子材料的光学模拟空间微分器只能进行一次数学运算，产生一阶或二阶导数。本文提出了一种由全介电多层材料制成的平面芯片，可以在不改变结构参数的情况下同时作为一阶和二阶空间微分器工作。该芯片还实现了以前从未实现过的三阶和四阶微分。这种芯片可以使用标准的沉积技术大规模制造。将该芯片集成到商用光学显微镜的光路中，实现了对振幅物体和相位物体的边缘检测。这种平面芯片具有薄的外形和多功能的基于波的模拟计算能力，这将为光学成像和计算带来机会。
研究人员经过理论分析和数值计算表明，同一芯片具有两种类型的非定域性，这意味着在同一光子芯片上可以同时进行一阶和二阶空间微分。为了验证这一点，图2a所示的平面光子芯片是通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)制备的。所制造芯片的扫描电子显微镜(SEM)图像如图2b所示。内部制造的后焦平面(BFP)成像装置，如图2c所示，用于表征该光子芯片的角度依赖传输或非局域性。图2d所示的传输BFP图像与图1d所示的模拟图像具有相似的强度分布。
平面光子芯片的主要优点之一是它能够与传统光学系统垂直集成。在本研究中，芯片被纳入一个标准的传输光学显微镜系统。在该系统中，芯片被放置在1951年标准USAF分辨率测试图的振幅阶跃对象之下(如图3a所示)。图3a显示了成像系统的示意图，其中样品被失焦光束照射，不同的照射区域对应不同的入射角。在没有偏振分析仪的情况下，测试图中三种元素的成像结果如图3b、c所示，可视为这些元素的亮场光学图像。图3d显示了这些亮场图像的二阶导数计算结果。如图3f所示，当光子芯片作为二阶微分器工作时，当正交偏振分析仪插入光学系统时，所获得的测试图图像，如补充视频1所示。实验图像和模拟图像均在水平方向和垂直方向上清晰地呈现微米尺度单元的边缘，表明了二维空间分异过程。图3h显示了沿虚线穿过分化图像的强度分布(如图3d, f所示)，其中每个边缘周围形成了两个紧密间隔的峰值。这种现象代表了二阶导数过程的典型性质。
二维四阶空间微分，如图4a和补充视频3所示。图4c显示了沿虚线穿过分化图像的强度分布(如图4a所示)，其中在边缘周围形成了四个紧密间隔的峰值。这种现象代表了四阶导数过程的典型性质。三阶空间微分图像，如图4b和补充视频4所示。沿虚线穿过分化图像(图4b)的强度剖面(图4d)显示，在边缘周围形成了三个紧密间隔的峰值，这是三阶导数过程的典型性质。在638 nm波长处的模拟BFP图像和实验BFP图像如图4e f所示，两者吻合。在模拟BFP图像上(图4e)，分别设计粉色梯形区域和橙色圆形区域进行三阶和四阶空间微分，其原理与一阶和二阶微分相同。
本节采用生物样本(B16F10黑色素瘤细胞和洋葱表皮)作为成像标本。这些样本只对相位有显著影响，而对其振幅没有影响，这类样本因此被称为相位对象类。所使用的实验装置与图3a所示的实验装置相同，不同之处在于平面光子芯片上的样品被生物样品所取代。图5a, e为黑色素瘤细胞的亮场图像，图5c, g为洋葱表皮的亮场图像。这些明亮的场图像是使用宽带白光照明源获得的。由于这两个标本的透明性质，它们的形状和边界在亮场图像中不是很清楚。当照明波长调到643 nm时，可以获得二阶(图5b, d)和一阶(图5f, h)分化图像，这些图像既显示出明显的边缘增强，又显示出高对比度的细胞边界。
图6a显示了一种商用相位型衍射光学元件，称为涡旋相位板(拓扑电荷=1,VPP-1b, RPC Photonics, Inc. , USA)，其光学厚度与方位角旋转成正比。这个元件总是用来产生光学涡旋光束。有一条线表示不连续的螺旋相位(即0的螺旋相位和2π的螺旋相位之间的边界;图6a)的插图。这条线在亮场图像上非常模糊(图6b)，而在一阶微分图像上这条线变得很明显(图6c)，因为这条线上存在相位梯度。
本文提出了一种由精心设计的介电多层结构组成的平面光子芯片，可以在不改变芯片结构参数的情况下，通过实验实现一阶、二阶、三阶和四阶空间微分的多重数学运算。结果表明，同一芯片可以实现更高阶的空间微分。研究人员证明了这个光学元件可以对光波进行多阶微分运算，使这个芯片可以作为一个多功能的光学模拟信号处理的紧凑器件。此外，高阶微分可以导致图像边缘的峰值更清晰，这意味着高阶微分在图像锐化中可以发挥重要作用。该芯片作为空间微分器提供了多功能基于波的模拟计算能力，为设计用于边缘检测和光学图像处理的快速、节能、紧凑和低成本器件提供了途径，并为快速发展的研究领域提供了机会。https://www.nature.com/articles/s41467-022-35588-5
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