近日，武汉光电国家研究中心张新亮教授、董建绩教授团队成功开发一种高效光子卷积器，该技术通过模式复用扇入解决了片上光信号合并时的损耗问题。相关研究成果发表在《自然·通讯》(Nature Communications)上，题为“无损模式复用扇入式高效光子卷积器(Highly Efficient Photonic Convolver via Lossless Mode-Division Fan-In)”。
在光子集成芯片中，扇入(Fan-in)是指将多路计算结果汇聚相加，是光学计算中常见操作之一。传统的单模扇入(single-mode fan-in，SFI)可类比为把多条车道强行并入一条单车道：所有通路的光信号必须挤进单模波导，光学互易机制导致模式不匹配与耦合损耗，造成显著信号衰减，从而限制系统级联规模(图1a)。
为解决这一问题，研究团队提出了一种无损的多模模式扇入(Multi-mode fan-in，MFI)解决方案，核心思想是在同一波导内利用若干相互正交的空间模式，为每一路输入分配“专属车道”，即不同的正交模式，从而实现无损合并。形象地说，这相当于在微尺度上修建了一座“光子立交桥”：不同信号在各自模式通道中并行传输，避免了传统单模合并时的能量衰减。实验结果显示：传统单模扇入损耗约为3.53 dB，而多模扇入在三模式情况下的平均损耗均低于0.4 dB，接近无损合并水平。
图为基于无损模式扇入的光子卷积加速器原理。a)单模扇入(SFI)与多模扇入(MFI)的原理及其散射矩阵；b)光子卷积加速器整体设计，MKM代表多模核调制器，MWR代表多模波导路由。
在解决模式扇入损耗问题后，研究团队进一步实现了一颗高度集成的光子卷积加速器芯片，完成了从物理概念到功能器件的验证。不同于传统依赖时间-波长交织或波长-空间交织方案，该工作首次提出并实现了模式-空间交织的卷积架构，将空间模式作为独立计算维度，实现了可兼容并行波长维度的卷积操作。首先，输入向量并行加载到M=3个正交空间模式，经多模3-dB耦合器分路后，信号扇出为4路，进入N=4个多模核调制器(multimode kernel modulator, MKM)进行权重加载，即卷积核加载；随后通过多模波导路由(multimode waveguide routing, MWR)完成卷积滑窗操作，同一波导不同模式的求和由多模光电探测端口完成(即多模扇入)，避免了单模耦合损耗。
该结构可并行处理K个波长，单周期完成K×M×N次乘加(MAC)运算；滑窗操作通过光路自然传播实现，几乎不消耗额外功率。通过逆向设计，所有功能集成于面积仅约0.42 mm²(不足米粒大小)的芯片上，计算精度约6-7位。在MNIST手写数字识别任务中，该器件光域准确率达95.2%，仅比电域低0.6%，理论计算密度可达125.14 TOPS/mm²(每秒万亿次操作/平方毫米)。相比传统方案，该模式-空间卷积显著提升了吞吐率和能效，为片上大规模光子卷积及高密度光子互连提供了可扩展路径。
该研究提出的无损多模扇入方案，突破了片上光计算的信号合并损耗瓶颈，使卷积等核心算子在模式维度实现了高效、近乎无损的累加。结合模式-空间卷积架构，系统在同一芯片内完成空间滑窗，且兼容波分复用并行运算，显著提升了计算密度和能效比，为下一代低功耗、高吞吐率的人工智能(AI)硬件开辟了全新路径。
研究得到国家自然科学基金项目资助，博士研究生孙尚森与张世纪为论文共同第一作者，董建绩为通讯作者。
