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AI驅動光波導設計突破桎梏，開展光子元件新紀元

關鍵字：人工智慧(AI)；光波導；繞射波導；透鏡陣列；光子元件；模組化；多維光場調控；濾波；光路控制；
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科技產業資訊室(iKnow) - 瑞課 發表於 2025年6月19日
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圖、(繞射波導示意圖)AI驅動光波導設計突破桎梏，開展光子元件新紀元

人工智慧(AI)正以史無前例的速度滲透各行各業，如今這股浪潮也席捲了光子學領域。美國加州洛杉磯的加州大學洛杉磯分校(UCLA)Ozcan 實驗室，成功展示了AI驅動的繞射波導(AI-designed diffractive waveguides)設計技術。這項技術徹底顛覆了傳統光波導的設計思維。透過深度學習優化一系列串級排列的透明繞射層(Cascaded diffractive layers)，讓繞射層形成類似於光學透鏡陣列微觀結構，精確引導光線路徑。該技術不僅能以極高的精度控制光線傳輸，更實現了多功能光學操作，開啟了下一代光子元件的發展道路，預示著全新光子智慧時代的來臨。UCLA開發的AI驅動光波導設計成果，已發表於《Nature Communications》期刊。
  
傳統光子元件的設計，長期以來一直受限於材料固有的物理特性與複雜的製程瓶頸。無論是平面波導、帶狀波導或是光纖波導，均仰賴材料的折射率差異來束縛光線。儘管此類技術已能滿足多數應用需求，然而，當面對更精細、更複雜的光學操縱需求時，傳統光子元件功能單一、設計彈性不足的問題便會顯現，而AI技術正好提供了合適的解決方案。

UCLA Ozcan 實驗室在《Nature Communications》研究論文中提出的繞射波導技術，不再僅依賴材料的折射率差異，而是透過一系列空間優化的繞射層，精確調變光波相位，以達到光線的精細動態控制。

AI驅動波導技術涵蓋了光波濾波與分離、光路控制及多維度光場調控。透過AI驅動的智慧化設計，研究人員可以選擇性地阻擋或分離特定光模式，並提升篩選精度。此技術亦支援波長與模式階數的多工操作，進而擴展了系統的資料傳輸容量與處理靈活性。

借助AI驅動的光波導設計，研究人員現在能夠設計出任意彎曲、轉向的波導，從而增加了光路設計的自由度。這一突破為光學系統的設計與應用開啟了新的可能性。透過AI控制光線的空間模式、光譜特性與偏振狀態，研究人員得以完成多維光場調控，並實現複雜的光學操作。

繞射波導框架重新構想了光線的控制方式，使其得以擺脫材料物理特性的限制，透過訓練一系列表面來引導光線，並以串級方式執行複雜的光學任務。研究人員在太赫茲(THz)頻譜下進行了實驗，結果顯示波導能選擇性地允許某些空間模式通過，同時阻擋其他模式。其實驗結果與模擬結果相符，進一步證實了繞射波導框架的可行性。
 
圖1、 AI驅動繞射波導的優勢

AI驅動的繞射波導技術不僅是學術上的突破，也為多個關鍵產業提供了新的應用前景。首先，在通訊領域，這項技術將可能進一步提升光的通訊能力與資訊傳輸能力。其次，在感測技術方面，AI波導精細的光線操縱能力，有助於開發更小巧、更靈敏且環境適應性更強的新一代感測器。

此外，AI波導所展現的「模組化」與「積木化」設計趨勢，正在影響光學元件的開發模式。這種可串級、可客製化的特性，有望簡化複雜光子系統的設計與整合流程，加速產品開發週期。當然，這項技術的潛力不僅限於上述領域，未來在生物醫學成像、量子計算等前沿科學領域也可能扮演關鍵角色。(1146字；圖1)


參考資料： Optimizing structured surfaces for diffractive waveguides. Nat Commun. 2025/06/06.
AI-Designed Waveguides Specify Control of Light Beyond Basic Transmission. Photonics spectra. 2025/06/17.

 

 
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