微創(chuàng)光纖圖像傳輸技術(shù)能夠直接應用于光纖內(nèi)窺鏡支持的精準醫(yī)療、微創(chuàng)腦神經(jīng)細胞的動態(tài)研究等,為生物醫(yī)學領(lǐng)域提供了全新的技術(shù)平臺。利用百微米直徑的多模光纖實現(xiàn)光學圖像傳輸是微創(chuàng)光纖成像新技術(shù)的核心，但多模光纖具有高度散射特性，在傳輸過程中產(chǎn)生模式色散會降低光信息的質(zhì)量（出現(xiàn)散斑效應）。盡管現(xiàn)有技術(shù)取得了一些進展，如利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或空間光調(diào)制器（Spatial light modulator），但使用具有微米級集成光學元件通過多模光纖實現(xiàn)直接光學圖像傳輸仍是長期挑戰(zhàn)。

“傳統(tǒng)多模光纖因模式耦合易受彎折干擾，導致信號失真，如同透過毛玻璃看世界?！睆垎⒚鹘淌诮忉專拔覀兊墓鈱W神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)就像在光纖末端安裝了一臺‘智能顯微鏡’，實時糾正畸變，還原清晰信息流?！睆垎⒚鹘淌谠u價。

蔚浩義表示“我們采用3D雙光子納米光刻技術(shù)，在直徑不足0.1毫米的多模光纖端面精準制造出多層微型光學衍射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)?！边@一結(jié)構(gòu)可直接在可見光波段對傳輸中的散斑圖案進行振幅與相位信息的實時解析，無需傳統(tǒng)AI技術(shù)所需的“光-電-算”轉(zhuǎn)換步驟，首次實現(xiàn)了多模光纖內(nèi)光信號的全光學智能處理。微型光纖圖像傳輸技術(shù)能夠直接應用于光纖內(nèi)窺鏡支持的精準醫(yī)療、微創(chuàng)腦神經(jīng)細胞的實時成像研究，為生物醫(yī)學領(lǐng)域提供一個前所未有的技術(shù)平臺。同時，因為多模光纖能夠承載的光學信息模式數(shù)量是傳統(tǒng)單模光纖的數(shù)萬倍，多模光纖圖象傳輸技術(shù)在新一代高速度光通信、量子信息處理、微型光子學器件等信息科學領(lǐng)域具有重要價值。

1. 醫(yī)療內(nèi)窺鏡：精準捕捉早期病變

現(xiàn)有內(nèi)窺鏡因圖像失真可能漏檢微小腫瘤。新技術(shù)可提升圖像分辨率與信噪比，結(jié)合深度學習算法，助力醫(yī)生識別早期癌癥特征。未來，患者可通過更小創(chuàng)傷的微型設(shè)備，獲得接近病理切片級的實時影像，大幅提高篩查效率。

2. 光通信：邁向超高速光通信

傳統(tǒng)單模光纖受限于物理特性，帶寬接近理論極限。多模光纖雖可容納更高容量，卻因失真難以實用。本技術(shù)通過全光處理突破瓶頸，將助力實現(xiàn)高速度的通信，為6G通信、元宇宙等超大數(shù)據(jù)場景鋪路。

顧敏院士總結(jié)道：“這一技術(shù)成果不僅為光學智能內(nèi)窺鏡技術(shù)和高速光通信技術(shù)提供了技術(shù)平臺，更是實現(xiàn)新一代的低能耗、高算力、高通量的光學人工智能技術(shù)的一項重要突破。”

基于技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，結(jié)合光學神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對病理圖象數(shù)據(jù)的處理能力，蔚浩義副教授團隊認為小型化光學衍射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與多模光纖成功集成將促進微創(chuàng)光纖內(nèi)窺鏡技術(shù)升級，推動智能內(nèi)窺鏡相關(guān)技術(shù)發(fā)展，為臨床醫(yī)學提供更多人工智能驅(qū)動的診療手段，提高診斷效率；同時，該技術(shù)成果也為更多光纖系統(tǒng)在量子光學領(lǐng)域提供了可能，包括單模光纖、梯度折射率光纖、無序光纖等。

上海理工大學智能科技學院蔚浩義特聘副教授為本文第一作者，顧敏院士和張啟明教授為本文共同通訊作者。本工作在國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金等項目的支持資助下完成，并得到上海市科學技術(shù)委員會、上海市科技重大項目、上海前沿科學中心計劃、上海市自然科學基金、上海市超級博士后激勵計劃等平臺和項目的大力支持。作者特別感謝南京晶萃光學科技有限公司（JCOPTIX）提供的光學元件與儀器支持。