导读

衍射光学处理器与超表面在先进光学计算与计算成像领域中扮演着关键角色。尽管衍射光学处理器与超材料展现出广阔的应用潜力，目前大多数相关研究仍受限于二维结构设计与长波长应用。

近日，美国加州大学洛杉矶分校（UCLA）电气与计算机工程系Aydogan Ozcan教授团队与博通（Broadcom）研发团队合作，基于深度学习优化设计与晶圆级纳米制造工艺，首次实现了面向可见光波段、且不受偏振影响的单向成像衍射光学处理器。

该器件利用多层纳米衍射结构，无需电子或机械元件，使图像信息在一个方向清晰传输，同时在反向方向被显著抑制和扭曲。该成果展示了晶圆级多层纳米衍射处理器在可见光成像中的首次应用，为未来智能成像、光学隐私保护和信息处理开辟了新路径。

相关研究以“Broadband Unidirectional Visible Imaging Using Wafer-Scale Nano-Fabrication of Multi-Layer Diffractive Optical Processors”为题发表在国际顶尖光学期刊《Light：Science & Applications》。

图1. 基于晶圆级纳米制造的多层衍射光学处理器，在可见光波段同时实现图像的正向传输与反向阻断。

研究背景

衍射光学处理器与超表面在先进光学计算与计算成像领域中扮演着关键角色。尽管衍射光学处理器与超材料展现出广阔的应用潜力，目前大多数相关研究仍受限于二维结构设计与长波长应用，主要原因在于三维衍射光学架构中的纳米特征加工难度极高。

研究亮点

首次实现可见光波段的宽带、偏振无关的单向成像器件，突破传统技术瓶颈，填补该领域空白。

大面积纳米级多层衍射结构制造：采用高纯度熔融石英，成功实现大面积纳米级相位结构加工，确保器件在可见光下具备优异的光学透明性和热稳定性。

晶圆级多层纳米制造技术：在两层轴向精确对准的衍射层中，累计刻画约 5 亿个相位特征。此方法能在6英寸晶圆上达成数百至数千个多层衍射处理器的高通量制造，具备低成本、大面积量产优势，制造工艺与半导体工业流程兼容。

偏振特性：额外实验验证该器件在不同光偏振态下均能维持稳定的单向成像性能，进一步拓展其实用性。

优异的集成兼容性与扩展潜力：所采用的制程与电子器件兼容，具备良好的扩展性，可广泛应用于未来光电混合集成系统，适用于智能成像、光学信息处理、光通信等多元领域。

总结与展望

该研究首次在可见光波段实现了基于晶圆级纳米制造的单向成像，突破了传统光学隔离与成像器件的波长与加工限制。未来，这一平台有望应用于智能成像、光学加密、隐私保护、光通信以及下一代光学传感系统，助力开发新一代小型化、集成化、可编程光学器件。同时，该研究进一步验证了深度学习设计与纳米制造工艺融合在复杂光学功能实现中的强大潜力，为计算光学、信息光学和光电集成技术带来了新方向。（来源：LightScienceApplications微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-025-01971-2