在光子集成芯片中，扇入(Fan-in)是指將多路計算結果匯聚相加，是光學計算中常見操作之一。傳統的單模扇入(single-mode fan-in，SFI)可類比為把多條車道強行并入一條單車道：所有通路的光信號必須擠進單模波導，光學互易機制導致模式不匹配與耦合損耗，造成顯著信號衰減，從而限制系統級聯規模(圖1a)。
 

　　為解決這一問題，研究團隊提出了一種無損的多模模式扇入(Multi-mode fan-in，MFI)解決方案，核心思想是在同一波導內利用若干相互正交的空間模式，為每一路輸入分配“專屬車道”，即不同的正交模式，從而實現無損合并。形象地說，這相當于在微尺度上修建了一座“光子立交橋”：不同信號在各自模式通道中并行傳輸，避免了傳統單模合并時的能量衰減。實驗結果顯示：傳統單模扇入損耗約為3.53 dB，而多模扇入在三模式情況下的平均損耗均低于0.4 dB，接近無損合并水平。
 

　　圖為基于無損模式扇入的光子卷積加速器原理。a)單模扇入(SFI)與多模扇入(MFI)的原理及其散射矩陣；b)光子卷積加速器整體設計，MKM代表多模核調制器，MWR代表多模波導路由。
 

　　在解決模式扇入損耗問題后，研究團隊進一步實現了一顆高度集成的光子卷積加速器芯片，完成了從物理概念到功能器件的驗證。不同于傳統依賴時間-波長交織或波長-空間交織方案，該工作首次提出并實現了模式-空間交織的卷積架構，將空間模式作為獨立計算維度，實現了可兼容并行波長維度的卷積操作。首先，輸入向量并行加載到M=3個正交空間模式，經多模3-dB耦合器分路后，信號扇出為4路，進入N=4個多模核調制器(multimode kernel modulator, MKM)進行權重加載，即卷積核加載；隨后通過多模波導路由(multimode waveguide routing, MWR)完成卷積滑窗操作，同一波導不同模式的求和由多模光電探測端口完成(即多模扇入)，避免了單模耦合損耗。
 

　　該結構可并行處理K個波長，單周期完成K×M×N次乘加(MAC)運算；滑窗操作通過光路自然傳播實現，幾乎不消耗額外功率。通過逆向設計，所有功能集成于面積僅約0.42 mm2(不足米粒大小)的芯片上，計算精度約6-7位。在MNIST手寫數字識別任務中，該器件光域準確率達95.2%，僅比電域低0.6%，理論計算密度可達125.14 TOPS/mm2(每秒萬億次操作/平方毫米)。相比傳統方案，該模式-空間卷積顯著提升了吞吐率和能效，為片上大規模光子卷積及高密度光子互連提供了可擴展路徑。
 

　　該研究提出的無損多模扇入方案，突破了片上光計算的信號合并損耗瓶頸，使卷積等核心算子在模式維度實現了高效、近乎無損的累加。結合模式-空間卷積架構，系統在同一芯片內完成空間滑窗，且兼容波分復用并行運算，顯著提升了計算密度和能效比，為下一代低功耗、高吞吐率的人工智能(AI)硬件開辟了全新路徑。
 

　　研究得到國家自然科學基金項目資助，博士研究生孫尚森與張世紀為論文共同第一作者，董建績為通訊作者。