近日，红外科学与技术重点实验室的李冠海、陈效双、陆卫研究团队和东华大学邢怀中教授团队在亚波长尺度上实现衍射光学神经网络赋能的非正交偏振全息复用方面取得进展，为复杂场景目标生成、通信信道容量提升、非线性光学和偏振探测等相关应用提供了新的可能和参考。成果以“Unlocking Ultra-High Holographic Information Capacity through Nonorthogonal Polarization Multiplexing” 为题在线发表在国际期刊《自然通讯》（Nature Communications）上。

超表面通常是由亚波长尺度的结构单元组成，基于几何相位、模式共振等机制可以同步操控光子相位、振幅和偏振等多个维度。偏振正交属性一方面使得任意两个正交偏振态（如水平和垂直）可以互不影响、独立操控；另一方面，也使得任意的偏振态都可以由一组正交基完备表征。虽然光子的偏振正交特性有助于实现完全隔离的偏振转换和保持，然而，也在根本上限制了类似波长维度在高光谱、超光谱等在复用通道数量上进行拓展的可能。

针对上述学科前沿问题，研究团队提出了一种在亚波长尺度上操控超表面局域本征偏振实现非正交偏振基复用的新机制。这种方法允许每个超表面单元的输入输出偏振状态之间存在非零内积，从而在不利用空间、时间或其他维度的情况下，实现了理论上完全隔离的三个非正交偏振通道循环的全息复用。基于此，团队进一步发展并建立了矢量衍射光学神经网络赋能的超表面全局非正交偏振优化设计从而提高衍射效率并抑制串扰，首次展示了10×10规模的琼斯矩阵下不同输入和输出偏振态55全息通道复用。通过局域本征偏振操控与衍射光学神经网络赋能的全局非正交偏振通道建立，使得不同的非正交偏振态能够选择性的耦合或抑制，实现了光子多维度、多功能集成复用。

王杰博士为论文的第一作者，李冠海研究员为通讯作者。上述成果获得了科技部、国家自然科学基金委、中国科学院、上海市科委等项目的资助。

图1 衍射光学神经网络赋能本征偏振操控获得55通道非正交偏振全息复用

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-50586-5

供稿、供图：王杰