南京大學物理學院彭茹雯教授、王牧教授研究組聯(lián)合美國東北大學劉詠民教授研究組，創(chuàng)新性地引入光學響應噪聲調(diào)控，成功突破光學超構(gòu)表面偏振復用的容量極限，為發(fā)展高容量光學顯示、信息加密、數(shù)據(jù)存儲提供新范式。他們的研究論文“Breaking the limitation of polarization multiplexing in optical metasurfaces with engineered noise” 近日發(fā)表于國際學術(shù)期刊《Science》上。

偏振是光的基本性質(zhì)，在信號傳輸、傳感探測等方面起著重要的作用，被廣泛應用于光子學和信息技術(shù)的多個領(lǐng)域。比如光的偏振可應用于大容量的復用技術(shù)，將信息通過多個獨立通道傳遞到預定目標。隨著光學器件的小型化，人們發(fā)現(xiàn)在諸如光學超構(gòu)表面的二維平面系統(tǒng)中，二階瓊斯矩陣能夠完整刻畫偏振光與其相互作用，從而該體系最多只有3個獨立偏振通道，造成偏振復用存在內(nèi)稟的容量極限。近年來盡管基于機器學習和迭代優(yōu)化等逆向設(shè)計方案很好地優(yōu)化了偏振復用技術(shù)，但是，3個獨立偏振通道的容量極限始終存在。打破該物理上限對于發(fā)展高容量的光學顯示、信息加密、數(shù)據(jù)存儲等應用至關(guān)重要。

最近，南京大學彭茹雯和王牧研究組與美國東北大學劉詠民研究組聯(lián)合，創(chuàng)新性地將精心設(shè)計的光學響應噪聲引入瓊斯矩陣方案中，突破超構(gòu)表面偏振復用容量的物理極限，理論演繹并實驗證實利用單一超構(gòu)表面成功獲得高達11個獨立偏振通道，該超構(gòu)表面在不同偏振的單色可見光照射下可觀測到11種獨立的全息圖像。該研究結(jié)果為目前光學超構(gòu)表面偏振復用的最高容量。基于該理論策略，研究團隊又進一步證實這種新型的偏振復用技術(shù)能夠與其它復用技術(shù)（比如空間復用，角動量復用等）相融合，并實驗展示單一超構(gòu)表面（樣品大小僅 0.33mm × 0.33mm）能夠產(chǎn)生36種獨立的全息圖像，形成包含26個英文字母和10個數(shù)字的全息鍵盤圖案。該研究為發(fā)展亞波長尺度下高容量光學顯示、信息加密、數(shù)據(jù)存儲提供新思路，在光通信和互聯(lián)、光計算、光傳感與探測、增強現(xiàn)實和虛擬現(xiàn)實（AR/VR）技術(shù)等領(lǐng)域具有廣闊的應用前景。

在該工作中，研究團隊首先發(fā)展出引入光學響應噪聲調(diào)控來打破偏振復用容量極限的理論方案。如圖1所示，通過設(shè)計含有多個共振單元的二維納米結(jié)構(gòu)，其對應瓊斯矩陣的對角元和非對角元都可以被獨立調(diào)控，能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)設(shè)計中的3個獨立偏振通道。如果期望實現(xiàn)M個偏振通道的復用，數(shù)學上三個瓊斯矩陣元需要滿足圖1A中的線性方程組（圖中以M=4為例）。但是在M》3的情況下，這一超定方程組不存在多于3個的獨立解，因此，研究團隊針對偏振復用方程組求解出最小二乘近似解（而非精確解），即有意引入光學響應的關(guān)聯(lián)噪聲來產(chǎn)生新的偏振通道，比如新出現(xiàn)的第四個偏振通道展示不同圖像（如圖1B所示）。然而，關(guān)聯(lián)噪聲的引入雖然能產(chǎn)生新的偏振通道，但是不同通道之間存在一定的串擾。為了消除這種串擾，保證信道的獨立性，研究團隊進一步引入強度可調(diào)的非關(guān)聯(lián)噪聲，減弱甚至消除信號串擾（如圖1C所示），并最終實現(xiàn)多通道偏振復用超構(gòu)表面（如圖1D所示）。

圖1.偏振復用超構(gòu)表面的設(shè)計新原理示意圖

為了驗證上述偏振復用設(shè)計新原理，研究團隊以五階偏振復用超構(gòu)表面作為示例。首先引入光學響應的關(guān)聯(lián)噪聲和隨機噪聲（圖2A， B），通過逆向設(shè)計遺傳算法獲得超構(gòu)表面的結(jié)構(gòu)參數(shù)，利用電子束刻蝕等技術(shù)制備得到光學超構(gòu)表面樣品（圖2C）。當改變?nèi)肷涔獾钠駪B(tài)，在對應的5個線偏振通道上，同一超構(gòu)表面產(chǎn)生五種獨立的全息圖形（“N”、“J”、“&”、“E”和“U”，如圖2D-F）。關(guān)聯(lián)系數(shù)和能量分布的定量分析表明，實驗結(jié)果和模擬計算結(jié)果與預期結(jié)果展示很好的一致性（圖2G-J）。至此，通過引入光學響應的關(guān)聯(lián)噪聲和隨機噪聲，研究團隊成功地利用單一超構(gòu)表面實現(xiàn)了超過3個獨立偏振通道，突破了二維平面體系偏振復用的容量極限。

圖2.五通道偏振復用超構(gòu)表面的設(shè)計和實驗實現(xiàn)。（圖2C中，從左到右標尺大小依次為40微米、40微米、0.5微米、250納米。）

基于該新設(shè)計原理，研究團隊進一步探索偏振復用容量的新極限。首先由理論計算獲得光學超構(gòu)表面偏振復用的相圖（圖3A）；然后根據(jù)該相圖，得到偏振復用的新容量上限為11個獨立通道。通過改變閾值條件，該上限還可以進一步提升。研究團隊通過實驗樣品制備和光學測量證實，單一超構(gòu)表面在不同偏振的單色可見光照射下可以獲得11種獨立的全息圖像（圖3B-D）。

圖3.偏振復用容量的新極限的理論結(jié)果和實驗驗證。（圖3B中標尺大小為50微米，圖3C中為400納米。）

值得提到的是，該種新原理偏振復用能夠兼容其他多種復用技術(shù)（如空間復用，角動量復用等），進一步提升信息傳輸和存儲的容量。作為示例，研究團隊將偏振復用與空間位置復用結(jié)合，理論設(shè)計了具有9重線偏振通道的超構(gòu)表面，同時每個偏振通道中都會在不同空間位置處產(chǎn)生4幅獨立的全息圖像；實驗上最終利用單一超構(gòu)表面（大小僅為0.33mm × 0.33mm）在可見光波段產(chǎn)生出36重獨立的全息圖像，構(gòu)建出光學全息鍵盤圖案（圖4）。

圖4.光學全息鍵盤圖案的實驗實現(xiàn)。（圖4A中標尺大小為50微米，圖4B中為400納米。）

眾所周知，噪聲在科學和工程領(lǐng)域通常是有害無益卻又不可避免的。但是，該項工作通過創(chuàng)新性地人為引入光學響應噪聲調(diào)控，成功突破了光學超構(gòu)表面偏振復用的容量極限，為發(fā)展高容量光學顯示、信息加密、數(shù)據(jù)存儲等提供了新的范式，結(jié)合其它復用技術(shù)（比如空間復用、角動量復用、波長復用等）可以進一步提高多功能復用容量，可望應用于光通信和互聯(lián)、光計算、光傳感與探測、AR/VR技術(shù)等眾多領(lǐng)域。

此項工作由南京大學和美國東北大學合作完成，南京大學為第一單位。南京大學熊波博士、博士生劉雨和美國東北大學博士生徐亦豪為論文的第一作者；南京大學彭茹雯教授、王牧教授和美國東北大學劉詠民教授為論文的通訊作者；該工作的合作者還包括美國東北大學博士生鄧林和南京大學賴耘教授、王嘉楠博士和碩士生陳超為。該項研究受到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金委等資助，同時也得到南京大學物理學院、固體微結(jié)構(gòu)物理國家重點實驗室、人工微結(jié)構(gòu)科學與技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心等支持。

審核編輯 ：李倩