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图1 神经网络辅助的超构表面路由器应用场景
1. 导读
由于对信道容量和传输速率的迫切需求，信息大爆炸时代极大推动了空分复用通信技术的快速发展，涵盖了偏振、模式和波长等多种复用维度。为了满足高度微型化和集成化通信系统的要求，在扩展复用维度和增加并行信道的同时，如何降低光纤通信架构的设计复杂性并提高设备的紧凑性，成为至关重要的挑战。对此，科学家们将超构表面和神经网络的概念引入光纤通信平台，利用神经网络优化超构表面器件的设计，以实现空间模式的复用和解复用。然而，现有的超构表面复用器件大多专注于单一的空间模式转换或分离，且主要基于光纤模式的横向复振幅分布，限制了复用维度的扩展。针对这一问题，武汉大学郑国兴和余磊教授团队在Nanophotonics期刊上发表了最新研究，提出了一种神经网络辅助的超构表面路由器，用于实现光纤模式及偏振的解复用。该方案基于传输相位机制，利用神经网络算法，构建了一种偏振敏感的超构表面路由器件，能够实现双偏振态下四种模式的空间分离和解复用（如图1所示）。研究团队还在光纤通信波段内进行了实验验证，并计算了关键性能指标。在理论模型分析和数值仿真基础上，实验结果表明，不同偏振态的特定模式经超构表面调制后，其衍射光点准确地定位于探测平面的目标位置，与理论设计高度吻合。研究还计算了各偏振模式的插入损耗、模式串扰和模式保真度等参数，充分验证了该设计方法的有效性与实用性。该研究将超构表面、神经网络和光纤通信三大领域深度融合，为实现超紧凑、多维度的模式路由提供了明确的理论指导和实践经验。该成果为超构表面材料在空分复用通信、物体识别与分类、信息显示、处理及加密等领域的进一步研究与应用开辟了新路径。2. 研究背景
现代信息传输对高容量、高速率的需求推动了光纤通信技术的革新，近年来基于横向空间维度的空分复用通信技术得到了广泛关注和深入研究。在空分复用通信系统中，光纤模式的复用和解复用是关键环节，现有的技术手段包括耦合器、波导、自由空间光学元件组合以及光子灯笼等方法。然而，传统光器件难以同时满足多维度、高性能和超紧凑化的需求，阻碍了高度小型化系统的实现。因此，如何利用低复杂度的设计方法和高集成度的器件架构，来实现光纤模式的强度分布、偏振态等多个维度的路由和识别，仍然是一大挑战。为了解决这些问题，科学家们引入了超构表面的概念。超构表面是一种由亚波长尺度的平面人工单元结构按照特定方式排列而成的超材料，为光纤通信技术的发展提供了新的理论探索和应用机会。凭借其超紧凑的结构和高集成度，超构表面可以直接集成到光纤端面上，或嵌入到各类光纤通信系统中。目前，基于超构表面的光纤模式复用和解复用器件主要集中在空间模式的转换和分离，局限于单一维度，例如模式的强度分布或偏振态。然而，得益于超构表面对于多种光波参量的精准调控和多样化纳米结构的灵活构建，超构表面具备独立调制多种偏振模式的潜力。这为实现空间振幅分布和偏振状态两个维度的模式路由提供了新的可能，未来有望拓宽光纤通信系统的功能通道，提升系统传输容量，并加速系统集成进程。3. 创新研究
为应对上述挑战，团队将超构表面、神经网络算法与光纤模式复用技术相结合，提出了一种神经网络辅助的超构表面路由器，实现双维度多模式解复用的新方案。基于传输相位机制和傅里叶光栅原理，团队利用偏振敏感的超构表面，实现在两个正交偏振方向上对入射光波的独立相位调制。通过该设计，四种入射模式（包括两种偏振态的两种空间模式）被衍射至各自的目标区域，从而实现模式路由和识别（见图1）。团队基于光纤模式分布及其对应的目标数据集，运用神经网络建立了超构表面的物理模型，并对超构表面在两个正交偏振方向的相位分布进行了训练（见图2）。基尔霍夫衍射的计算结果与理论预测的完美吻合，验证了该设计方法的可行性和有效性。![]()
图2 神经网络辅助的超构表面路由器训练过程及其数值仿真结果
研究团队进一步利用人工纳米单元的几何结构自由度，筛选出16种不同尺寸的纳米单元，构建了偏振敏感的超构表面，实现了在两个正交偏振方向上的四阶相位调制。在理论仿真计算的指导下，团队在红外波段对双偏振态下的四种模式入射下，经超构表面的衍射路由进行了实验验证。通过调节偏振状态（X偏振、Y偏振和45度偏振）及模式转换（LP01和LP11模式），接收平面上目标光点的位置发生变化。实验结果表明，各个偏振态的模式均能够精准衍射至各自的目标区域，其位置与理论预期高度一致，成功实现了空间强度分布和偏振状态双维度的多模式路由与解复用（见图3）。![]()
图3 神经网络辅助的超构表面模式路由器验证光路及其实验表征结果
4. 应用与展望
研究团队提出了一种神经网络辅助的超构表面路由器的新方法，结合传输相位机制与傅里叶光栅特性，运用神经网络优化算法，构建了偏振敏感的多维度多通道超构表面路由器，实现了光纤模式和偏振解复用。该方法能够将多种偏振模式精准衍射至各自的目标区域，从而实现空间强度分布和偏振状态两个维度的模式路由。这一技术未来有望扩展到多波段、多模式、多偏振的复杂光波入射系统，具备在空分复用通信、物体识别与分类、信息显示、处理及加密等领域的广泛应用前景。该研究成果以“Neural
network-assisted meta-router for fiber mode and polarization demultiplexing”为题在线发表在Nanophotonics。本文作者分别是Yu Zhao, Huijiao Wang, Tian Huang, Zhiqiang
Guan, Zile Li, Lei Yu, Shaohua Yu, Guoxing
Zheng，其中Lei Yu和Guoxing Zheng教授为共同通讯作者。郑国兴教授团队隶属于武汉大学电子信息学院。
