同濟(jì)大學(xué)實(shí)現(xiàn)光學(xué)超表面的全傅里葉衍射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

光計(jì)算以光子而非電子作為信息載體，以其高信息容量、低功耗、光速處理和大規(guī)模并行等特點(diǎn)，被廣泛認(rèn)為是后摩爾時(shí)代的顛覆性計(jì)算技術(shù)。人們致力于通過(guò)對(duì)光波的（振幅、相位、偏振和頻率等）調(diào)控來(lái)構(gòu)建光學(xué)神經(jīng)計(jì)算架構(gòu)，有望在機(jī)器視覺(jué)、智能駕駛、智慧醫(yī)療和萬(wàn)物互聯(lián)等領(lǐng)域取得重要應(yīng)用。由于傳統(tǒng)衍射光學(xué)元件的調(diào)控維度有限，目前的光衍射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)更多依靠光的相位調(diào)制進(jìn)行功能設(shè)計(jì)，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)全傅里葉參量（即光復(fù)振幅）的任意且獨(dú)立調(diào)控，而復(fù)振幅又是光網(wǎng)絡(luò)需要訓(xùn)練和學(xué)習(xí)的完整參數(shù)。 \j vS`+  
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超表面，由平面亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成，幾乎可以塑造任意的光波前。盡管超表面具有優(yōu)異的光波調(diào)控能力，但現(xiàn)有超表面復(fù)振幅調(diào)控方案又會(huì)帶來(lái)網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)元密度降低或偏振轉(zhuǎn)化復(fù)雜等問(wèn)題。因而如何設(shè)計(jì)高效、完全解耦、大空間密度、簡(jiǎn)單偏振轉(zhuǎn)換的復(fù)振幅調(diào)控超表面單元來(lái)搭建高性能的衍射光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，仍然具有較大的挑戰(zhàn)性。 sO&eV68 [  
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鑒于此，同濟(jì)大學(xué)物理科學(xué)與工程學(xué)院王占山教授和程鑫彬教授團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合湖南大學(xué) 段輝高教授團(tuán)隊(duì)，利用雙折射和偏振旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)原理實(shí)現(xiàn)了對(duì)振幅和相位獨(dú)立且任意調(diào)控的介質(zhì)超表面單元，并基于此實(shí)現(xiàn)了一種全傅里葉參量的光學(xué)超表面衍射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（FONM），闡明了該架構(gòu)相比傳統(tǒng)的純相位型光學(xué)衍射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在典型功能和場(chǎng)景下更具有優(yōu)勢(shì)。近日，相關(guān)研究成果“Full-Fourier-Component Tailorable Optical Neural Meta-Transformer”發(fā)表在Wiley旗下期刊《激光與光子學(xué)評(píng)論》（Laser & Photonics Reviews）上。文章通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)證明了：其作為分類器，F(xiàn)ONM提高了識(shí)別精度，特別是對(duì)于高頻特征較多的輸入；作為成像儀，它可以有效抑制輸出圖像的背景噪聲；作為編碼器時(shí)，還可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)近場(chǎng)灰度納米打印和神經(jīng)全息的功能復(fù)用。 M3q7{w*bM  
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論文首先對(duì)比了傳統(tǒng)的衍射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和FONM架構(gòu)，如圖1a所示，前者通過(guò)純相位（PO）調(diào)控來(lái)操縱衍射光場(chǎng)，因此網(wǎng)絡(luò)的輸出結(jié)果具有更多的高頻成分，且不可避免地受到環(huán)境噪聲影響。相比之下，F(xiàn)ONM旨在操縱光場(chǎng)的全傅里葉分量，可以提高成像質(zhì)量等性能，其架構(gòu)原理圖如圖1b所示。 /.m}y$@GV  
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