2025年9月22日，香港理工大学晋江技术创新研究院微电子研究所论文《Supercell-based metasurfaces for arbitrary polarization beam splitting: physics-informed U-Net design with high extinction ratio》在国际知名光学期刊《Optics Express》（Vol.33，No.19）上发表。

《Optics Express》隶属于美国光学学会(OSA),是全球著名的光学期刊之一。该期刊主要以发表原创性强且成果突出的光学成果著称。

该论文由香港理工大学晋江技术创新研究院院长、微电子研究所所长、香港理工大学电机及电子工程学系余长源教授团队完成，团队成员包括潘云韬、刘宏顺、程志、魏子贤、黄旭光。其中，香港理工大学晋江技术创新研究院微电子研究所科研助理、香港理工大学博士生潘云韬担任论文第一作者。

该研究提出了一种基于物理信息深度学习方法的任意偏振复用超表面分束器设计。通过改进U-Net架构并嵌入波传播物理模型，实现了对正交偏振分量的高效相位重建。所设计的硅纳米柱超胞结构具备完整的琼斯矩阵解耦能力，可独立调控右旋与左旋圆偏振光。仿真结果显示，该结构偏振消光比达34.11dB，传输效率为63.91%，为集成光子学和量子光学等领域提供了一种紧凑高效的偏振控制解决方案。

创新方法：物理驱动的AI设计

传统超表面设计（如偏振分束器）一直面临着高维参数优化困难、计算量大、难以同时控制多偏振态等挑战。针对这些问题，该研究提出了一种革命性的解决方法：将光学物理模型——角谱传播理论，直接嵌入到改进的U-Net神经网络中进行训练。该网络采用共享编码器加双解码器的关键架构，只需输入目标远场光强图，即可同时输出右旋圆偏振光（RCP）和左旋圆偏振光（LCP）所需的相位分布。这一方法的最大优势在于无需依赖海量训练数据，实现了端到端的优化，既保证了结果符合麦克斯韦方程、具备物理可实现性，又显著提高了计算效率。

FDTD仿真结果验证

通过时域有限差分（FDTD）仿真验证，该设计展现出了卓越的性能：偏振消光比（PER）高达34.11 dB（平均最大值），远超传统设计通常20 dB即达标的标准，表明其偏振分离纯度极高。同时，整体透射效率达到了63.91%，在实现复杂多功能（如空间、强度和偏振的同时控制）的前提下，仍保持了良好的光学效率。此外，焦点质量接近衍射极限（FWHM≈1.8λ），空间串扰低于-30dB，进一步凸显了该设计的高精度与低干扰特性。

卓越性能：高消光比与高效率

研究团队成功设计并仿真了一款三焦点偏振分束器，能够独立控制每个焦点的位置、光强比（1:2:3）以及偏振态（LCP、RCP和45°线偏振）。这一案例充分展示了该方法在多任务、高复杂度光学场景中的强大能力。

超胞结构：实现偏振解耦

为了实现AI所设计相位分布向实际器件的转化，研究采用了由硅纳米柱构成的2x2超胞结构。其创新点在于结合了几何相位（通过调控纳米柱长宽实现）和Pancharatnam-Berry（PB）相位（通过旋转纳米柱角度实现），从而在单层超表面中实现了完全的琼斯矩阵解耦，可对正交偏振态（RCP和LCP）进行独立且精确的控制。此外，团队还开发了复域插值法，能够高精度地将目标相位映射到纳米柱的几何参数和旋转角度上，平均误差仅为0.042π弧度。

核心技术：相位恢复与物理约束

神经网络的核心任务是从目标远场光强分布中精确恢复出超表面所需的RCP和LCP相位分布。在训练过程中，系统融入了多种物理约束，包括光强匹配误差（MSE）、能量守恒和相位平滑性，最终相位恢复的MSE低至4.3×10⁻³。验证示例表明，该方法能够成功恢复复杂图案的相位，并重建出高保真度的远场光强分布。

应用前景：紧凑高效的偏振控制

该方法为先进偏振控制器件的研究提供了一个紧凑而高效的设计框架，应用前景广阔，涵盖集成光子学（芯片级光路）、光通信（偏振复用）、量子信息处理（量子态操控）、增强现实（AR）（紧凑光学元件）及生物医学成像（偏振分辨）等多个重要领域。其重要意义在于大幅降低了复杂超表面逆向设计对计算资源的需求，同时确保了器件的高性能与物理可实现性。

该研究“物理驱动AI”的创新设计显著提升了超表面设计的效率与质量，在微小尺度上同时实现对偏振、相位与空间光场的独立控制，为集成光子系统提供了器件解决方案。体现了香港理工大学晋江技术创新研究院在前沿交叉领域的科研实力。

文章链接：https://opg.optica.org/oe/fulltext.cfm?uri=oe-33-19-39960&id=577289