超表面在亚波长尺度下可以独立操纵光子的多个维度属性，为全息技术提供了新的可能性。相比传统器件，超表面在操控波长、偏振等维度方面更为有效。通过操控光的偏振维度来增加全息通道的信息容量成为切实可行的方法。传统的偏振复用基于2×2的琼斯矩阵，仅允许两个正交的偏振通道，从而确保应用中的完美隔离性，而在超过三个通道时将会失去效用。突破正交性的复用方式，是提升信息通道容量的关键因素。
近日，中国科学院上海技术物理研究所红外科学与技术重点实验室的李冠海、陈效双、陆卫研究团队提出了一种在亚波长尺度上实现的非正交偏振基复用方案。通过精细控制超单元随空间变化的局域本征偏振，以及非正交偏振通道的全局效应，拓展琼斯矩阵的维度，从而实现更高信息容量的复用。这种方法允许每个超原子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，实现了具有最小串扰的三个非正交偏振通道循环的全息图。团队发展并建立了矢量光学衍射神经网络，进行超表面单元的优化设计，提高衍射效率并减少串扰，最终首次展示了在10个输入和10个输出偏振状态下同时复用55个全息图的能力。
图1 动态全息元器件的概念和理论框架。a动态偏振全息器件效果示意图。b可控本征偏振调控机制示意图。
图1展示了这一动态全息元器件的概念和理论框架。超表面单元通过调控光的圆偏振状态，实现了对本征偏振和共轭偏振通道的有效控制。光经过超表面单元后，局部的本征偏振调制与全局的偏振通道衍射效应共同作用，最终通过检偏器合并成输出偏振，并在非正交偏振通道上输出全息图案。
图2 矢量衍射神经网络与三循环非正交偏振全息。a描述训练过程的矢量衍射神经网络概念模型。b-d三循环非正交偏振全息的训练目标(左上)、仿真结果(右上)和实验结果(中)。
为了获得超表面精细和最优全局效应，研究团队开发了如图2a所示的矢量衍射神经网络。这种网络可以优化超表面单元的振幅、相位和旋转角度，使多个偏振通道同时实现最优效果。图2b-d展示了这种方法在三循环非正交偏振复用全息图上的设计目标、仿真与实验结果，各通道间的串扰被控制在了极低的水平。
图3 55个全息通道的实验结果，底部和右边的符号分别代表输入和输出线偏振。
通过这种方法，研究团队成功在非正交偏振通道上生成了55种不同的全息图案，图案选自元素周期表中的符号，如图3所示。这些全息图案在同一区域内被复用，实现了超高容量的全息信息存储。
这一研究展示了将琼斯矩阵扩展到更高维度的可能性，为操控更复杂的偏振态和通道提供了新的方法，也为实现超高容量的全息复用提供了新的参考。
该成果以“Unlocking Ultra-High Holographic Information Capacity through Nonorthogonal Polarization Multiplexing”为题在线发表在《Nature Communications》。王杰博士研究生、陈金和郁菲茏博士为本文的共同第一作者，李冠海研究员为本文的通讯作者，陆卫研究员、陈效双研究员、邢怀中教授等提供了重要指导。此外，国科大杭州高等研究院、上海量子科学研究中心等也为本工作提供了协助。本工作也得到了中国科学院、科技部、国家自然科学基金委、上海市科委等资助。
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https://www.nature.com/articles/s41467-024-50586-5
