“元”光子：物理关联和数字模型之间的桥梁- 大数跨境

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“元”光子：物理关联和数字模型之间的桥梁

两江科技评论

2024-05-20

导读：近日，天津大学激光与光电子研究所姚建铨、吴亮团队联合自然语言处理实验室熊德意团队共同报道了“元”光子概念及相关工作，提出一种更为完备的元光子学数字化体系，并提供了符合人类认知的AI反馈。

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撰稿|由课题组供稿

导读

近日，天津大学激光与光电子研究所姚建铨、吴亮团队联合自然语言处理实验室熊德意团队共同报道了“元”光子概念及相关工作，提出一种更为完备的元光子学数字化体系，并提供了符合人类认知的AI反馈。相较于现有光学领域研究手段，较好地解决了针对不同光学需求模型架构难以迁移、多目标优化难以实现等问题。同时，团队引入多类别学科知识对所构建体系加以分析，有效提高了相关演示器件性能。相关研究成果受到国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目支持。

研究背景

目前，光子学器件的设计及相关问题的分析解决过程主要依托于研究人员的自身知识储备和实践经验，效率极大受限于个体情况，而不同光学课题之间其理论体系和实验数据的低互通性使得不同团队之间可借鉴的经验少之又少，只能依靠自身不断试验探索更优解。同时，现有的理论体系、仿真软件及实验系统难以实现由给定目标响应反推结构的“逆设计”，即便是对于AI与光学结合的工作，对于已有的模型结构加以简单的改变也需要重新对模型和数据集进行设计，而光学系统设计如何进行多目标优化也是目前领域中亟待解决的重要问题。凡此种种，都大幅增加了设计所需成本，一定程度上阻碍了光学研究进程。

基于上述情况，中国科学家提出光子学领域数字化发展的全新构想——“元”光子(Meta-photonics)概念为解决这些问题提供了思路。新兴的“元宇宙”领域促进了数字场景与现实世界的融合，而光子学领域借鉴这种思路，利用人工智能技术及模型共同构建起现实世界物理关系与虚拟世界数字模型之间的桥梁。医学领域中个体的差异性和DNA的共通性为寻找这一桥梁提供了思路：千千万万个患者的身体状况各不相同，而科学家们找到人体DNA、蛋白质等物质结构的共同点，通过对这些物质进行研究，从而找到不同病症之间的数据联系并探索出解决办法。那么，找到光学领域中的“DNA链”并对之加以分析优化从而构建起光学数字化知识架构，将促进研究成果的可转移性和互操作性。

研究亮点

天津大学团队使用不同的深度学习模型构建不同物理元素之间的内在维度联系，并将振幅、相位、极化转换率等因素结合在正演和反演模型的结果上，以AI技术为光学问题进一步分析赋能。同时，团队通过结合GAN网络和迁移学习的手段解决了现有数据集不充足的问题。针对不同光学需求模型架构难以迁移、多目标优化难以实现等问题，该研究采用了像素化超表面结构和模型架构的创新性设计，解决效果较为理想。另外，通过引入图像去噪、多头绒泡菌多智能体觅食模型、渗流理论、波函数坍塌（数独游戏）算法等多类别学科的知识来分析所构建的元光子学数字化体系，有效地提高了相关演示器件的性能。实现了从“AI for Science”到“Science for AI”的完整知识循环。下面对于研究的创新点作以下列举：

1、通过设计像素化超表面结构，实现了可迁移模型构建，针对光子学中不同参数，结合了在计算机视觉(CV)和自然语言处理(NLP)领域具有优秀表现的CNN、LSTM、GRU、Transformer模型进行预测分析，在太赫兹波段以超1000个高精度采样点，不到0.1秒的预测时间，实现了误差MSE在0.008左右的高精度高效预测分析。

图1 y偏振透射振幅、PCR、相位、x偏振透射振幅、ER、解缠相位（图中简称为unphase）的模型预测和仿真结果。

2、通过优化损失函数同时提高了振幅与相位参量的多目标预测准确性，并巧妙地通过将原始相位数据进行解缠处理减小了数据图像的波动，进一步提高了模型的准确性。

图2 (a) 逆设计结果中原始相位与解缠相位的MSE比较。 (b-c)在整体数据采样频率间隔和单点工作频率(1 THz)下优化方法与传统方法之间的幅度比，可以看出振幅有明显提高。

3、为了改进制造工艺并便于数据后期分析，作者团队创造性地在该领域引入了连通域的概念，优化了结构设计方案。此外通过可视化模型中的权重，建立了虚拟数字化参数与真实物理概念之间以及不同物理概念之间的映射关联，提出了使用可视化权重的数字架构来映射真实物理场景的可能性。

图3 (a-b)EIT现象下两种不同状态对应的超表面结构示意图。 (c-d) 每个结构的表面电场分布。 (e-f) 每个结构的可视化权重分布。

4、对于提出并构建的整个元光子数字化体系，作者团队给出了基于不同学科知识交叉的分析方案，有望解决现有光子学数据集不足的问题，通过演示提供了符合人类知识体系的AI反馈，成功优化了相关器件的光学性能。对于随着参数变化引发的器件性能突变以及器件的抗破坏鲁棒性的增强等以前几乎未在经典光子学理论框架下讨论过的研究内容，该研究也给出了有参考价值的结论。

图4 跨学科设计和分析方法的逻辑图。

总结与展望

关于团队这一创新研究，指导教师吴亮老师表示：“设想是类似元宇宙融合了现实的物理世界和虚拟的数字世界，这里把之前光子学各概念之间仅有的物理背景扩展到广泛的数字联系，建立从振幅、相位等基本物理量到工作带宽、ER、PCR等光电子器件性能参数，再到加工工艺的全方位光子学数字化背景的拓展，在此基础上融合各学科领域的知识交叉，构成了“元”光子的新背景体系”。

放眼整个光学领域，推进整个光子学体系的数字化进程任重而道远，如何更为有效地实现光子学领域研究信息的“互通、互享、互利”将是作者团队在今后研究中的重点之一。以人工智能技术赋能光子学，以数字化体系共建光子学，我们期盼更多的研究团队关注光子学的数字化体系建设，共同开创光子学领域数字化崭新的未来。

姚建铨院士评论：“元光子学概念的提出为超表面、光电子器件等光子学领域的发展提供了一种新的研究范式，并有望应用到其它学科领域”。