撰稿|由课题组供稿
近日，哈尔滨工业大学仪器科学与工程学院丁旭旻副教授、法国Univ ParisNanterre的Shah Nawaz Burokur教授、新加坡国立大学仇成伟教授合作团队提出了可直接对光信号进行频域调制的超构透镜，作为新型高通量信号处理器。相关成果以“Single-layer spatial analog meta-processor for imaging processing”为题，发表在《Nature Communications》上。
随着云时代的到来，大数据信息处理技术面临新的挑战。现有冯诺依曼架构下的经典电子信号处理器在能耗和速度上都存在着大量待提升空间。采用光子取替电子作为信息载体的全光运算则提供了新的解决途径，然而受制于传统光学器件的尺寸以及调控能力的局限，如何利用新型光学调控手段实现海量高效信息处理技术已成为至关重要的研究课题。
光学模拟计算处理信号的方式可大致分为时域和空间域两大类。对有限输入端口进行时域全光运算往往需要较大的器件尺寸，无法满足大量并行数据处理的需求。相比之下，空间域的模拟计算可以显著提高数字运算的输出量，通过对波前信号进行空间调制为大量并行运算提供了可能。然而传统光学器件对光场的调控依赖于光线在特定传播路径上的相位累积，需要较大的器件体积重量以及复杂的加工工艺，导致系统集成度较低以及能量损耗较大，应用场合受限。超构表面的提出成功地突破传统光学器件调控尺寸的局限，通过人为地构建特定的电磁散射体，实现亚波长尺度内对光场的幅相调控，且由于其微型高效电磁调控特性，超构表面可大幅提高运算通量以及效率。目前基于超构表面的全光运算的实现途径大致分为两大类，分别基于经典4f光学系统和格林函数方法。前者系统包含三层器件分别实现傅里叶变换，空间调制函数以及傅里叶逆变换，超构透镜的高设计自由度可实现多种空间频域调制函数，然而该方案存在系统尺寸大以及集成问题的弊端；后者依据角谱理论，通过调节随入射角度改变的电磁响应，直接对波矢分量进行调制的光学器件，实现了运算器件微型化，但对入射角度范围以及算法复杂度上都存在一定的限制。
为了实现上述两种方案中无法兼顾的器件集成度以及算法多样性，本研究设计了基于单层惠更斯超构表面的模拟信号处理器，通过在交界面处引入特定的相位因子，超构表面可直接对电磁波空间频谱的进行调制，成功地将4f傅里叶光学系统尺寸压缩至2f。具体流程如下：首先通过在惠更斯单元结构中设计特定的电流元和磁流元实现波前幅度和相位的完全独立可调，并根据相位因子和传递函数排布相应的单元结构，实现所需的模拟信号处理。为了验证方案的可行性，本研究分别设计了差分以及互相关运算用于图像边缘检测以及目标识别。
为了实现图像边缘信息提取，惠更斯超构透镜的幅相分布将包含两个部分，分别为相位因子以及差分运算对应的空间频域函数，其中相位因子的作用是构建输入图像与超表面频域函数的卷积运算，实现在不需要傅里叶变换器件的前提下，惠更斯超构透镜对输入图像空间频域函数的直接调制。如图1所示，本研究分别实现了单边缘、顶点以及双边缘检测，实验结果进一步以证明了该单层模拟信号处理方案的可行性。
图1 图像边缘检测（a）x方向单边缘检测（b）y方向单边缘检测（c）顶点检测（d）四边形双边缘检测（e）五边形双边缘检测（f）六边形双边缘检测
此外，为了验证提出运算器的通用性，本项目进一步实现了互相关运算，是检测两个信号之间相似性的重要手段。依照互相关与卷积的关系，通过在惠更斯表面构建与待检测序列的空间频域函数成共轭翻转关系的序列，即可实现输入图像与待检测图像相同特征的检测，输出结果的峰值即为带有相同特征的位置。如图2所示，输入信号包含双矩形脉冲，而待检测序列则分别包含单个、两个以及三个矩形脉冲，实验结果表明相同图像特征以及其位置可被成功检测。
图2 序列信号识别
综上，本研究提出了一种可对输入信号进行频域调制的基于超构透镜的单层模拟信号处理器。在该方案中，超构透镜在亚波长尺度范围内的波前幅相完全调控性能保证了实时高通量的并行计算任务，同时其高调控自由度又保证了算法多样性，在此基础上，相位因子的引入又克服了现有傅里叶光学设备的器件尺寸，因此，基于超构透镜的信息处理器可同时兼顾运行速度、计算通量、系统效率、器件集成度以及应用范围等性能。作为一种拥有强大信息处理能力的紧凑型核心处理器，本研究可为图像边缘检测，光存储及积分器，神经网络等多个领域提供了新的契机。
本文通讯作者为哈尔滨工业大学丁旭旻副教授、张狂教授、李浩宇教授，法国ShahNawaz Burokur教授和新加坡国立大学仇成伟教授。共同第一作者为王卓超博士、胡光维博士以及哈工大博士研究生王新伟，哈尔滨工业大学电信院吴群教授，仪器学院刘俭教授、谭久彬院士对本文亦有重要贡献。该研究工作获得国家重点研发计划青年科学家项目的资助。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-022-29732-4
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