信息安全旨在保护机密性，并防止信息泄露。然而，这与信息共享的目标存在内在矛盾。在全光系统中，平衡这些竞争需求，尤为困难，因为高效数据传输与严格安全保障均不可或缺。
近日，上海理工大学Ziqing
Guo, Zhiyu Tan，Xiaofei Zang，Yiming Zhu, 南丹麦大学纳米光学中心/宁波东方理工大学丁飞Fei Ding & 庄松林院士Songlin
Zhuang等，在Nature Communications上发文，提出并实验验证了一种基于超表面的方法，将相位调控、偏振转换及方向与偏振选择功能集成至全光衍射神经网络diffractive neural networks (DNNs)。
该方法通过偏振可控的切换机制，实现了单向与双向DNNs间的动态转换，从而同步实现信息安全与共享。还设计了一种由四分之一波片与金属光栅构成的级联太赫兹超表面，作为偏振选择型单向-双向分类器与成像器。通过在半波片级联超表面中引入偏振控制机制，实现单向-双向-单向模式的分类与成像切换。
基于此类偏振选择性DNNs展示了高安全性数据交换框架。所提出的具备偏振可切换单向/双向能力的DNNs为隐私保护、加密、通信与数据交换领域提供了重要潜力。
该项研究，提出了一种基于超表面的偏振选择性衍射神经网络（PS-DNN），解决了光学系统中信息安全与共享的固有矛盾。该技术通过设计硅基微结构与金属光栅的级联超表面，实现了光波的相位、偏振与传播方向的多维度调控。具体原理上，超表面由四分之一波片（QWP）或半波片（HWP）阵列构成，结合金属光栅的偏振选择特性，利用瑞利-索末菲衍射理论调控太赫兹波前，并通过深度学习优化相位分布，最终实现单向、双向甚至单向-双向-单向模式的灵活切换。
采用硅基微纳加工技术，在500微米厚的硅基底上制备亚波长硅柱结构，结合150纳米厚的金薄膜光栅，构建了紧凑的偏振敏感超表面。实验证明，该系统在0.6太赫兹频段下，对MNIST手写数字与字母的识别准确率超90%，并能通过偏振态控制实现高安全性加密传输与多用户共享。例如，x偏振光仅允许前向传输，而45°线偏振光可双向通行，为数据加密提供了物理层防护。
将超表面与衍射神经网络深度结合，突破了传统超材料仅调控振幅或相位的局限，引入了偏振这一新自由度，显著提升了光学信息处理的安全性与功能性。紧凑架构与多模式切换能力为下一代光通信、隐私保护与集成光子器件开辟了新路径。
图1.基于半波片的偏振选择性单向与双向DNN示意图
图2. 单向-双向DNN数字分类器实验验证
