近日，我校信息学部电子科学与技术学院丁飞副教授团队基于超表面在偏振选择性衍射神经网络以及多自由度复用衍射神经网络领域，取得系列突破。成果先后发表于《Nature Communications》和《Advanced Materials》，并被国家自然科学基金委员会官网重点报道。
全光信息处理，如何兼顾“矛”与“盾”？
随着信息技术的快速发展，通信网络对带宽与信息处理能力的需求持续攀升，全光信息处理凭借其高效、宽带和并行处理的特性，逐步成为一类理想的解决方案。然而，信息安全与信息共享作为对立统一的两大核心需求，亟待协同优化。以上矛盾（即信息安全与信息共享）促使研究者探索既能实现信息加密又支持可控数据共享的新型全光信息处理技术框架。全光衍射神经网络（diffractive neural networks, DNNs）通过光速并行处理海量信息，为全光计算开辟了新途径。
目前，该方法已在图像分类、逻辑运算、图像处理以及多任务处理，如多波长复场成像、多光谱全光信息处理和多目标/多任务处理等领域展现潜力。值得关注的是，光的传播方向可作为自由度用于构建单向DNNs。近期，有研究提出了用于衍射单向成像的DNNs，可以在前向方向进行偏振无关成像，同时阻断反向成像；此外，研究人员还提出了金字塔结构的DNNs，实现图像的定向放大与缩小。然而，现有DNNs受限于调控自由度单一，难以实现偏振选择性与方向可切换功能的实现，限制了其在安全通信与动态数据共享中的应用。而超表面（metasurfaces）拥有对电磁波振幅、相位及偏振的多维度调控宁理，为进一步提升DNNs的功能和应用提供了新的机遇。
偏振选择性衍射神经网络，为共享与加密插上“光之翅膀”
丁飞副教授联合上海理工大学臧小飞教授、朱亦鸣教授和庄松林院士团队，在偏振选择性衍射神经网络研究中取得重要突破。该团队创新性地提出并验证了一种偏振选择性衍射神经网络（PS-DNNs），通过集成四分之一波片/半波片超构原子阵列与金属光栅形成紧凑型、偏振依赖的DNN架构，为同时实现数据共享与加密的平衡难题提供了解决思路。相较于传统超表面，PS-DNNs通过深度学习优化，兼具高容量处理、自适应功能及偏振加密优势。尽管该方案中的PS-DNN应用于太赫兹频段，通过超表面单元结构的优化设计，相关研究和应用可拓展至红外和可见光频段。
图1.基于偏振选择的单向/双向衍射神经网络
相关研究将为全光计算、安全通信及隐私保护提供解决方案。研究成果于5月14日以“Polarization-selective unidirectional and bidirectional diffractive neural networks for information security and sharing”为题发表于《Nature Communications》。上海理工大学光电信息与计算机工程学院博士研究生郭子晴和谭知雨博士为论文的共同第一作者，臧小飞教授、朱亦鸣教授与丁飞教授为通讯作者，庄松林院士对该工作进行了悉心指导。
丁飞副教授团队的研究成果不仅在国际学术界引发热烈反响，同时在国家自然科学基金委员会官网获得专题报道（https://www.nsfc.gov.cn/publish/portal0/tab448/info94945.htm）。该项目研究成果展现出功能集成度高、泛化能力强等优点，展现了我国科研团队在智能光子学与人工智能交叉融合领域的持续创新能力，有望为目标探测、图像识别等领域的隐私保护、信息安全等提供新的解决方案。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-025-59763-6.pdf
多自由度衍射神经网络，开启多功能集成与通信新路径
在另一项合作研究中，丁飞副教授团队与上海理工大学庄松林院士、朱亦鸣教授、藏小飞副教授团队，提出并实验验证了一种多自由度衍射处理器，该处理器利用基于超表面的方法集成偏振、距离和旋转通道，用于多种推理任务和信息加密。该方法已通过三层超表面验证，可实现高任务容量任务，包括单/双数字和单/双时尚产品分类、逻辑运算和图像变换。此外，通过将大量输入数据映射到多自由度通道，并利用该DNNs框架将信息编码为摩尔斯电码，实验实现了一个高安全性的信息传输系统。将偏振、距离和旋转通道集成到具有多功能能力的全光学衍射处理器中，为多功能集成设备和通信铺平了道路。
图2.多自由度复用衍射神经网络的示意图及其设计方法
该研究成果于6月12日以“Integrated Polarization, Distance, and Rotation for Multi-DoF Diffractive Processor and Information Encryption”为题发表在《Advanced Materials》上。
论文链接：
https://doi.org/10.1002/adma.202506222
丁飞课题组
丁飞，宁波东方理工大学信息学部长聘副教授（研究员、博士生导师），上海交通大学、中国科学技术大学兼职博导。于2010和2015年分别获得浙江大学学士和博士学位，先后在南丹麦大学担任助理教授和长聘副教授职务。
全球高被引科学家，斯坦福大学全球前2%顶尖科学家（终身榜单），美国光学学会高级会员，丹麦Villum Young Investigator基金、独立基金Inge Lehmann和嘉士伯杰出青年基金获得者。长期从事超构表面光学、表面等离激元光学、量子光源等微纳光子学领域的研究，已发表SCI学术期刊论文97篇（具体见https://scholar.google.com/citations?user=cCx-LLUAAAAJ&hl=zh-CN），包括Physics Review Letters、Science Advances、Nature Communications等国际顶级期刊，13篇论文先后获评ESI高被引论文，Google Scholar总引用8600余次，H因子41，在国内外学术会议作受邀报告30余次。
目前是IEEE Photonics Journal的副编辑，Applied Optics的专题编辑，Opto-Electronic Technology编委，SCIENCE CHINA Physics、Mechanics & Astronomy和Chinese Optics Letters的青年编委，曾获王大珩光学奖、PIERS青年科学家、丹麦光学学会奖等奖项。
丁飞课题组致力于超表面光学、表面等离激元光子学、微纳固态量子光源、集成光子学等领域的研究，现有成员包括4名博士生、2名访问博士生、1名博士后。课题组长期招收研究序列助理教授/副教授，博士后与博士生。
