本發(fā)明涉及太赫茲波段的相控陣技術(shù)，具體是一種基于d2nns（diffractive?deepneural?networks，光學(xué)衍射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）的太赫茲相控陣器件及方法，應(yīng)用于通信、雷達(dá)、探感等領(lǐng)域，適合用于動(dòng)態(tài)調(diào)控和高精度波束控制。

背景技術(shù)：

1、d2nns是一種基于深度學(xué)習(xí)的全光學(xué)架構(gòu)，通過設(shè)計(jì)無源衍射層并使用誤差反向傳播算法進(jìn)行訓(xùn)練，可以以接近光速的方式實(shí)現(xiàn)多種復(fù)雜的機(jī)器學(xué)習(xí)任務(wù)。

2、太赫茲波是一種頻率在0.1-10?thz范圍內(nèi)的電磁波。太赫茲波具有寬帶特性和強(qiáng)穿透性，在雷達(dá)與通信領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。然而，上述系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件-太赫茲相控陣器件目前仍然欠缺。相控陣器件通過改變每個(gè)單元出射電磁波的相位，可以實(shí)現(xiàn)波束的定向發(fā)射、快速掃描等功能。受限于材料響應(yīng)與調(diào)控理論體系不成熟，目前太赫茲相控陣器件只能采取編碼調(diào)控的形式，存在調(diào)制精度低（角度掃描精度>1°）、無法連續(xù)掃描等缺點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)太赫茲相控陣技術(shù)在調(diào)控精度、連續(xù)性等方面的問題，提出了一種基于d2nns的太赫茲相控陣器件及其實(shí)現(xiàn)方法，將光學(xué)衍射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)引入相控陣器件中，不僅能夠解決太赫茲相控陣技術(shù)在調(diào)控精度、連續(xù)性等方面的不足，還提供了一種更靈活、更高效的太赫茲波束調(diào)控手段。

2、本發(fā)明的技術(shù)方案為：

3、一種基于d2nns的太赫茲相控陣器件，太赫茲相控陣器件包括主動(dòng)調(diào)制層與兩層超表面層；兩層超表面層，位于主動(dòng)調(diào)制層的后方，第一層超表面層緊貼主動(dòng)調(diào)制層，兩層超表面層之間間隔一定距離；兩層超表面構(gòu)成光學(xué)衍射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，通過梯度下降和反向傳播算法優(yōu)化超表面層的相位分布，以實(shí)現(xiàn)對(duì)太赫茲波的動(dòng)態(tài)調(diào)控；

4、主動(dòng)調(diào)制層包括圖案化微納金屬電極、主動(dòng)功能材料，使用外置的多通道電壓源連接到圖案化微納金屬電極并施加電壓使主動(dòng)功能材料發(fā)生相變，每個(gè)通道施加不同電壓形成編碼電壓模式，對(duì)應(yīng)的主動(dòng)功能材料的相變的模式形成編碼，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)太赫茲波相位實(shí)現(xiàn)主動(dòng)調(diào)制；

5、超表面層由超表面單元結(jié)構(gòu)組成，其中每個(gè)超表面單元由位于襯底表面的矩形硅柱結(jié)構(gòu)構(gòu)成，每個(gè)單元內(nèi)的矩形硅柱結(jié)構(gòu)以單元中心為原點(diǎn)旋轉(zhuǎn)不同的角度，這個(gè)角度是通過光學(xué)衍射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算優(yōu)化得來。

6、進(jìn)一步的，超表面由幾何相位原理對(duì)太赫茲波進(jìn)行相位調(diào)控，每個(gè)矩形硅柱結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)角度具有特定空間分布，超表面每個(gè)矩形硅柱結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)角度具有特定分布，其優(yōu)化過程為：

7、確定目標(biāo)太赫茲輸出的光場，在多通道電壓源對(duì)主動(dòng)調(diào)制層施加不同編碼電壓的情況下，考慮兩層超表面衍射，利用瑞利-索末菲衍射算法構(gòu)建光學(xué)衍射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，采取多個(gè)樣本為一個(gè)批次輸入到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，結(jié)合梯度下降和反向傳播算法，求得超表面的相位調(diào)制參數(shù)，利用幾何相位原理得到相應(yīng)旋轉(zhuǎn)角度分布。

8、進(jìn)一步的，入射光使用圓偏振光，經(jīng)過主動(dòng)調(diào)制層后相位分布發(fā)生變化，再經(jīng)過兩層超表面層，從而實(shí)現(xiàn)特定光束的出射。

9、優(yōu)選的，對(duì)于超表面單元，每個(gè)矩形硅柱結(jié)構(gòu)長度為145微米，寬度65微米，高度450微米；硅襯底厚度600微米；超表面單元可以等效為半波片，能夠在指定頻率下工作。

10、優(yōu)選的，超表面單元結(jié)構(gòu)經(jīng)過設(shè)計(jì)和優(yōu)化，在0.6?thz處超表面單元結(jié)構(gòu)為性能優(yōu)良的半波片，透過率大于80%，偏振轉(zhuǎn)換率大于>95%；根據(jù)幾何相位原理，入射的圓偏振太赫茲波將被轉(zhuǎn)化為與入射圓偏振太赫茲波正交的另一種圓偏振光，并且出射光會(huì)獲得與矩形柱狀結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)角 θ相關(guān)的相位2 θ；因此，只需要旋轉(zhuǎn)超表面中每個(gè)矩形柱狀結(jié)構(gòu)，便可以獲得所需的相位調(diào)制。

11、優(yōu)選的，主動(dòng)調(diào)制層之中的主動(dòng)功能材料為在不同電壓下對(duì)太赫茲波具有不同電磁特性的材料，可以是液晶、vo2、gan。

12、一種基于d2nns的太赫茲相控陣器件的實(shí)現(xiàn)方法，基于如所述的基于d2nns的太赫茲相控陣器件實(shí)現(xiàn)，具體步驟如下：

13、步驟一、光學(xué)衍射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建過程：設(shè)入射的圓偏振太赫茲波先后經(jīng)過主動(dòng)調(diào)制層、兩層超表面層并輸出到探測平面，利用瑞利-索末菲衍射算法對(duì)圓偏振太赫茲波經(jīng)過主動(dòng)調(diào)制層、超表面層以及空間傳播的衍射過程進(jìn)行模擬；將上述過程利用編程語言建模，使用深度學(xué)習(xí)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)框架構(gòu)造光學(xué)衍射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；

14、步驟二、優(yōu)化方法：將主動(dòng)調(diào)制層按列劃分，不同的列施加不同的相位條件形成不同編碼模式，形成具有編碼模式的入射光場，同時(shí)設(shè)定確定出射的目標(biāo)光場形式；經(jīng)過瑞利-索末菲衍射算法計(jì)算入射光經(jīng)過雙層超表面層的衍射過程，求解出形成出射的衍射光場，計(jì)算出射的衍射光場與設(shè)定的目標(biāo)光場兩者之間的誤差，利用梯度下降和反向傳播算法根據(jù)目標(biāo)光場的衍射光斑位置，形成波束沿著不同方向的偏轉(zhuǎn)的效果，在上述過程中獲得優(yōu)化的超表面的相位分布；

15、步驟三、逆向設(shè)計(jì)超表面層：通過應(yīng)用幾何相位原理，超表面層選擇具有半波片性質(zhì)的矩形硅柱結(jié)構(gòu)；每個(gè)矩形硅柱結(jié)構(gòu)可以根據(jù)上述的優(yōu)化結(jié)果調(diào)整旋轉(zhuǎn)角度，實(shí)現(xiàn)不同的波束調(diào)控需求；

16、步驟四、通過多通道電壓源對(duì)主動(dòng)調(diào)制層施加編碼電壓，在不同的編碼電壓下形成不同的相位編碼的入射光場，經(jīng)過超表面層后能都按照設(shè)定的衍射過程使衍射光束偏轉(zhuǎn)到設(shè)定位置聚焦，切換施加的電壓編碼模式，就能夠動(dòng)態(tài)地控制光束的聚焦位置或偏轉(zhuǎn)方向，使得該器件能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)的光束偏折和聚焦的精準(zhǔn)調(diào)整；具體實(shí)現(xiàn)方式包括：入射太赫茲波為圓偏振的高斯光束或者平面波，利用多通道電源對(duì)主動(dòng)調(diào)制層施加電壓，對(duì)太赫茲波相位進(jìn)行動(dòng)態(tài)編碼調(diào)控；被調(diào)制的太赫茲波將會(huì)繼續(xù)經(jīng)過雙層超表面，從而對(duì)編碼太赫茲光束進(jìn)一步的衍射調(diào)制，實(shí)現(xiàn)特定的太赫茲波束出射；其中，超表面結(jié)構(gòu)根據(jù)輸出目標(biāo)光場代入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化，能夠精確控制太赫茲波的調(diào)控效果。

17、進(jìn)一步的，通過引入衍射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬太赫茲波的衍射過程，并結(jié)合梯度下降和反向傳播算法，對(duì)超表面層的相位分布進(jìn)行優(yōu)化，確保在不同電壓條件下實(shí)現(xiàn)光束的高效動(dòng)態(tài)調(diào)控；超表面層由矩形硅柱結(jié)構(gòu)陣列構(gòu)成，設(shè)計(jì)基于幾何相位原理，挑選具備半波片功能的矩形硅柱結(jié)構(gòu)，按照優(yōu)化的超表面層相位分布排布實(shí)現(xiàn)對(duì)太赫茲波的偏折調(diào)控；具體來說，考慮一束光經(jīng)過超表面結(jié)構(gòu)時(shí)，每個(gè)超表面單元可以對(duì)入射光進(jìn)行獨(dú)立的調(diào)控，可表述為：

18、（1）

19、代表光場的復(fù)振幅，描述了光波在位置( x, y, z)和波長?λ處的電場強(qiáng)度和相位，是光場的振幅，表示在?( x, y, z)?位置和波長?λ處的光場強(qiáng)度，為光場的相位分布，包含了光波的相位信息，描述了光場的相位因子，其中， i為虛數(shù)單位；

20、根據(jù)惠更斯原理，從超表面出射的光又可以等效為次級(jí)子波源，當(dāng)傳播距離為 r時(shí)，該次級(jí)子波源在該位置產(chǎn)生的電場為：

21、（2）

22、為次級(jí)波源的傳播因子，包含距離和波長的相關(guān)信息，為超表面單元的等效面積， r描述了次級(jí)波源與目標(biāo)位置的空間分布，發(fā)射點(diǎn)到觀測點(diǎn)的距離，為相位因子；因此，當(dāng)確定好雙層超表面平面在衍射過程中的空間位置以及超表面上面的單元結(jié)構(gòu)位置分布時(shí)，超表面對(duì)光進(jìn)行的調(diào)制便可以視為需要訓(xùn)練的權(quán)重，通過反向傳播優(yōu)化相位或者振幅調(diào)制系數(shù)，可以得到特定的光場分布；如果將不同相控陣單元出射光場調(diào)控成不同的衍射圖案，那么在特定平面總的光場分布將是這些單元出射光場在不同平面產(chǎn)生的光場的疊加，即 etotal= ea+ eb+ ec+ ed；此時(shí)，若對(duì)相控陣單元進(jìn)行相位或者振幅調(diào)制 α，總出射場會(huì)變?yōu)? etotal= αea+ eb+ ec+ ed，依此類推：

23、（3）

24、 etotal為所有編碼模式下的相控陣單元在同一平面產(chǎn)生的光場之和， ea, eb, ec, ed為各個(gè)相控陣單元的獨(dú)立出射光場， α為相控陣單元的調(diào)制系數(shù)，代表相位的調(diào)節(jié)參數(shù)，代表形成的不同編碼模式， e1, e2, e3, e4為在不同調(diào)制系數(shù)條件，也就是輸入的不同編碼模式下的總光場強(qiáng)度；

25、利用超表面構(gòu)造特殊的衍射光場便可以將相控陣的調(diào)控模式變成求解矩陣的本征解，利用該特性進(jìn)行光場調(diào)控只需設(shè)計(jì)超表面來滿足相應(yīng)的出射光場，從而能夠大大的提高相控陣器件在調(diào)制精度和連續(xù)性上的指標(biāo)性能。

26、本發(fā)明的有益效果在于：

27、通過本發(fā)明的技術(shù)手段，能夠解決目前技術(shù)中調(diào)控精度低、難以實(shí)現(xiàn)連續(xù)掃描等問題，為太赫茲通信、成像、探測等領(lǐng)域提供一種全新的、具有高度靈活性和高效動(dòng)態(tài)調(diào)控能力的解決方案。

28、本發(fā)明公開的一種基于d2nns的太赫茲相控陣器件，提出了一種全新的太赫茲相控陣器件，實(shí)現(xiàn)了在復(fù)雜環(huán)境下對(duì)太赫茲波束的高效、精準(zhǔn)、動(dòng)態(tài)調(diào)控。這一發(fā)明在未來6g通信、雷達(dá)、安檢探測等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。

29、本發(fā)明公開的一種基于d2nns的太赫茲相控陣器件通過超表面與相控陣器件相結(jié)合，利用超表面精細(xì)化的光場調(diào)控能力，具有更高的調(diào)制精度（角度掃描精度<0.3°）與更好的功能性（拓展至聚焦和全息的調(diào)控）。

30、本發(fā)明公開的一種基于d2nns的太赫茲相控陣器件利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化超表面層的相位分布，結(jié)合幾何相位原理，能夠在保證精度的前提下實(shí)現(xiàn)對(duì)太赫茲波束的高效調(diào)控，包括波束的偏轉(zhuǎn)、聚焦等。

31、本發(fā)明公開的一種基于d2nns的太赫茲相控陣器件通過引入超表面構(gòu)建光學(xué)衍射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，從而大大降低了相控陣器件對(duì)主動(dòng)功能材料和加工的需求，通過超表面的衍射調(diào)控能力和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化能力可以在低相位調(diào)制深度、大單元尺寸的主動(dòng)調(diào)制層下也能實(shí)現(xiàn)良好的調(diào)制效果。

32、本發(fā)明公開的基于d2nns的太赫茲相控陣器件相比傳統(tǒng)的靜態(tài)調(diào)控方式，主動(dòng)功能材料在外加電場作用下能夠快速響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的光束調(diào)控，大幅提高了系統(tǒng)的調(diào)控效率，適合需要快速調(diào)整波束的場景。可廣泛應(yīng)用于太赫茲通信、成像、探測等領(lǐng)域，能夠在無線通信、安檢、醫(yī)療成像等方面提供更高效的技術(shù)解決方案。