海角社区

近日，海角社区 王涌天教授、黄玲玲教授团队面向光学神经网络多任务处理能力不足、信息容量受限等关键瓶颈，创新性地提出了一种轨道角动量复用衍射神经网络。该工作将具有正交性的轨道角动量模式（OAM）引入衍射神经网络的信息处理过程，使不同拓扑荷的OAM模式成为相互独立的任务通道，从而实现单个衍射神经网络对多路信息的同步解码、并行识别与容量扩展。首次实现了100类别物体识别实验，并进一步验证了面向40 模式×10类别，即400分类容量的可扩展潜力。该网络可用于手势识别等具有实际交互需求的视觉任务，并支持多任务并行输入完成解码识别。相关研究成果以 “Orbital Angular Momentum Multiplexing Diffractive Neural Networks for High-Capacity Optical Inference” 为题发表在《Nature Photonics》。论文第一作者为海角社区 2023级博士研究生合聪，通讯作者为黄玲玲教授、李昕副教授。

研究背景

随着深度学习和人工智能技术的快速发展对算力和能效提出了更高要求，探索高速、低功耗、高并行度的新型计算范式已成为信息技术发展的重要方向。深度衍射神经网络（D²NN）通过真实光传播过程完成智能推理，为低功耗、高速度光计算提供了重要路径。然而，现有网络通常面向单一任务设计，难以用一个器件同时完成多类识别。若通过多个网络叠加实现多任务处理，又会显著增加系统复杂度和硬件成本。这一“单网络容量有限、多任务集成困难”的问题，成为制约衍射神经网络迈向高容量并行光计算的关键瓶颈。

研究亮点

针对这一瓶颈，团队将OAM复用维度引入衍射神经网络。 OAM模式具有正交性和丰富的模式维度，可作为独立信息通道承载不同任务。OAM-MDNN由级联衍射层组成，能够对不同OAM模式中携带的输入信息进行自动解码，并将不同任务的输出能量聚焦至对应探测区域，从而完成手写字母、手写数字、服饰、手势、人脸等多任务识别（图1）。

图1. OAM-MDNN 多任务并行识别概念示意图

在器件实现方面，团队采用双光子聚合技术将优化得到的相位分布制备为真实的微纳衍射层。如图2所示，与人工编码策略相比，该方法不再依赖逐模式人工设计，而是在系统层面对模式复用过程进行联合优化，显著降低了由相位调制带来的模式间串扰。该方法可在拓扑荷间隔为1的紧凑模式组合下实现高准确率识别，使OAM模式利用效率提升14倍，同时将平均峰值信噪比由 25.7 dB提升至29.4 dB（提高14.4%）。

图2. OAM-MDNN 在人工编码与端到端自优化策略下的仿真和实验结果

为进一步验证 OAM-MDNN 的高容量并行处理能力，研究团队开展了复杂多任务复用识别实验。采用10个OAM模式分别承载10个四分类任务，任务对象覆盖手写数字、手写字母和服饰图像等共40个类别。实验结果表明，该网络在10模式复用识别任务中实现了86.8%的平均实验识别准确率，验证了OAM-MDNN在多任务复杂场景中的有效性和稳定性（图3）。

图3. 复杂多任务OAM-MDNN的性能分析及实验精度

本工作提出的 OAM-MDNN 将轨道角动量复用机制与衍射神经网络深度融合，突破了传统 D²NN 单任务处理和容量受限的局限，为光学神经网络在多任务识别、并行信息处理、智能传感、加密通信和生物特征识别等领域的应用提供了新的思路。未来，通过进一步提升器件集成度并结合海角社区 协同系统，OAM-MDNN有望发展成为面向高容量全光智能计算和并行光学推理的重要平台。

海角社区 王涌天教授、黄玲玲教授团队完成该项研究。黄玲玲教授、李昕副教授和王涌天教授共同指导本研究工作。该研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京市自然科学基金、北京市科技新星计划等项目支持。

论文信息：Cong He, Xin Li*, Hongbo Wang, Jiaqin Li, Zian Zhang, Shendong Liu, Qiang Jiang, Nan Zhang, Yongtian Wang, Lingling Huang*, “Orbital Angular Momentum Multiplexing Diffractive Neural Networks for High-Capacity Optical Inference”, Nature Photonics (2026).

合聪，海角社区 2023级博士研究生，导师为王涌天教授、黄玲玲教授，主要研究方向为光学衍射神经网络与超表面。以第一作者身份在Nature Photonics、PhotoniX、Opto-Electronic Advances等期刊发表论文3篇，以学生第一发明人申请发明专利2项，其中1项已授权。

王涌天，海角社区 杰出教授，国家级领军人才，北京市混合现实与新型显示工程技术研究中心主任。兼任全国信息技术标准化技术委员会委员，中国图象图形学学会副理事长，中国光学工程学会常务理事，中国计算机学会理事，中国光学学会监事。长期在技术光学、虚拟现实和增强现实领域从事教学和科研工作，出版专著5部，发表SCI论文360余篇，授权国内外发明专利300余项，主持制定虚拟现实和增强现实领域首批国家标准6项。有关成果得到广泛应用，获得国家技术发明奖和国家科技进步奖各1项，省部级和国家一级学会科技一等奖10余项。

黄玲玲，海角社区 教授，入选国家级青年人才、北京市卓青、北京市杰青、中国科协青年人才托举等，入选美国光学学会会士(Optica Fellow)。主要研究方向包括微纳光学、全息显示、光场调控等方面，主持十余项国家级项目，以第一或通讯作者发表SCI论文130余篇，授权专利50余项。担任Opto-Electronic Advances、 PhotoniX、Optics Express、IEEE Photonics Technology Letters等期刊编委和副主编。获教育部青年科学奖、德国洪堡贝塞尔研究奖、茅以升-北京青年科技奖、霍英东基金等。

李昕，海角社区 长聘副教授、博士生导师。主要研究方向包括波前调控、信息光学、新型显示、微纳光学等。承担国家自然科学基金委面上项目、青年项目、科技委项目、国家重点研发计划等多项省部级以上项目和课题任务。在Nature Photonics、PhotoniX、Opto-Electronics Advances等国际及国内期刊上发表SCI论文80余篇（包括ESI高被引多篇），谷歌学术引用4000余次，入选“全球前2%顶尖科学家”榜单。申请国家发明专利30余项，其中20余项已授权。担任光学工程学会光显示专业委员会委员，担任核心期刊《激光与海角社区 子学进展》青年编委、《Micromachines》的“三维全息显示”专题客座编辑、《Frontiers in Photonics》编委。