创新点：

新兴的可重构超表面为电磁波进行可编程调控提供了可能。然而，传统的设计方法在寻找接近极限能力的超表面方面费时费力。本研究中通过将时域耦合模理论作为隐藏层嵌入到残差多层感知机神经网络中，提出了一种新颖的物理信息逆向设计 (PIID) 方法，用于开发控制太赫兹波束偏转的多位可编程超表面。在PIID算法中，融合了先验物理知识的神经网络直接学习超表面主要的物理特性，阐明了几何形状与模态特征之间的复杂关系。相较于学习整体频谱信息，其网络所采用的神经元数量大大降低且收敛速度提高近3倍，设计误差也显著降低。此外，该算法仅根据三个具体需求指标便可快速精确定制具有显著大相位调谐和高反射幅度的可重构超表面。经此算法设计的可编程超表面在实验中得到了验证，能加载1位、2位和三态编码，从而实现最高68°的波束偏转角并具有更广的角度操控覆盖范围。本研究为快速探索和部署先进的超表面设备提供了一个稳定的框架，或进一步推动无线通信和成像等领域的发展。

关键词：逆向设计，修正耦合模理论，多比特可编程，可重构超表面

图1：物理信息逆向设计方法实现多比特可编程太赫兹超表面的整体流程

具有编程能力的可重构超表面可灵活实现主动太赫兹波束调控。当前，频率在微波和太赫兹范围内的可重构智能表面（RIS）研究强调了其波束调控能力在优化下一代无线通信（6G）中的核心作用。在微波范围，动态波束调控可以通过集成PIN二极管和变容二极管成功实现，这些元件能显著调节超表面的电容，实现高达300°的相位变化。然而，这种方法在太赫兹范围内因半导体开关的开关比降低而变得不可行。为解决这一问题，研究者尝试将超表面与液晶、相变材料、石墨烯等活性介质结合，通过多种外加激励方式实现太赫兹波束的主动调谐。尽管这些方法取得了成功，但不可避免的介电和欧姆损耗限制了其相位调谐的能力并导致了低反射率。此外，超表面结构大多为规则结构如方形、十字交叉等，这导致了较小的几何设计自由度。

基于此，我们提出了一种新颖的物理信息逆向设计（PIID）方法，用于设计和实现高性能的可编程波束调控超表面。首先，我们将传输矩阵法引入传统的时域耦合模理论中（TCMT），并将其整合到残差神经网络中学习超表面的几何与物理性能的关系，并利用神经伴随方法根据给定目标逆向设计得到所需的可编程超表面。在这里，我们的方法只需少量目标信息，仅通过三个参数：目标的相位调谐∆φ、反射幅度R和工作频率f进行逆向设计。采用的残差神经网络比传统的全连接网络的超参数减少了90%，并且收敛速度提高了近3倍。而物理层的引入不仅极大地提高了设计的准确度，将均方误差降低了70%， 而且能够帮助我们揭示了几何形状与超表面谐振特性之间的关系。通过这种方法，我们设计了一个在465 GHz下相位调谐约300°且反射幅度超过90%的超表面。随后，我们采用此方法设计、加工并实验验证了逆向设计的超表面可以进行1位、2位和三态编码，从而实现让接近正入射的光束偏转至68°。我们认为，物理知识的整合显著简化了高性能超表面的逆向设计过程，这种方法可以沿用至更多器件的设计过程中。

图2：逆向设计的多比特可编程超表面在1位、2位和三态编码下实现丰富的太赫兹波束偏转效果

该工作由南京大学和紫金山实验室共同完成。南京大学范克彬副教授和金飚兵教授为论文共同通讯作者，南京大学博士生徐瑜成和杨嘉祺为共同第一作者，南京大学吴敬波教授、张彩虹教授、詹德川教授、陈健教授、杜克大学Willie Padilla教授和吴培亨院士给予了重要建议，研究生汪晟亦有重要贡献。该项目得到了国家自然科学基金、江苏省电磁波先进调控技术重点实验室、极端性能光电技术教育部重点实验室的支持。

论文信息：

Physics-informed Inverse Design of Programmable Metasurfaces

Yucheng Xu, Jia-Qi Yang, Kebin Fan*, Sheng Wang, Jingbo Wu, Caihong Zhang, De-Chuan Zhan, Willie J. Padilla, Biaobing Jin*, Jian Chen, Peiheng Wu

Advanced Science