撰稿人 | 陈敏佳，程祺翔
论文题目 | Multimode communication with programmable photonic integrated mesh
作者 | 陈敏佳，程祺翔*
完成单位 | 剑桥大学工程系电子工程学院光电系统中心，徐州光引科技发展有限公司
研究背景
随着当前人工智能和万物互联等应用的迅猛发展，云、边、端等各节点对大容量、低延时、低功耗的通信和处理系统的需求日益增长。传统的波分复用光通信系统已逐渐接近其传输容量的极限。近年来，空分复用技术受到学术界和工业界的广泛关注和研究，被认为是下一代超大容量光通信系统中最有潜力的技术之一。空分复用系统通常通过多根光纤并行传输多个模式，显著提升通信容量。然而，由于传输信道中的有效折射率随机微扰，模式之间易产生耦合，因此在接收端需要进行信号的解串扰处理。
目前，空分复用系统的解扰主要依赖于数字信号处理器（DSP），其中核心运算操作是计算复杂且开销巨大的矩阵求逆。然而，现有的电处理器逐渐难以满足高速光通信系统对时延和能耗的要求，因此近年来，关于光学多入多出（MIMO）系统解扰器的研究逐渐兴起。鉴于输入模式、输出模式、串扰矩阵和色散矩阵的正交性，光学解扰器的核心在于构建一个能够表示任意酉矩阵的光学系统。在集成光平台上，该系统的实现形式是一个可编程的马赫-曾德尔干涉 （MZI）网格。
主要研究内容
为了跟进光学处理在光通信中的研究进展，本文首先介绍了光学多入多出解扰系统的原理。光学传输信道可以通过奇异值分解（SVD）表示为两个酉矩阵和一个对角矩阵的乘积，其中酉矩阵反映了模式串扰和色散的影响，而对角矩阵则反映了损耗的影响。光学解扰器的工作原理是通过发射端和接收端的两个马赫-曾德尔干涉网格构成的酉矩阵，精准地实现传输信道中两个酉矩阵的逆矩阵，从而消除传输信道中的串扰和色散影响。
接下来，本文详细分析和比较了最近利用可编程马赫-曾德尔干涉网格进行空分复用解码的三项研究工作。随后，本文还探讨了该光学解扰系统在实际应用中的主要挑战及其潜在的解决方案，包括从光纤或自由空间到芯片的耦合效率、长距离传输引起的模式色散所带来的时延差异，以及实时解扰系统的可行性。
技术突破与创新
图1 用于多模通信的可编程集成光学网格系统。(a) 多模通信的整体架构图。(b) 可编程马赫-曾德尔干涉网格的两种实现方式。(c) 光学收发天线的三种实现方式。
观点评述
利用可编程集成光学网格提升多模通信系统性能的研究是一项具有重要意义的开创性工作。通过在光域直接处理信号，该技术能显著降低光通信链路的延时和功耗，并提升整体效率。未来一旦技术成熟，将为下一代智能光通信系统赋能。
主要作者介绍
陈敏佳，于2020年在中国科学院大学电子信息工程专业获得本科学位，2024年在剑桥大学取得博士学位，师从程祺翔教授。主要研究方向为集成光计算。以第一作者在Nature communications, PhotoniX, Photonics Research等期刊及CLEO, ECOC, OFC等光学领域会议上发表论文数篇。
程祺翔，剑桥大学电子信息工程学院副教授。于2010年在华中科技大学获得本科学位，2014年在剑桥大学取得博士学位。2016-2019年在哥伦比亚大学Lightwave Research实验室从事博后工作，主要研究硅光器件设计，版图设计，芯片封装与测试，并参与ARPA-E, NSF, 和DARPA项目。2020年于剑桥大学入职，主要研究方向为应用于光通信，光传感，光计算的光子集成电路系统。目前担任光学领域顶会OFC, CLEO, CLEO-PR, ECIO, MOC, Photonics West等技术委员会委员。共计发表论文超过140余篇，包括Nature Photonics, Nature Communications, Light: Science & Applications, Proceedings of IEEE, Optica, Photonics Research等。
本文出处
发表于：PhotoniX
论文链接：
https://photonix.springeropen.com/articles/10.1186/s43074-024-00145-4
文献检索：
PhotoniX 5, 28 (2024). https://doi.org/10.1186/s43074-024-00145-4
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