DOI: https://doi.org/10.1038/s41566-023-01330-w
一般而言，通过光学系统的传播模式通常被定义为系统中波动方程的特征解。然而，当传播发生在复杂或高度散射的介质上时，光波会遇到各种障碍和不规则性，导致光波的传播路径发生偏转和散射，波前也会发生畸变，因此模式需要被更好地确定为在输入和输出孔径集之间发送信息的最佳正交通信通道。
2023年，意大利米兰理工大学SeyedMohammad等人提出了一种利用集成光子处理器确定任意光学系统最优通信通道的方法。该工作使用由可电调马赫-曾德尔干涉仪(MZI)网格组成的硅光子学处理器，能够根据简单的功率最大化或最小化算法来自我配置，识别出最优的通信模式通道。这种识别过程对应于整个光学系统的奇异值分解(SVD),由光子处理器自主完成,无需外部计算或对系统的先验知识。实验验证，即使在存在扰动遮罩或部分遮挡的情况下,优化后的通道之间也能保持-30 dB以下的串扰。这一发现为多模光通信系统的应用提供了潜力,能够实现高效的通道识别、对动态介质的适应性以及抗环境干扰的稳健性。
SVD 提供一组正交输入，这些输入逐个耦合到正交输出，从而提供独立的通信通道。然而，在许多实际情况下，𝑀𝑐是未知的。
如图1b所示，该工作所针对的系统由两个光学处理器组成，每个处理器包含两条对角线排列的Mach-Zehnder干涉仪(MZI)阵列。通过对MZI阵列的相位调节，可以实现自适应的正交通信模式。具体来说，首先通过自对准算法将输入光耦合到第一个通信模式，然后通过前向和反向的迭代优化过程，可以依次找到系统中最强耦合的正交通信模式。这种方法不需要在接收端设置光源，只需要在发射端进行单向的相位调节就可以实现正交模式的自适应优化，从而提高了系统的实用性。
图1 使用一对光子集成处理器自动找到最佳正交通信模式示意图
该工作首先通过模拟两个相同的M=N=9光学孔径组（源和接收器）的情况来举例说明，这些孔径根据3×3的正方形阵列配置定位在两个平行平面上，如图1c所示。假设每个阵列中孔径之间的间距约为32λ，其中λ=1550nm是工作的光学波长，并且两个孔径平面由均匀介质（自由空间）分隔。
SVD问题的数值解在图1d中显示，针对耦合强度最高的前三个模式。不同的面板显示了计算得到的远场Ψuk(el, az)，k={1, 2, 3}，作为左阵列孔径激发时的仰角（el）和方位角（az）的函数，其复振幅为左侧奇异向量||ψuk⟩。
所有九种可能的正交通信模式的归一化耦合强度|σk|^2按降序排列显示在图1e中。请注意，第二和第三个通信模式是简并的（Ψu2和Ψu3具有相同的形状，只是旋转了90°），它们的奇异值|σ2|=|σ3|具有相同的大小，提供了两个孔径平面之间相同的耦合效率。
任意光学孔径集之间的正交模式
对称情况（M = N = 9）和非对称情况（M = 5，N = 9）的左右模式的选定远场光束形状，如图2d所示。对于M=N的对称情况，左右模式获得了相同的远场形状，而对于M≠N的非对称情况，由于左右模式对定义在不同的离散空间上，观察到不同的远场形状。无论如何，孔径阵列的维度减少打破了3×3正方形阵列的原始对称性，最佳耦合模式甚至与自由空间光学中通常考虑的任何传统模式系列（例如，Hermite-Gaussian、Laguerre-Gaussian等）都不相似。
图4 对称情况（M = N = 9）和非对称情况（M = 5，N = 9）的左右模式的选定远场光束形状
该工作通过实验探讨了对称和非对称配置下光学孔径数量变化对通信模式正交性和耦合强度的影响。即使在孔径数量减少或非对称配置下，系统仍然能够保持高度的正交性，并且第一模式的耦合效率大约是第二模式的两倍。
跋
总的来说，该工作通过使用光子处理器通过任意和散射光学系统确定最佳的双向正交通信通道，实现了对任意未知光学介质中最优正交通信模式的自动检索和优化。该工作不需要对介质有任何先验知识，也不需要外部计算资源。
光子处理器内部的自配置MZI网格能够实时调整自身，以适应介质的动态变化，从而在保持高度正交性的同时最大化通信效率。实验验证了该系统在对称和非对称孔径配置下均能实现低于-30 dB的低串扰，展示了其在复杂或变化环境中的优异鲁棒性。进一步，该系统还具备多波长复用和多模式扩展的能力，为提高通信容量和灵活性提供了新的可能性。
[1]SeyedinNavadeh, S., Milanizadeh, M., Zanetto, F. et al. Determining the optimal communication channels of arbitrary optical systems using integrated photonic processors. Nat. Photon. 18, 149–155 (2024).
