清華大學(xué)使用共軛調(diào)制實(shí)現(xiàn)信息解復(fù)用 面向下一代6G超大容量光通信

  可用于下一代6G超大容量光通信網(wǎng)絡(luò)，清華團(tuán)隊(duì)用共軛調(diào)制法實(shí)現(xiàn)信息解復(fù)用，或在量子領(lǐng)域獲得新突破

  “該成果在自由光通信領(lǐng)域具有重要的發(fā)展前景，對(duì)于下一代 6G 通信的超大容量光通信網(wǎng)絡(luò)具有應(yīng)用潛力。未來(lái)還可用于星間、星地通信鏈路。審稿人評(píng)價(jià)稱(chēng)，‘該研究非常有趣，對(duì)于新型光場(chǎng)作為高維信息載體的應(yīng)用來(lái)說(shuō)堪稱(chēng)奠基性的工作，將對(duì)光通信領(lǐng)域帶來(lái)巨大的效益?！?A href="http://m.huaquanjd.cn/site/CN/Search.aspx?page=1&keywords=%e6%b8%85%e5%8d%8e&column_id=ALL&station=%E5%85%A8%E9%83%A8" target="_blank">清華大學(xué)精儀系激光與光子技術(shù)研究所副教授付星表示。

圖 | 付星(來(lái)源：付星)

  近日，他所在的先進(jìn)激光技術(shù)團(tuán)隊(duì)，對(duì)下一代大容量密集編碼自由光通信應(yīng)用開(kāi)展了前沿探索，采用共軛調(diào)制方法巧妙實(shí)現(xiàn)了信息解復(fù)用。相關(guān)實(shí)驗(yàn)很好地支撐了理論假設(shè)，結(jié)果表明新型光束在信道容量、誤碼率方面都顯著優(yōu)于傳統(tǒng)渦旋光，從而發(fā)揮出軌道角動(dòng)量(OAM，Orbital Angular Momentum)光束高維通信的優(yōu)勢(shì)。

  日前，相關(guān)論文以《面向未來(lái)超大容量、低誤碼率光通信的發(fā)散簡(jiǎn)并空間復(fù)用技術(shù)》(Divergence-degenerate spatial multiplexing towards future ultrahigh capacity, low error-rate optical communications)為題，發(fā)表在 Light: Science & Applications 上。付星、團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人清華大學(xué)精儀系系主任柳強(qiáng)擔(dān)任共同通訊作者，萬(wàn)震松擔(dān)任第一作者。

圖 | 相關(guān)論文(來(lái)源：Light: Science & Applications)

  論文一經(jīng)發(fā)表，受到了廣泛關(guān)注，被 1965 年創(chuàng)刊的國(guó)際激光行業(yè)著名雜志 Laser Focus World 專(zhuān)題報(bào)道。

  據(jù)介紹，光通信領(lǐng)域的容量提升依賴(lài)于對(duì)光的多個(gè)自由度的開(kāi)發(fā)和利用。近年來(lái)，光的強(qiáng)度、頻率、偏振、相位等多個(gè)物理維度的開(kāi)發(fā)已接近極限。為應(yīng)對(duì)“容量危機(jī)”的挑戰(zhàn)，具有新型空間自由度的結(jié)構(gòu)光束也加入了“戰(zhàn)團(tuán)”，尤其是帶有 OAM 的渦旋光。

  相比于成熟的偏振復(fù)用只有兩個(gè)維度的特點(diǎn)，理論上基于 OAM 的模分復(fù)用通信有無(wú)窮多個(gè)維度可以利用。然而現(xiàn)實(shí)很骨感，發(fā)散角隨著模式通道增多而迅速變大。每增加一個(gè)模式通道，接收端的口徑就會(huì)變大一圈。模式一多，口徑就由碗口大小增至磨盤(pán)大小。

  “靈魂三問(wèn)”：如何產(chǎn)生?如何識(shí)別?如何應(yīng)用?

  這項(xiàng)研究的核心是一類(lèi)新型結(jié)構(gòu)光“幾何?！?，它具有“波跡二象性”。如圖 1 所示：除了普通光束所具有的波動(dòng)性，例如干涉、衍射等行為之外，還具有令人驚嘆的幾何軌跡性，即波包截面及其傳輸軌跡，與經(jīng)典幾何射線簇相互耦合，因而被稱(chēng)為幾何模。

圖 1 | 幾何模的波包與軌跡耦合示意圖(來(lái)源：付星)

  它的物理本質(zhì)是量子相干態(tài)的經(jīng)典對(duì)應(yīng)，在數(shù)學(xué)上被表征為：頻率簡(jiǎn)并的本征模式的線性組合。付星說(shuō)：“我們被幾何模深深吸引，對(duì)它發(fā)出了‘靈魂三問(wèn)’：如何產(chǎn)生?如何識(shí)別?如何應(yīng)用?”

  要知道，此前產(chǎn)生幾何模的方法完全依賴(lài)激光諧振腔，需要嚴(yán)格、精細(xì)地調(diào)節(jié)腔長(zhǎng)、腔鏡曲率、泵浦離軸量等腔參數(shù)，以滿足頻率簡(jiǎn)并態(tài)的苛刻條件。不僅操作非常復(fù)雜，而且各模式之間無(wú)法靈活切換。

  再加上受到激光腔的物理限制，幾何模的相當(dāng)一部分參數(shù)無(wú)法覆蓋到。這一技術(shù)桎梏嚴(yán)重制約了幾何模的發(fā)展，也讓幾何模的識(shí)別和應(yīng)用基本處于研究空白。對(duì)此，該團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，探索出了一條數(shù)字化調(diào)控幾何模的全新技術(shù)路線，做出了系列化的特色工作。

  對(duì)于第一個(gè)難題也就是幾何模的產(chǎn)生，課題組在 2020 年提出了基于廣義三維波包軌跡耦合模型的數(shù)字化產(chǎn)生和調(diào)控方法，目前已獲得國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利授權(quán)，該方法可為每個(gè)幾何?！傲可泶蛟臁比D。

  當(dāng)一束普通激光也就是基模高斯光束，照射到對(duì)應(yīng)的全息圖，即可轉(zhuǎn)換為所需要的任意幾何模式。而通過(guò)調(diào)制器高速刷新全息圖，則能實(shí)現(xiàn)大容量信息編碼。

  該方法邁出了關(guān)鍵的一步，繞過(guò)了傳統(tǒng)諧振腔技術(shù)難以逾越的障礙，充分展現(xiàn)了按需定制、全域調(diào)諧、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈活便捷的優(yōu)勢(shì)，讓此次論文提出的“幾何模作為高維光通信載體”的構(gòu)想，從技術(shù)上的不可能成為可能。

  第二個(gè)難題即幾何模的識(shí)別，正是發(fā)起本論文研究的最初目標(biāo)。此前的識(shí)別方法，主要針對(duì)具有單一或簡(jiǎn)單相位奇點(diǎn)分布的結(jié)構(gòu)光束，不適用于具有復(fù)雜相位的幾何模。

  “如圖 2 所示，我們逆向思考，將上述數(shù)字化產(chǎn)生幾何模的過(guò)程反轉(zhuǎn)，即共軛調(diào)制，這意味著幾何模只有經(jīng)過(guò)那張‘特制’的全息圖，才能聚焦成一個(gè)實(shí)心圓點(diǎn)也就是基模光束，從而成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)各種幾何模的識(shí)別?！钡谝蛔髡呷f(wàn)震松博士表示。

圖 2 | 幾何模的解復(fù)用(識(shí)別)過(guò)程(來(lái)源：Light: Science & Applications)

  稿子被按了下來(lái)

  研究進(jìn)行到這里時(shí)，萬(wàn)震松博士計(jì)劃把工作打結(jié)，投稿到 3 分的主流期刊，但稿子被導(dǎo)師按了下來(lái)，大家都沒(méi)想到這一按就是兩年。團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人柳強(qiáng)教授和付星一致認(rèn)為，應(yīng)該趁熱打鐵，直接向最為重要的第三關(guān)即幾何模的應(yīng)用發(fā)起沖擊。

  付星打了個(gè)比喻：“此時(shí)我們已經(jīng)突破了幾何模的高效產(chǎn)生、高效識(shí)別兩大瓶頸，多自由度幾何模仿佛一柄等待出匣的利劍，正如激光 1960 年誕生之初的情景——‘它是一個(gè)尋找問(wèn)題的答案’。我們?cè)凇蝿λ念櫋?、尋找‘?wèn)題’的過(guò)程中，將目光投向了光通信領(lǐng)域(圖 3)，因?yàn)橥ㄐ胖凶钪匾男畔?A href="http://m.huaquanjd.cn/site/CN/Search.aspx?page=1&keywords=%e7%bc%96%e7%a0%81&column_id=ALL&station=%E5%85%A8%E9%83%A8" target="_blank">編碼、解碼兩個(gè)環(huán)節(jié)，恰好對(duì)應(yīng)著結(jié)構(gòu)光束的產(chǎn)生與識(shí)別過(guò)程。”

圖 3 | 幾何模作為高維信息載體的藝術(shù)效果圖(來(lái)源：付星)

  如圖 4a 所示，課題組選擇了幾何模的三個(gè)自由度進(jìn)行通信，分別是相干態(tài)相位、中心軌道角動(dòng)量、子光束軌道角動(dòng)量。幾何模作為通信載波，存在這樣一個(gè)大前提：各通道之間的數(shù)據(jù)不能相互干擾。如圖 4b 所示，該團(tuán)隊(duì)通過(guò)幾何模正交性的詳細(xì)分析確認(rèn)了這一點(diǎn)。

  他們最初的想法，只是簡(jiǎn)單通過(guò)擴(kuò)展自由度來(lái)體現(xiàn)通信上的優(yōu)勢(shì)。隨著研究的深入和反復(fù)討論，他們發(fā)現(xiàn)幾何模多自由度產(chǎn)生的兩個(gè)福利，才是解決問(wèn)題的鑰匙。

  第一個(gè)福利是發(fā)散角簡(jiǎn)并效應(yīng)，即新增的自由度能提升光束空間的維度，這恰好解決了傳統(tǒng)渦旋光通信中，發(fā)散角隨著模式通道增多而迅速變大的“頑疾”。

  如圖 5a 的插圖，里面的 20 個(gè)幾何?；ò昴Ｊ蕉季哂邢嗤陌l(fā)散角，就像把原來(lái)的平房改造成 20 層的樓房，占地面積不變，但是承載量提升了 20 倍。根據(jù)圖 5b 的估算，對(duì)于同一個(gè)自由光通信系統(tǒng)，比起傳統(tǒng)渦旋光可傳輸?shù)耐ǖ罃?shù)，幾何模的傳輸上限提升了上百倍。而且，隨著通信系統(tǒng)的規(guī)模增大，這一優(yōu)勢(shì)還會(huì)繼續(xù)擴(kuò)大。

圖 4 | 幾何模自由度及正交性分析：(a) 通信用三個(gè)自由度示意圖;(b) 正交性分析(來(lái)源：Light: Science & Applications)

圖 5 | 幾何模的發(fā)散簡(jiǎn)并優(yōu)勢(shì)：(a)發(fā)散角增長(zhǎng)速度顯著下降;(b) 模式通道數(shù)目顯著提升(來(lái)源：Light: Science & Applications)

  第二個(gè)福利體現(xiàn)在降低數(shù)據(jù)誤碼率上。幾何模攜帶的相位雖然非常復(fù)雜，但是該團(tuán)隊(duì)挖掘出它的積極意義，即多個(gè)編碼信息通道疊加傳輸時(shí)，光束的中心對(duì)稱(chēng)性依然保持得很好，如圖 6 所示，這能避免傳統(tǒng)渦旋模式的中心偏移現(xiàn)象，從而在信息解碼時(shí)顯著降低誤碼率。

圖 6 | 幾何模疊加復(fù)用時(shí)保持中心對(duì)稱(chēng)性(來(lái)源：付星)

  在通信應(yīng)用之外，課題組還在經(jīng)典糾纏的前沿應(yīng)用上檢驗(yàn)了幾何模的鋒芒。經(jīng)典糾纏的概念是：利用經(jīng)典光場(chǎng)多個(gè)自由度之間的不可分離性，去模擬多個(gè)粒子組成的量子糾纏態(tài)之間的不可分離性。

  據(jù)悉，此前的經(jīng)典糾纏工作局限于結(jié)構(gòu)光的兩個(gè)自由度，例如空間光強(qiáng)分布+偏振分布，只能模擬雙粒子的量子糾纏態(tài)即 Bell 態(tài)。而該課題組利用幾何模突破了這一限制[2]，采用矢量光、標(biāo)量光均實(shí)現(xiàn)了多體量子糾纏態(tài)模擬。

  此外，針對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)光的模式識(shí)別問(wèn)題，課題組還進(jìn)行了另一條技術(shù)路線的探索，發(fā)表在 Nanophotonics 期刊上的論文中，提出了 VortexNet 新型深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)[3]。該人工智能技術(shù)僅需在焦點(diǎn)、離焦位置各測(cè)量一次幾何模的光強(qiáng)分布，即可實(shí)現(xiàn)其復(fù)雜多奇點(diǎn)相位的完整重建。

  基于該方法，該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步提出具有高安全性的密鑰共享創(chuàng)新方案，優(yōu)點(diǎn)在于只分發(fā) “千人一面”的花瓣?duì)罟鈴?qiáng)信息，卻將密鑰深深隱藏于幾何模的復(fù)雜相位中，不易被破解。

  在多奇點(diǎn)多自由度渦旋光的探索過(guò)程中，課題組與 Journal of Optics 期刊主編安德魯·福布斯(Andrew Forbes)院士團(tuán)隊(duì)、Advanced Photonics 期刊主編袁小聰教授團(tuán)隊(duì)、英國(guó)南安普頓大學(xué)光電研究中心高級(jí)研究員/瑪麗居里學(xué)者申藝杰博士(本文第二作者、本課題組培養(yǎng)的博士)開(kāi)展了深度合作。

  期間，多方合作的“超自由度”結(jié)構(gòu)光論文，先后登上 Light: Science & Applications [2]、Optica [4] 的封面。他們還在 Light: Science & Applications 合作撰寫(xiě)了光學(xué)渦旋三十年的綜述論文 [5]，該論文入選 Light 期刊創(chuàng)刊十周年十佳高亮論文，連續(xù)兩年入選期刊年度優(yōu)秀論文、熱門(mén)下載論文，發(fā)表兩年多被引用 600 余次，其中包含 3 篇 Science 論文。

  “另?yè)?jù)悉，課題組未來(lái)打算分兩步走。在理論層面，建立結(jié)構(gòu)光的調(diào)控機(jī)理和表征體系，開(kāi)發(fā)更多可操控、易操控的自由度;在方法和應(yīng)用層面，采用高維經(jīng)典結(jié)構(gòu)光，進(jìn)行更多類(lèi)型的量子過(guò)程模擬與類(lèi)比，發(fā)掘深層次的量子-經(jīng)典關(guān)聯(lián)，更好地認(rèn)知量子世界，并探索新型結(jié)構(gòu)光直接應(yīng)用于量子通信、量子存儲(chǔ)、量子計(jì)算等方面的豐富可能性?！绷鴱?qiáng)教授介紹。