自配置高速多平面光转换：实现超高性能光学变换的新路径

《Nature Communications》：Self-configuring high-speed multi-plane light conversion

本刊推荐：研究人员针对多平面光转换器(MPLC)因模型与物理系统失配导致性能下降的难题，开展了自配置高速MPLC的主题研究。通过引入"多平面波前整形"技术并结合kHz速率相位调制器，实现了可自动吸收未知失调与像差的MPLC系统，在几分钟内完成收敛。该技术为光学通信、光子计算和成像等领域提供了超高性能的光学变换解决方案。

　　

在当今光子技术快速发展的时代，对光场进行高维操控的需求日益增长。空间光调制器(SLM)作为光场调控的"主力军"，虽然能在数百万个独立像素上对光束进行任意图案化，但其二维平面结构存在固有局限：单次反射只能高效变换单个空间光模式。然而，新一代光子技术迫切需要能够同时高效调制整个空间光模式基组的能力，即实现将一组输入空间模式确定性映射到新输出模式组的空间基变换。

这种空间基变换光学器件具有广泛的应用前景，包括光通信中的空间模式复用器、多播可重构光开关、远场超分辨成像的模式分选器，以及用于隐藏在非透明介质后场景可视化的光解扰器等领域。传统MPLC设计通常通过数字模型优化实现，但由于系统高度复杂性，数字模型与物理实现的轻微失配就会导致性能严重下降。这些挑战促使研究人员开发能够原位优化的自配置MPLC系统。

在《Nature Communications》发表的最新研究中，José C.A. Rocha团队报道了一种自配置高速多平面光转换器，能够在几分钟内自动收敛，同时将未知失调和像差吸收到设计中。这一突破性技术为超高性能MPLC的实现开辟了新途径。

研究团队采用了几项关键技术方法：开发了基于微机电系统(MEMS)的相位光调制器(PLM)平台，支持kHz速率相位调制；建立了马赫-曾德尔干涉仪实验系统，通过单次离轴数字全息术进行传输矩阵测量；提出了创新的相位漂移校正协议，包括TM内和TM间相位漂移稳定化；采用平面波基对传输矩阵进行采样，实现了相位掩模的均匀采样。

自配置MPLC优化算法的核心设计

研究团队提出的原位MPLC优化算法灵感来源于波前匹配方法，但进行了重要创新。该算法将MPLC本身视为复杂介质，通过测量从特定MPLC平面到输出的传输矩阵(TM)，计算应如何更新该平面的相位分布以产生期望的输出光场。

算法流程包含几个关键步骤：首先用输入场u照射MPLC，在初始配置下生成与目标输出场v相关性较低的输出场v'。对于每个平面m，测量连接平面m到输出场的传输矩阵T_m，通过显示一组正交测试相位函数（如平面波），全息测量每个测试模式对应的传输场。利用测量的T'_m计算复空间滤波器s_m，取其幅角获得相位掩模函数φ_m。对于多输入模式情况，算法会依次用N个输入模式照射MPLC，分别测量传输矩阵，并通过求和复滤波器来找到能同时改善所有输入-输出映射的相位函数。

高速切换MPLC平台的技术突破

为实现原位MPLC优化，研究团队开发了高速切换MPLC平台，其核心是新型相位光调制器(PLM)。这种MEMS SLM包含百万像素微镜阵列，每个微镜可垂直活塞运动，具有4比特精度（16个镜面高度），实现对反射光相位的控制。

实验装置基于马赫-曾德尔干涉仪，使用633nm波长激光器，通过偏振分束器分成两路。上路径的光束由液晶SLM整形后入射到MPLC，MPLC由PLM芯片和对置镜子构成4平面结构。传输光由高速相机成像，结合下路径的参考光束，通过单次离轴数字全息术测量通过MPLC的场。

任意光场整形与通用模式分选的实验验证

在实验验证方面，研究团队首先测试了将单个输入光场整形为目标输出光场的能力。如图1(b)所示，成功将散斑图案映射为拉盖尔-高斯(LG₁₁)模式，经过40次掩模更新后，输出模式保真度达到0.95。

进一步地，团队优化了MPLC同时整形三个正交输入散斑场为埃尔米特-高斯模式的能力：HG₁₃、HG₂₂和HG₃₁，保真度分别达到0.87、0.92和0.87。这些实验证明了该方法处理复杂变换的能力。

在空间模式分选方面，研究团队展示了10模式HG分选器和7模式散斑分选器的自配置能力。HG模式分选器将输入模式重定向到输出平面的分离位置，平均串扰为-19dB。散斑分选器作为任意基旋转的例子，平均串扰为-17dB，证明了该方法的通用性。

优化时间尺度与未来改进方向

在目前的概念验证实现中，优化时间主要取决于传输矩阵测量和数据处理时间。10模式HG分选器的总优化时间约为47分钟，包含20次掩模更新和约970,000种不同MPLC配置的采样。

研究团队指出，未来通过使用开发中的10kHz帧率PLM、优化数据处理例程以及采用压缩感知等策略，可大幅减少优化时间。例如，HG模式分选器的优化时间有望从47分钟缩短至88秒，单输入光束整形可在9秒内完成。

研究的深远意义与未来展望

这项研究的意义不仅在于技术本身的突破，更在于其对各领域的潜在影响。自配置MPLC允许在平面之间使用未知且可能高度复杂的光学系统，无需物理模型，这为通过强散射介质成像提供了新可能。该方法可自动适应解扰强散射光，适用于生物组织等强散射介质中的多共轭自适应光学系统。

与传统单平面波前整形相比，多平面波前整形同时控制多个模式，且不对无序强度做任何假设，这在通过生物组织等强散射介质成像时具有独特优势。此外，该技术为光学通信、先进成像和全光信息处理等领域的超高保真度多维光场整形提供了可行路径。

尽管当前研究处理的是相对较少的输入-输出光束对（最多10对），但该方法原则上可扩展至处理更多模式。随着算法和硬件技术的进一步发展，自配置MPLC有望在超高容量光通信、远场超分辨成像和新兴光学计算架构中发挥关键作用。

这项研究通过将快速切换MEMS SLM与创新的原位优化算法相结合，为构建高维、高速切换和超高保真度的自由空间MPLC和线性衍射神经网络指明了方向，标志着光子技术向着更智能、更自适应方向迈出了重要一步。