基于缺陷态Hermite-Gaussian模式的长距离图像传输与超高容量编码技术

研究团队针对自由空间光通信中模式容量受限和图像直接传输难题，创新性地提出利用Hermite-Gaussian(HG)模式的缺陷态实现超高容量编码和长距离图像传输。通过二维二元全息光栅调控HG模式的局部缺陷，实现了10n(n>10)种可识别激光态（对应数十比特容量），并验证了图像在50米距离的高保真传输。该成果为结构化光通信开辟了新途径，发表于《Nature Communications》。

　　

在光通信领域，结构化光因其携带轨道角动量(OAM)的特性被视为突破通信容量瓶颈的关键技术。然而，现有基于QAM调制的时空编码方法面临模式容量有限（最高仅1680种态）、高阶模式识别困难等问题。更关键的是，传统光学成像技术无法实现图像信息的直接远距离传输——这一直是光学通信领域的"圣杯"挑战。

Zilong Zhang团队在《Nature Communications》发表的这项研究，通过重新定义HG模式的缺陷态，实现了两大突破：一是将单模编码容量提升至49比特（对应0.56×10¹⁵种态），二是首次实现图像在自由空间50米距离的保真传输。研究人员巧妙利用HG_m,n模式固有的(m+1)(n+1)个亮斑阵列特性，通过空间光调制器(SLM)加载计算机生成全息图(CGH)，选择性"关闭"特定位置亮斑形成缺陷态。理论分析表明，当目标场位置d远大于瑞利长度时（如d=800m），缺陷模式能在约47-130m范围内保持结构相似性(SSIM>0.9)。

关键技术包括：1）基于角谱理论的逆向传播计算，推导近场复振幅分布；2）二元全息光栅设计实现缺陷态精准调控；3）结合Suzuki算法的图像处理解码系统，实现50fps实时识别；4）DMD超像素技术生成高阶HG_24,24模式。

图像生成与传播

通过调制HG_8,8模式成功生成数字、汉字等符号，验证方法有效性。高阶HG_24,24模式可承载复杂校徽图案，实验显示在50m传输后仍保持结构完整性。仿真表明，当光束腰半径ω₀=3mm时，HG_3,3模式在d=200m处的相似区间达130m。

编码原理与应用

提出类似QR码的定位策略：保留行列基准亮斑，使HG_4,4模式可编码16比特数据（对应65,536种态）。实验验证显示98.04%识别准确率，而HG_7,7模式更可实现49比特容量。

讨论与意义

该研究突破传统OAM复用技术的模式数量限制，其缺陷态编码容量较现有最高记录提升10¹²倍。更深远的意义在于，首次证明结构化光可同时实现超高容量编码和图像直接传输，为光学通信带来范式变革。未来通过结合时分复用和空间分集技术，有望进一步突破传输容量极限。

研究也指出当前SLM调制速度仍是瓶颈，但随空间光学元件发展，这种基于物理缺陷的编码方法将展现出更强竞争力。这项工作不仅为自由空间光通信提供新方案，其缺陷调控思想对拓扑光子学、光学计算等领域也有重要启示。