用于轨道角动量模式解复用与光束转向的可调光学衍射神经网络

《IEEE Transactions on Learning Technologies》：Tunable Optical Diffractive Neural Network for OAM Mode Demultiplexing and Beam Steering

　　# 摘要在下一代自由空间光通信系统中，信道可扩展性和空间灵活性越来越受到静态光学架构的限制，因此实现高保真轨道角动量（OAM）模式解复用以及可动态重构的空间路由能力至关重要。传统OAM（解）复用器通常依赖固定的衍射或折射元件，缺乏适应性，限制了其在多功能信号处理中的集成潜力。为解决这些问题，我们提出了一种旋转可调的三层光学衍射神经网络（ODNN），在一个紧凑的全光框架内实现了OAM模式解复用和空间可控输出路由的双重功能。通过在旋转ODNN与离散衍射面之间引入可调旋转过程，该方法相较于静态方案增强了信道处理能力和光学信息存储容量。具体而言，采用了一种由三片衍射相位板和反射镜组成的多层级联ODNN架构，实现了对五种不同OAM模式的解复用以及精确的空间位置控制。级联相位分布通过基于梯度下降的反向设计方法获得，其中具有独立训练相位剖面的级联相位板同时作为解复用器和旋转可调路由器工作。实验验证确认了具有旋转依赖空间控制的精确五OAM模式解复用，通信测试结果表明，支持32 GBaud QPSK传输，模式转换效率超过36%，平均模式间串扰约为?13 dB。---# 一、引言光学轨道角动量（OAM）模式作为光学物理中的附加正交维度，为提高光通信容量提供了一种新的自由度。理论上，OAM模式具有无限正交性，可以通过模式复用显著提高系统容量[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。此外，OAM与传统的复用技术（如波分复用、时分复用和偏振复用）天然兼容，从而可大幅提高通信系统中的信道密度和频谱利用率[6]、[7]、[8]、[9]。然而，现有的自由空间光通信系统主要以点对点配置实现。为推动集成空-地通信网络系统的发展，迫切需要高速、可重构且精确可控的模式路由技术。这些能力对于使下一代光网络中多网络节点之间的高效信息传输和灵活互连至关重要[10]、[11]、[12]、[13]。通过选择性响应不同的输入模式并将其引导至指定的输出端口，这些技术可以实现入射多信道正交模式的复用管理，从而支持通信网络内的大容量传输和多样的节点间连接[14]、[15]、[16]。传统的OAM分类和检测技术，如正向设计的涡旋光栅和光学坐标变换器件，在角域或空间域中分离不同OAM模式的光场[17]、[18]、[19]、[20]、[21]。特别地，通过使用OAM拓扑荷作为物理标签来区分和路由重叠的光流，已验证了OAM标记的自由空间光流路由[22]。