结构光空间非线性转换与机器学习在超精确信息网络中的应用
在信息时代,通信系统对传输容量与精度的需求持续攀升。自由空间光通信凭借其高频谱利用率与高保密性,成为极具潜力的技术方向。然而,如何在提升容量的同时保障传输精度,始终是制约其实际应用的关键瓶颈。近日,张子龙团队在《Laser&PhotonicsReviews》发表的研究成果,通过将结构光的空间非线性转换与机器学习技术相结合,为解决这一难题提供了突破性方案。

传统光通信技术的局限性:容量与精度的矛盾
结构光,特别是具有轨道角动量的光束,曾被认为是拓展光通信容量的重要手段。其独特的空间模式特性可携带更多信息,理论上能显著提升通信维度。但在实际应用中,这种“高容量”往往伴随着难以规避的缺陷。
传统方案普遍采用高阶空间本征模(如拉盖尔高斯模式)进行信息编码,而模式阶数的提高会导致光束发散性增强——这不仅要求更大的光学接收孔径,还会严重限制传输距离。同时,高阶模式对大气湍流和对准偏差极为敏感,易引发串扰与功率泄漏,直接导致传输精度下降。例如,当传输距离增至3公里时,传统高阶模式的误码率可能升至无法接受的水平,形成“容量提升则精度下降”的困境。
更为关键的是,传统复用解码方法复杂度高,难以适配大规模网络。拉盖尔高斯模式因具有旋转对称性,其相干叠加态的空间图案仅随相位差发生旋转,识别难度极大;而轨道角动量束的模式识别依赖精密对准,进一步增加了系统复杂度,这些因素均阻碍了其实用化进程。
新型技术方案的核心突破:从“高阶依赖”到“低阶高效”的转变
张子龙团队的创新点在于摆脱对“高阶模式”的依赖,通过结构光的空间非线性转换与相干叠加态设计,在低阶模式下实现了高容量与高精度的平衡。
厄密高斯模式:低阶模式的容量优势
研究表明,厄密高斯模式相较于传统的拉盖尔高斯模式和轨道角动量束,具有显著优势:
抗串扰能力更强:厄密高斯模式具备笛卡尔对称性,其相干叠加态的空间幅度差异会随相位差发生显著变化,易于区分;而拉盖尔高斯模式的叠加态仅产生旋转,识别难度较高。
低阶高容量特性:在相同模式阶数下,厄密高斯模式的有效简并模式数量更多。例如,当模式阶数N=6时,其可编码的有效模式数量远超拉盖尔高斯模式,无需依赖高阶模式即可实现容量拓展。
通过调控厄密高斯本征模的相干叠加(如设置0、π/2、π等初始相位差),可在低阶模式下生成大量独特的空间图案,为高容量编码提供了基础。
空间非线性转换:容量提升的倍增机制
团队进一步引入空间非线性转换(如二次谐波产生),使低阶模式的容量实现跨越式提升。在此过程中,光束的模式阶数虽翻倍,但空间振幅差异更为显著——原本难以区分的模式,经转换后形成独特的强度分布,可被高效识别。
实验数据显示,当厄密高斯本征模阶数N≤6时,通过设置0到π、间隔π/8的初始相位差,可生成531种复杂结构模式,远超过基波光束的编码能力。这些模式经传输后,结合卷积神经网络进行识别,准确率高达99.5%,彻底打破了“低阶模式容量有限”的固有认知。
从点到点到点对多点:实用化进程的关键突破
为验证方案的实用性,团队搭建了自由空间光通信链路,完成了多场景下的传输实验:
高精度传输性能:在无湍流条件下,传输50×50像素的125级彩色图像,误码率仅为0.08%;即使在模拟1公里、3公里大气湍流(Cₙ²=2×10⁻¹⁶m⁻²/³)环境中,误码率也分别仅为0.48%和2.92%,图像整体质量基本不受影响。
点对多点通信实现:通过漫反射屏与多个电荷耦合器件(CCD)的结合,实现了大视角下的点对多点传输。当观察角度从10°扩展至70°时,经优化的卷积神经网络仍能保持稳定精度——无湍流时约为99%,1公里弱湍流时约为97%,3公里时约为94%,有效解决了传统光束因空间抖动和孔径限制导致的串扰问题。
未来展望:从实验室研究到产业化应用的潜力
该研究为结构光通信的实用化开辟了新路径。未来,通过进一步优化有望实现更大突破:
容量的进一步提升:利用更小的相位差区间、调整模式比例或叠加更多分量本征模,可在不提高阶数的前提下实现容量的指数级扩展。
精度的持续优化:丰富不同湍流强度下的训练样本、优化神经网络结构,能够进一步降低复杂环境下的误码率,提升系统稳定性。
成本的有效降低:随着机器学习算法的迭代,未来的识别系统将更加轻量化,减少对硬件的依赖,推动产业化落地进程。
从数据中心的高速互联到星地通信的大容量传输,结构光的空间非线性转换技术与机器学习的融合,正推动“超精确、高容量”的自由空间光通信从理论走向实践。
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