【光学前沿】高速全光神经网络赋能下的轨道角动量时空复用技术革新

    在现代通信领域，不断增长的数据传输需求对通信系统的容量、速度及复杂环境适应性提出了严苛挑战。传统光通信复用技术虽在一定程度上提升了传输效能，但仍面临诸多固有局限。之江实验室袁小聪院士团队提出并实验验证的“轨道角动量时空复用（OAM-STM）”创新范式，通过全光神经网络与时空维度协同设计，为突破传统技术瓶颈、构建高速高容量光通信系统提供了革命性解决方案，相关研究成果已发表于《Light:Science&Applications》。

    一、传统光通信复用技术的困境与突破方向
    轨道角动量（OAM）光束凭借其独特的螺旋相位结构和相位奇点，为模分复用（MDM）技术提供了全新维度，理论上无限的正交OAM模式使其成为提升通信容量的核心资源。然而，传统OAM复用系统仅依赖空域维度拓展，不可避免地遭遇系统复杂度攀升、模式串扰加剧及可扩展性受限等问题。尽管结合波长、偏振等自由度的混合复用方案已实现Pbit/s级传输容量，但这类系统多依赖连续波激光器与外部调制器，在复杂环境中的抗干扰能力和峰值功率表现不足，难以满足自由空间、水下等特殊场景的通信需求。
    脉冲激光具备高峰值功率、强抗干扰性等优势，且部分OAM发生器可直接输出脉冲OAM光束，无需额外调制器，简化了系统结构。但脉冲系统固定的重复频率导致时域信道利用率低下，成为制约数据吞吐量提升的关键瓶颈。在此背景下，将空域OAM模式与时域维度相结合的复用方案，成为突破现有技术局限、实现通信性能跃升的核心方向。

    二、轨道角动量时空复用技术原理与实验架构
    （一）核心技术原理
    轨道角动量时空复用技术的核心创新在于，通过衍射深度神经网络（D²NN）与光纤延迟线的协同作用，将OAM光束的空间模式信息高效投射至时域，实现空-时维度的协同复用。该技术以脉冲光源为信息载体，将n位数据编码为特定OAM状态，经优化后的衍射深度神经网络传输时，不同OAM本征模被精准聚焦到输出平面的不同“激活区域”。随后，各“激活区域”与不同长度的光纤延迟线耦合，使空间分离的OAM模式获得差异化时间延迟，最终通过单像素探测器检测时域脉冲序列，从脉冲分布中解码原始空间信息。这种设计巧妙激活了脉冲激光通信中未被充分利用的时间维度，将空间解复用问题转化为时间序列检测问题，理论上使解复用速度仅受限于高速光电二极管的带宽（可达GHz级）。
    （二）实验系统构建
    为验证技术可行性，研究团队搭建了概念验证系统。光源采用工作波长1064nm、脉冲持续时间10ps的锁模超快脉冲激光器；编码环节通过数字微镜器件（DMD）生成的计算机全息图，将“001”至“111”的7组3位数据编码为单一或混合OAM模式（拓扑荷l∈[1,3]）；解码环节采用单层衍射深度神经网络，其相位分布通过误差反向传播算法优化，配合3根长度分别为2m、4m、6m的多模光纤构成光纤延迟线，实现空间模式的时域映射。检测端采用5GHz带宽高速光电探测器和32GHz采样率示波器，完成脉冲序列的采集与分析。

    三、实验结果与技术性能验证
    （一）基础传输性能
    仿真与实验结果均表明，该系统具备优异的模式分离与能量聚焦能力。在仿真中，91%-94%的光能量可聚焦到目标“激活区域”；实验环境下，这一比例仍保持在82%-86%，确保了信号的高利用率。通过设置0.6的强度阈值，系统对3位编码数据的解码准确率达到100%，验证了技术的可靠性。实验测得相邻脉冲峰值的时间延迟为9.48ns，单个检测周期为9.53ns，且可通过缩短光纤延迟线长度差进一步优化周期参数。
    （二）高速探测潜力
    系统架构本质上兼容高速脉冲源，理论解复用速度仅受光电探测器带宽限制，具备向GHz级速率拓展的巨大潜力。尽管当前受数字微镜器件开关速率（10752Hz）限制，系统运行于kHz频段，但成功捕获了数字微镜器件切换过程中的动态特性，清晰分辨出4μs的瞬态阶段和8μs的振荡阶段，充分验证了系统对高速信号的响应与表征能力，为后续速率升级奠定了坚实基础。
    四、技术革新意义与未来发展展望
    （一）核心技术价值
    轨道角动量时空复用技术的突破具有深远的行业意义。该技术不仅克服了传统OAM复用系统的重复率瓶颈，构建了高速、全光、高容量的OAM通信基础框架，更实现了从“空域主导”到“空时协同”的复用范式转变。其全光处理特性降低了电光/光电转换损耗，脉冲光源的采用增强了复杂环境适应性，为自由空间光通信、水下通信链路及量子通信等特殊场景的实时数据传输提供了可行方案，对推动下一代光通信技术产业化具有重要支撑作用。
    （二）未来发展方向
    为进一步释放技术潜力，后续研究将聚焦三大方向：一是采用高重复率脉冲OAM发生器或锁模激光器，突破GHz级超高速传输瓶颈；二是优化衍射深度神经网络结构，通过增加衍射层数或神经元数量，进一步提升系统通信容量与模式分辨能力；三是推进系统集成化发展，将光纤延迟线优化为厘米级长度设计，实现与高折射率螺旋波导或谐振器基光延迟线的片上集成，最终达成与5G全光网络的深度兼容，为构建空天地一体化高速通信网络提供核心技术支撑。

    轨道角动量时空复用技术以全光神经网络为核心驱动力，通过时空维度的创新融合，打破了传统光通信复用技术的性能边界。随着技术的持续迭代与产业化推进，这一革新性方案必将在未来通信领域引发深远变革，为全球数字经济发展注入强劲动力。