通过湍流介质、多模光纤或自由空间光链进行高效光通信面临着信道容量和串扰降低的严峻挑战。本文分析了Seyedin等人最近提出的一种方法 [1]，该方法利用带有可重构马赫-曾德尔干涉仪（MZI）网格的集成光子电路，自动确定任意线性光学系统中的正交通信信道，而无需特征化。所示主要功能是：
1.光子处理器可以对未知光学系统进行奇异值分解（SVD），找到最大化信道容量的输入和输出。
2.该方法适应散射、障碍和相位畸变，建立新的正交信道，优化了畸变系统。
3.即使通过散射体，也能维持低于-30 dB的可忽略的信道间串扰，实现稳健的高容量通信。
4.实验数据传输确认了利用正交信道改善了比特错误率。
5.可检测信道的数量与光子处理器中的MZI对角线的数量成正比。
该自配置光子SVD系统为有效的多模和自由空间光链提供了巨大的潜力，有望抵御动态畸变和环境波动。为了实现信道容量的倍增，光通信正在转向利用多模光纤、轨道角动量技术和自由空间链路等空间模式。然而，这些系统中的散射和畸变会混淆信号，引起信道间串扰和容量损失，需要复杂的数字信号处理来消除。提高建立正交通信信道的物理层效率，可以增强弹性。Seyedin等人演示了可以自适应地在光学层面上执行所需信号处理的集成光子电路 [1] 。通过现场执行奇异值分解（SVD），该系统为信道找到输入和输出模式对，而无需校准。本文分析了该方法的工作原理、实验演示和可扩展性。像SVD这样的矩阵分解技术为任何线性光学系统提供了确定最优正交信号基的数学优雅策略，如图1a所示。输入（左）和输出（右）奇异矢量表示具有最大信道容量的通信模式对，可以消除信道间干扰。 然而，传统计算这些SVD模式需要对系统的耦合矩阵进行充分特征化。Seyedin等人通过使用可编程的纳米光子处理器来克服这一限制，这些处理器可以在处理器之间实验获得任意光学网络的SVD，而无需对介质属性做出任何假设 [1]。核心创新在于集成光子电路可以自配置以物理执行SVD。如图1b所示，两个相同的处理器具有可重构的马赫-曾德尔干涉仪（MZI）网格，用于光学输入/输出的接口。通过简单的自动化算法，MZI设置进行调谐，以在输入和输出端口之间共振传输功率。这表示实验发现了SVD信道。 值得注意的是，正交性尽管存在散射和畸变但仍得以保持。适应性确保通过处理器之间的实际光学系统实现最大功率传递。出于物理SVD操作的目的，各向异性和波动得到自动补偿。实验建立了针对3x3孔径链接的两个正交模式。如图1d和f所示，自发现的光束与理论SVD预测匹配得很好。 串扰低于-30 dB确认正交性（图1e和g）。图1阐述了使用一对光子处理器自动找到任意光学系统中最优正交通信信道的概念。处理器包含与输入/输出光学孔径接口的可重构马赫-曾德尔干涉仪（MZI）网格。自配置算法调谐MZI设置以在现场物理执行未知光学系统的奇异值分解（SVD）。使用集成光子芯片的实验在对称的9光轴发射机/接收机系统之间建立了两个主导的正交模式。处理器发现的模式图案（图1f）与SVD数值预测（图1d）非常匹配。测量的奇异值（图1g）验证了通过系统的最大功率传输效率，信道间串扰低于-30dB（图1h）确认了即使通过散射体也存在稳健的正交性。光子SVD方法可以高效地适应任意线性光学系统，而无需特征化，通过直接优化通信信道的物理层面。这对于提高自由空间和多模光链的弹性展现了前景。图1用一对光子芯片处理器自动找到任意光学系统中最优正交通信通道的方法。处理器中集成了可重构的马赫-曾德尔干涉仪（MZI）网络，与输入/输出光学孔径连接。一个自配置算法调整MZI设置，在光场中实际实现未知光学系统的奇异值分解（SVD）。用光子集成芯片进行实验，成功建立了9输入输出平面的双对称系统中两个主要正交模态。芯片发现的模态图案（图1f）与奇异值分解法的数值预测（图1d）非常吻合。测量到的奇异值（图1g）验证了通过系统的最大功率传输效率，信道间串扰小于-30dB（图1h），证实了引入散射体后正交性依然很强。该方法通过减少光轴配置（图2）和各种散射介质（图3）进行了广泛验证。奇异值和信道隔离的可忽略变化验证了信道容量的稳健优化。显著的是，数据传输测试（图4）表明，优化物理层信令可以完全恢复散射条件下的通信性能，而传统的传输技术需要更高层次的数字信号处理。
图2 针对具有任意光轴配置的光学系统的方法
图2演示了针对具有任意光轴配置的光学系统的方法。通过在光子处理器中选择性禁用光栅（图2a），实验证实了在减少输入/输出条件下保持正交模式。在不对称（图2b）和对称（图2c）案例中测量的奇异值验证了即使在较少主动光轴的情况下也能实现有效的功率传输。值得注意的是，尽管系统矩阵发生变化，信道间串扰仍保持在-30dB以下。确认了对确切光轴数量/模式不敏感的稳健物理SVD优化。发现的模式（图2d）与常规轨道模式不相似。这强调了对标准模式系列的散射弹性进行自适应性查找。总的来说，图2通过在实际介质中物理执行SVD，广泛证明了自配置光子处理器可以可靠地建立各种光学系统中的主导正交通信信道。
图3 光子SVD方法抵抗散射失真和障碍物的弹性
图3验证了光子SVD方法抵抗散射失真和障碍物的弹性。在处理器之间插入各种幅度/相位掩模，显著扰乱了光束传播（图3a-c）。值得注意的是，自配置例程适应于重新校准通过阻塞系统优化传输的正交模式。奇异值和信道隔离的可忽略变化表明了信道容量的稳健物理重新优化能力以抵律散射效应。通过动态现场执行SVD，高效发现光学系统变化的新的正交通信基是自配置光子处理器体系结构的独特优势。这有助于实时适应，以保持光信道与时变条件最佳对齐。
图4 正交信道用于高速光数据传输的效用
图4验证了优化正交信道用于高速光数据传输的效用。在两个模式上同时实现清晰的5 Gbps眼图和低比特错误率（BER）（图4a），确认了可忽略的信道间干扰。插入散射障碍物会打乱常规传输，通过串扰引起信号降级（图4b）。但是，重新配置处理器以自适应重新建立正交信道将性能恢复到参考水平（图4c）。证实了使用自配置SVD方法进行现场物理层优化可以克服散射引起的容量损失，而无需更高层次的数字信号处理。动态适应有助于保持高通量链路。实验确认了集成纳米光子处理器有效利用复杂光介质的潜力。通过直接校准传输到物理系统，可以内在提高对畸变的容忍度 [1]。关键的实现者是在光学层面直接执行SVD。这有助于比电子系统更快地适应时变条件，实现实时优化。 此外，现场发现最佳信道可以最大化功率效率。可检测通信模式的数量等于光子处理器中的MZI对角线数。因此，更大的网格尺寸可以增加信道容量。此外，通过控制光栅耦合器相位支持在更大视场范围内扫描。非相干波分复用技术也可以在每个空间模式上堆栈多个信道。可重构的纳米光子系统提供了一个通用解决方案，可适应从多模光纤、数据中心互连、LIDAR到抗湍流自由空间光链等多种应用需求。自优化正交信道最大限度地提高了动态散射和信号混合效应的弹性，这些效应限制了常规方法。使用纳米光子处理器的这种新颖的SVD方法可以有效利用复杂光介质的容量潜力。通过自动现场分析物理优化信道的奇异值和矢量，它克服了对精确光学对准和特征化的需求。实验演示验证了在具有强混合效应的介质中发现、维持和最大化正交通信模式数量的潜力。监控和控制元件与可重构光子电路的集成提供了软件定义的适应性，以匹配时变条件下的信号基。该系统代表了克服信道散射以实现高通量光链可靠部署的有前景的解决方案，这些光链部署在各种需求严苛的通信应用中，如数据中心、多模光纤、卫星网络、自动驾驶车辆等。[1] SeyedinNavadeh, S., Milanizadeh, M., Zanetto, F. et al. Determining the optimal communication channels of arbitrary optical systems using integrated photonic processors. Nat. Photon. (2023). https://doi.org/10.1038/s41566-023-01330-w
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