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高速全光神经网络赋能轨道角动量时空复用技术：突破光通信容量与速率瓶颈 |
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导读
在高速光通信领域，传统轨道角动量（OAM）复用系统长期受限于空间域操作的复杂度攀升、模态串扰加剧及对连续波激光的强依赖等问题，难以满足复杂环境下高容量传输的核心需求。近日，之江实验室/浙江大学冯甫副研究员和袁小聪教授团队创新提出基于 OAM 的时空复用（OAM-STM）新技术，通过构建脉冲OAM光束与衍射深度神经网络（D2NN）、光纤延迟线阵列协同耦合的 “空间→时间” 投影机制，在全光域实现了高速多维复用通信操作。该系统解复用速率理论上仅受单像素探测器带宽限制，与OAM脉冲激光源天然兼容且可扩展至 GHz 量级，为自由空间、水下等复杂场景的大容量光通信提供了突破性技术支撑。相关成果以“High-speed all-optical neural networks empowered spatiotemporal mode multiplexing”为题发表于国际顶级学术期刊《Light: Science & Applications》。
研究背景
随着 5G 通信、量子信息传输及水下探测等技术的高速发展，光通信系统对容量规模、传输速率及环境适应性的要求持续升级。轨道角动量（OAM）光束因独特的螺旋相位结构和相位奇点特性，通过模式分复用（MDM）技术为光通信拓展出全新维度——理论上可利用无穷多正交OAM模式实现容量倍增，成为高容量通信领域的核心研究方向。
然而，传统OAM复用技术存在两大根本性局限：其一，仅依赖空间域进行信号调控，随着复用模式数量增加，系统架构复杂度呈指数级上升，模态串扰问题显著加剧，解复用效率大幅衰减，可扩展性遭遇瓶颈；其二，现有混合复用方案（如结合波长、偏振维度）多依赖连续波（CW）激光与外部调制器，在大气湍流、水下散射等复杂环境中抗干扰能力不足。值得注意的是，脉冲激光具备高峰值功率、强环境抗干扰性等天然优势，且多数先进OAM发生器本身即可直接输出脉冲模式光束，能显著简化系统架构，但脉冲时间间隔受重复率固定限制，导致时间维度未被有效开发，形成数据吞吐量的关键制约。
如何将空间域的OAM模式信息高效转化为可高速检测的时间信号，同时实现与高重复率脉冲源的深度兼容，成为突破技术壁垒的核心命题。现有基于干涉法、相位板的解复用技术难以兼顾速率与容量的双重需求，亟需从架构设计层面实现空间-时间多维度的协同调控创新。
研究亮点
研究团队创新性提出OAM-STM技术架构，通过三大核心设计实现跨维度突破：
| 原理创新：构建 “空间编码-时间解码” 全光链路
图1： OAM-STM原理示意图
该技术构建了 “空间编码-时间解码” 的跨域传输链路（图 1）。脉冲激光作为信息载体，将N-bit数据编码为OAM态，经 D2NN 传播调控后，不同OAM 本征模被聚焦到输出平面的特定空间区域—激活区域；再将激活区域的光信号耦合进入光纤延迟线阵列来引入差异化时间延迟，最终由单像素探测器捕获叠加的时间脉冲序列。由于每个空间维度的OAM 本征模在时间维度上被投影为不同时刻的脉冲，输入信息可直接从具有特征分布的时域脉冲序列中解码，实现了基于OAM的时空复用传输链路。
| 实验验证：3 bit数据实现精准时域解码
图2： OAM-STM系统光路和采集的时域脉冲序列分布实验结果
团队搭建了3 bit数据的OAM-STM系统并成功采集到特征化的时域脉冲序列波形（图 2）。系统采用10 ps脉宽的锁模超快脉冲激光，通过计算全息技术利用数字微镜器件（DMD）生成携带 “001” 至 “111” 数据的 OAM 光束（拓扑荷l∈[1,3]），经过单层 D2NN 调控后，光束能量被聚焦到三个目标 “激活区域”；配合 2 m、4 m、6 m 长度的光纤延迟线，使不同 OAM 模式对应的时间脉冲时延为 9.48 ns。实验成功在时域得到了具有不同脉冲分布特征的时域波形，通过设置强度阈值为0.6，时间脉冲序列可准确解码3 bit数据，验证了技术可行性。
| 性能突破：GHz 级扩展潜力显著
图3： OAM-STM系统的解复用速率性能测试
系统展现出极强的可扩展性和高速解复用的潜力（图3）。尽管实验中受 DMD 切换速率（10752 Hz）限制运行于 kHz 级，但架构本身与高重复率 OAM 源完全兼容。理论上，其解复用速率仅受光电二极管带宽限制，可轻松拓展至 GHz 量级；通过增加 D2NN 的衍射层数或神经元数量，还能支持更高bit的数据通信，为大容量光信息传输奠定基础。
总结与展望
这项研究成果突破了传统OAM复用通信在时间域利用率低和解复用复杂度高的瓶颈。通过在全光学体系中引入时间复用维度，每个激光脉冲得以承载多倍信息，有效克服了脉冲激光重复频率受限带来的吞吐量瓶颈。这种全光解码方式免去了电信号处理的延迟与损耗，使高速通信系统更加紧凑高效。
展望未来，该技术有望通过三大方向实现升级：一是采用高重复率脉冲 OAM 发生器与激光器，直接提升通信速率至 GHz 级；二是开发多层 D2NN 与片上集成延迟线（如高折射率螺旋波导），缩小器件体积，适配 5G 全光网络集成需求；三是拓展至更复杂场景，如自由空间长距离通信、水下无线光链路及量子通信中的高速信息传输。这项研究不仅为光通信的时空复用提供了新范式，更推动了全光神经网络与 OAM 技术的深度融合，为下一代高容量、高适应性光信息系统开辟了新路径。（来源：LightScienceApplications微信公众号）
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-025-02007-5
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