导读

近日，华中科技大学光电学院唐明教授领导的研究团队，依托其在光纤通信领域的深厚研究基础，开发了一种新型的语义光纤通信系统，利用多模光纤的频率敏感性和模间色散特性，实现了语义信息的编解码和传输。该成果以“Optical Semantic Communication through Multimode Fiber: From Symbol Transmission to Sentiment Analysis”为题发表于国际顶尖光学期刊《Light: Science & Applications》，华中科技大学博士生高正为该文第一作者，华中科技大学唐明教授和吴昊副研究员为通讯作者。

语义通信

随着通信容量需求的不断增加，传统通信系统面临着巨大的挑战。语义通信作为一项新兴技术，强调传输有意义的信息而非原始数据，从而优化通信资源，提高传输效率。语义信息的传输对语义通信系统至关重要，光通信物理传输通道中的衰落和噪声可能导致传输的语义信息丢失，进而引起语义失真。当前的解决方案主要集中在优化信道编码和解码，与比特信号背后的语义信息之间的联系很少。为了解决当前方案的局限性，有必要探索能更好支持语义通信独特需求的新型传输介质和物理层传输方案，因此，研究团队提出将语义符号映射到光频率上，再结合多模光纤散斑的频率敏感特性直接传输语义符号而非其二进制表示。

图1. 语义编码的光脉冲在光纤中的传播

高频谱效率的多模光纤语义信息传输

近年来，多模光纤的散斑分析技术在光谱分析和图像传输等应用中展现了独特的优势。有别于传统利用相机的低速散斑测量技术，研究团队提出利用光纤的模间色散特性，在时域进行高速测量，突破了相机帧率对信号传输速率的限制。通过将语义符号映射到不同的频率上，研究人员展示了七倍的传输容量提升，并结合PAM-4调制实现了9.12 bits/s/Hz的等效频谱效率。

图2. 实验装置、编解码过程与情感分析示意图

语义情感分析

除了提高传输效率外，研究人员还探索了该系统在情感分析中的应用，使用IMDb电影评论数据集实现了高准确率的语句情感分析。通过将语义相似的符号编码到相邻的频率，该系统有效提高了噪声容忍度，即使在高符号错误率条件下也能实现准确的情感分析。

总结与展望

该研究结合了语义通信系统的传输需求以及多模光纤的物理特性，展示了在提升通信容量和鲁棒性方面的潜力。进一步的研究将致力于优化系统性能，提升传输速率和稳定性。未来，随着语义通信技术的不断发展和完善，该系统有望在更多实际场景中得到应用。（来源：LightScienceApplications微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-024-01726-5