10月27号，PhotoniX 在线发表了华中科技大学张新亮教授团队关于通用的智能模式处理器的研究论文，文章标题为《Chip-to-chip optical multimode communication with universal mode processors》。博士研究生吴波和张文凯为论文的共同第一作者。董建绩教授和周海龙副教授为论文的共同通信作者。

光载波由于其大带宽和低损耗传输的特点已经被广泛地用来远距离传输信息，也就是众所周知的光纤通信。自从光纤通信的概念被提出以来，单根光纤的通信容量已经突破了Pbit/s。虽然如此，不断增长的对通信容量的需求依然驱使着人们不断地试图突破单根光纤的物理极限。目前提升光纤通信容量的方式有：高级调制格式、波分复用、偏振复用、多芯光纤和少模光纤。在多模光通信中，最大的挑战在于模式串扰以及模式差分群时延。因此在接收端需要引入复杂的数字信号处理(DSP)单元，带来极大的算力和能量消耗。因此如何摆脱多模光通信对DSP的依赖对于光纤通信容量的增长具有极为重要的意义。此外，现有的光学模式产生、处理和分类器件均根据特定的光学模式以及所实现的功能特殊设计。器件一旦完成制作就无法调谐，使得其容易受到制造工艺和环境因素的影响而产生性能的劣化。因此，开发一种可以自适应于各种光学模式相关操作的智能模式处理器在模式处理领域，尤其是在多模光通信中具有重要的意义。

本文提出了一种智能化的通用光学模式处理芯片架构，包括马赫曾德尔干涉仪（MZI）光学酉矩阵以及光栅采样/发射天线阵列。采样光栅均匀分布在一个圆周上，可以证明这种排列方式的光栅阵列可以对多个线偏振模式(LP模)和轨道角动量模式(OAM模)进行正交采样，也即采样后阵列波导中的光向量维持正交。因此可以采用光学酉变换将不同的模式分配到不同的波导中，实现模式的路由。同理，当光路反向传播时可以实现任意正交模式的产生。当模式传输路径中存在串扰时，可以将串扰建模为一个随机酉矩阵，这时依然可以将串扰矩阵和采样矩阵合并到一个酉矩阵中，可以采用一个MZI酉矩阵解串扰。对于更复杂的场景，也可以采用相应的可重构光学网络来解串扰。在实验中，本文首先采用一个模式处理芯片成功实现了4个LP(LP₀₁, LP_11a,LP_11b, LP₂₁)模式和OAM(OAM₀, OAM₁, OAM_-1, OAM₂)模式的产生。接下来，结合另一个模式处理芯片搭建芯片间多模通信系统，实现了25 Gbaud OOK信号下的四模式低串扰通信，在无DSP处理的条件下模式之间的消光比均可超过18 dB。该多模通信系统具有极强的鲁棒性和可扩展能力，有望应用于长距离多模光纤通信系统。除此之外，该模式处理器可以完美地与波分复用和偏振复用技术兼容，为大容量多维度复用光纤通信系统奠定了理论基础。本文的技术突破与创新点包括：

- 模式处理器的智能化配置和多功能性：本文提出的通用模式处理器可以实现对两组常用正交模式的产生、路由、解扰等多种模式处理功能。采用改进的梯度下降算法配置网络中的热电极，可以方便实现不同功能之间的切换。在实验中实现了超过15 dB模式消光比的两组正交模式产生。

- 鲁棒性以及抗串扰能力：由于所提出的模式处理器不依赖于芯片的初始状态，而是将模式处理任务作为全局的待优化函数。因此，其具有对制造误差不敏感，对环境干扰具有自校准的特点。面对模式串扰问题，该模式处理器也可以通过算法配置来消除串扰。

- 强可扩展能力：本文提出了一种通用的采样光栅排列方式，可以扩展到对更高阶的模式组合的正交采样。除此之外，线性光学酉矩阵网络也可以根据实际光信号传输的物理过程来调整网络架构和复杂度，以适应更复杂的模式传输链路，如有模式差分群时延、不一致模式增益/损耗等情形。

- 多维复用能力：本文提出的模式处理芯片可以与波分复用器件以及偏振复用器件完成单片集成，实现多个物理维度复用的大容量通信。由于此系统的鲁棒性，模式串扰和偏振串扰可以同时在接收端消除，这将极大地降低多维复用光通信对DSP资源的消耗。

该工作得到了国家重点研发计划及国家自然科学基金等项目的支持。

文章链接：https://photonix.springeropen.com/articles/10.1186/s43074-023-00114-3