前沿：通用模式处理器助力芯片间多模通信

研究背景

      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。

论文导读

      在光通信容量增长面临瓶颈的大背景下，模式资源作为除了波长之外的另一个可以大规模扩展的光学维度是维系光通信容量增长的重要原料。为了解决当前光学模式处理器性能单一、易受制造工艺和环境扰动影响以及多模光通信中存在的模式串扰问题，华中科技大学董建绩教授和周海龙副教授提出了一种通用的智能模式处理器。基于可重构的片上马赫曾德尔干涉仪(MZI)网络和特殊设计的光栅天线阵列，该模式处理器可以自适应地实现对线偏振模式(LP模)和轨道角动量模式(OAM模)的产生、路由和解扰。进一步地，他们展示了两个模式处理器(模式产生器+模式分类器)的片间多模通信，验证了其可重构性以及对模式串扰的鲁棒性。相关工作以“Chip-to-chip optical multimode communication with universal mode processors”为题发表在 PhotoniX 上。

主要研究内容

      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LP/OAM模式进行正交采样，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。

技术突破

• 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。

观点评述

      本工作提出了一种通用的智能模式处理器架构，此架构具有多功能性，极强的鲁棒性和可扩展能力。基于该模式处理器本工作验证了模式产生、模式路由、模式解扰等功能，同时构建了芯片到芯片的多模光通信系统，在25 Gbaud OOK信号传输下实现了无DSP的信号恢复。该智能模式处理器充分利用了硅基线性网络的可重构能力，为长距离多维光纤通信系统的低成本，小型化奠定了重要的理论和实验基础。

主要作者

      董建绩，华中科技大学教授，现任华中科技大学武汉光电国家研究中心主任助理。长期从事光信号处理和光计算的研究工作，在光电子领域主流期刊发表论文100余篇。2016年获得国家基金委“优青”，2013年和2021年分别获得湖北省自然科学一等奖（排名分别为第一和第二），获得国家教学成果（研究生）二等奖和湖北省教学成果一等奖，入选爱思唯尔中国高被引学者，主持科技部重点研发计划项目、基金委重点项目等，担任期刊Frontier of Optoelectronics执行主编和全国智能计算标准化委员会委员，参与撰写《中国集成电路与光电芯片2035发展战略》，作为大会技术委员会主席组织光电子学国际会议3次，作为发起人组织光子学公开课的光电计算专题。

• PhotoniX 属同行评议、开放获取（OA）高影响力国际期刊。是中国光学工程学会会刊，由中国光学工程学会、清华大学、上海理工大学和西湖大学共同主办，由Springer Nature集团出版。上海理工大学顾敏院士和西湖大学仇旻教授担任期刊主编，庄松林院士担任期刊名誉主编。期刊拥有强大的国际编委和编辑团队。PhotoniX 主要报道国内外光学与光子学技术与信息、能源、材料、生命、精密制造、纳米、光电子器件、微纳米电子等学科交叉融合发展带来的颠覆性科研成果和最新的工程应用进展。以展现具有前沿性、多学科交叉和衍生性特点的技术为核心，成为推动国际前沿“使能技术”的平台。

• PhotoniX 已被SCI、EI、SCOPUS、DOAJ、ProQuest、CNKI、INSPEC、Dimensions等10多个数据库收录。2022年6月获得首个影响因子19.818，位列Q1区。同时进入《2022年中国科学院文献情报中心期刊分区表》，位列物理与天体物理大类和光学小类双一区，为Top期刊。中国科协首次颁布“光学工程和光学领域高质量期刊目录”PhotoniX 位列T1级。
  

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