面向全电信波段的超宽带光衍射网络实现模式复用技术突破

《Nature Communications》：Ultra-wideband optical diffractive network for mode multiplexing across the entire telecommunication range

　　随着数据流量激增，多波段与空分复用技术面临带宽瓶颈。研究团队通过端到端逆向设计框架开发了超宽带光衍射网络，实现了覆盖O+E+S+C+L+U波段（1260-1680 nm）的4-LP模式复用器，模式纯度>90%、串扰<-17 dB，在420 nm带宽内验证了波分-模式混合复用通信传输，为Pb级光通信系统提供了新范式。

　　

在数字化浪潮席卷全球的今天，我们每时每刻都在产生和消耗着海量数据——从高清视频流到云端协作，从物联网传感器到人工智能计算。这些应用就像永不满足的“数据巨兽”，不断吞噬着通信网络的传输能力。面对这场无声的“数据洪流”，科学家和工程师们一直在寻找能够突破现有通信容量极限的新方法。

传统的光纤通信主要依赖单根光纤中的单一模式传输信号，其容量正逐渐逼近香农极限。为了突破这一瓶颈，研究人员将目光投向了两个主要方向：一是扩展使用的光谱范围，即波分复用（WDM）技术，让更多不同波长的光信号在同一根光纤中并行传输；二是开发空间维度资源，即空分复用（SDM）技术，利用光纤中多个独立的空间通道同时传输信号。其中，模式分复用（MDM）作为SDM的重要分支，通过激发光纤中的不同模式（如LP₀₁、LP₁₁等）作为独立信道，显著提升了传输容量。

然而，将超宽带WDM与MDM技术结合面临着严峻挑战。现有的模式复用器大多只能工作在特定波段（如C波段或L波段），难以覆盖从O波段（1260-1360 nm）到U波段（1625-1675 nm）的整个电信窗口。这主要是因为光学器件存在色散效应——不同波长的光在通过光学元件时会产生相位偏差，导致器件性能随波长变化而显著下降。设计一种能够在超过400纳米带宽内保持高性能的模式复用器，成为实现超宽带空分复用的关键难题。

为了解决这一挑战，深圳大学袁小聪教授团队与合作者在《Nature Communications》上发表了一项突破性研究。他们提出了一种基于超宽带光衍射网络的模式复用器，成功实现了覆盖整个O+E+S+C+L+U波段的4-LP模式复用，为下一代超高速光通信系统奠定了关键技术基础。

研究团队采用了多项关键技术方法：首先建立了基于多层光衍射网络的端到端逆向设计框架，通过宽光谱调制相位函数补偿色散；其次设计了包含6个衍射层的级联光学系统，利用多平面光转换（MPLC）技术实现模式转换；在实验验证方面，团队通过数字全息术测量重构模场，并分别在不同波段（O、E、S、C、L、U）开展了直接检测与相干检测的混合复用通信传输实验，验证了器件在实际通信场景中的性能。

超宽带光衍射网络与色散补偿架构

研究核心是设计一种能够补偿波长色散的多层光衍射网络。如公式(1)所示，不同波长光波通过N层衍射网络产生的相位分布包含参考波长下的基本相位轮廓和由波长变化引起的附加相位偏移。团队通过引入宽光谱调制相位函数ψ(λ)（公式2），建立了双参数色散平衡策略，通过参考波长(λ_r)和训练谱宽(W)的协同优化，实现了整个目标带宽(B)内的性能均衡。值得注意的是，由于自由空间传播中短波长衍射效应更强，团队将参考波长设置为1380 nm（而非公式4计算的1440 nm），有效平衡了短长波长的性能。

级联光学层的自由空间架构设计

研究团队构建了基于多焦点光学系统的超宽带模式复用概念。覆盖超宽带谱的多个波长高斯光斑阵列被同时导向级联光学层，经过傅里叶平面内的光波传播处理，最终在输出平面检测到具有多光谱特性的同轴正交多模光。通过前向光学场u_λ^k和后向光学场g_λ^k的误差计算（公式5），团队实现了波长-模式联合的端到端相位匹配，通过梯度优化迭代修正全局相位误差（公式6-7），最终获得了高性能的衍射网络设计。

超宽带模式复用的实验表征

实验采用反射式超宽带模式复用系统，包含2x2光纤-微透镜阵列和由硅基金相板与反射器组成的反射腔。通过紫外曝光与干法刻蚀的四周期工艺，在同一个反射相位板上印制了六个相位平面，刻蚀深度分别为345 nm、173 nm、86 nm和43 nm。实验测得在1260-1675 nm波段，最大模式串扰低于-17 dB，中心波长附近串扰最小。将自由空间产生的LP模式耦合到四模光纤（FM SI-4）和六模光纤（FM SI-6）时，光纤到光纤损耗分别低于4.9 dB和4.4 dB，表明该复用器与商用少模光纤标准兼容。

超宽带模式复用通信传输实验

研究团队构建了超宽带模式复用通信系统的基本框架，包含光收发器、波分复用器、模式复用器/解复用器等关键组件。在O和E波段，基于直接检测的粗波分复用（CWDM）-MDM系统在5公里六模光纤上实现了18个信道（6波长×3模式）的传输，所有信道误码率（BER）均低于前向纠错（FEC）阈值3.8×10^-3。在U波段，强度调制直接检测（IMDD）系统实现了3模式复用传输，BER在1630-1670 nm范围内低于2.4×10^-2。在C波段，密集波分复用（DWDM）-MDM系统在20公里四模光纤上实现了80波长×4模式的传输，采用DP-16QAM调制格式和8×8多输入多输出（MIMO）数字信号处理（DSP）配置，所有信道BER均低于FEC阈值。

该研究通过创新的超宽带光衍射网络设计，成功突破了模式复用器的带宽限制，首次实现了覆盖整个电信波段的模式分复用系统。这一技术不仅为未来Pb级光通信系统提供了关键技术支撑，其端到端逆向设计框架也为其他宽带光学元件的开发提供了新思路。研究人员指出，超宽带空分复用系统与高阶信号调制格式的结合，有望进一步大幅提升信道容量。随着O+E+S+C+L+U波段放大器、调制器等关键器件的持续发展，超宽带空分复用传输场景将成为光通信领域的重要研究方向，为应对未来数据洪流挑战开辟了新的技术路径。