隨著 AI、海量數(shù)據(jù)分析以及云計(jì)算帶來的全球數(shù)據(jù)流量呈指數(shù)級增長，當(dāng)前廣泛部署的單模光纖（SMF）通信網(wǎng)絡(luò)正逐漸逼近其 香農(nóng)容量極限（Shannon Capacity Limit）。在這樣的背景下，利用多模光纖（MMF）的空間分復(fù)用（SDM）技術(shù)被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)下一代帶寬突破的重要方向。原因在于：一根多模光纖能夠同時(shí)承載多個(gè)彼此正交的橫向模式，實(shí)現(xiàn)并行傳輸，從而顯著提升通信容量。
然而，多模光纖在信號傳播過程中會發(fā)生隨機(jī)模式耦合，原本獨(dú)立的模式會被混合成復(fù)雜的散斑圖樣（speckle patterns）。這種混合效應(yīng)會大幅增加接收端進(jìn)行信號恢復(fù)與模式解復(fù)用的難度。盡管傳統(tǒng)的數(shù)字信號處理（DSP）算法在理論上能夠完成模式分離，但其計(jì)算復(fù)雜度會隨著模式數(shù)量的增加而迅速上升，使得在高容量多模光纖網(wǎng)絡(luò)中幾乎難以實(shí)際部署。
來自德國德累斯頓工業(yè)大學(xué)（Technical University of Dresden）測量與傳感系統(tǒng)技術(shù)研究組（MST）的 Jürgen Czarske 教授團(tuán)隊(duì)提出了一種新的解決思路：基于 FPGA 加速的深度學(xué)習(xí)模式分解引擎。該系統(tǒng)通過專門設(shè)計(jì)的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN），在大量合成數(shù)據(jù)集上進(jìn)行訓(xùn)練，使模型能夠僅根據(jù)一張強(qiáng)度圖像直接推斷各個(gè)空間模式的振幅及相對相位，從而無需傳統(tǒng)的相干探測過程。
實(shí)驗(yàn)裝置示意圖：空間光調(diào)制器（SLM）生成定制的模式疊加光場；多模光纖（MMF）在傳播過程中對光場進(jìn)行隨機(jī)混合；相機(jī)用于捕獲從多模光纖輸出端產(chǎn)生的散斑圖樣。這些圖像數(shù)據(jù)被實(shí)時(shí)傳輸?shù)桨遢d FPGA，由其運(yùn)行量化卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN），實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)模式分解。（圖片來源：Qian Zhang、Yuedi Zhang 等）
為了滿足實(shí)時(shí)應(yīng)用需求，研究團(tuán)隊(duì)將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了量化處理（network quantization），并部署到低功耗 FPGA 平臺上。這樣不僅顯著降低了推理延遲，還大幅減少了能耗。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該系統(tǒng)能夠在僅 2.4 W 功耗下實(shí)現(xiàn)超過 100 幀/秒的實(shí)時(shí)處理速度，相比之下，基于 GPU 的方案通常需要數(shù)十瓦功耗。
為了驗(yàn)證這一方案，研究人員搭建了一套完整的實(shí)驗(yàn)平臺，其中包括：
空間光調(diào)制器（SLM）：生成可控的模式疊加光場
高精度六軸光纖耦合平臺：實(shí)現(xiàn)精確耦合
多模光纖（MMF）：用于傳播并產(chǎn)生模式混合
高靈敏度紅外相機(jī)：采集多模光纖輸出端的散斑圖樣
相機(jī)采集到的散斑圖像被實(shí)時(shí)傳輸至 FPGA，由其運(yùn)行量化 CNN 進(jìn)行實(shí)時(shí)模式分解。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠穩(wěn)定地恢復(fù)最多六個(gè)空間模式的復(fù)數(shù)光場信息，重建精度超過 97%。這一能力為多種應(yīng)用場景打開了可能，包括：
閉環(huán)自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)
超高密度空間分復(fù)用光通信鏈路
低延遲光纖傳感系統(tǒng)解調(diào)
該研究的一個(gè)關(guān)鍵創(chuàng)新點(diǎn)在于解決相位不確定性問題。傳統(tǒng)基于強(qiáng)度圖像的訓(xùn)練數(shù)據(jù)通常會受到全局相位模糊（global phase ambiguity）的影響。研究團(tuán)隊(duì)通過利用高階模式之間的相對相位信息，成功消除了這種歧義，使得網(wǎng)絡(luò)輸出具有唯一且物理上可解釋的解，即使整體相位發(fā)生漂移也不會影響結(jié)果。
由于 FPGA 具備可重構(gòu)性、體積緊湊以及低功耗特性，該平臺可以直接集成到工業(yè)設(shè)備或醫(yī)療設(shè)備中，在空間、功耗和散熱預(yù)算嚴(yán)格受限的環(huán)境下依然能夠穩(wěn)定運(yùn)行。
這項(xiàng)技術(shù)不僅有望推動高容量光通信系統(tǒng)的發(fā)展，同時(shí)也將在多個(gè)領(lǐng)域產(chǎn)生即時(shí)影響，例如：
實(shí)時(shí)內(nèi)窺鏡成像
抗振動光纖傳感系統(tǒng)
需要快速且高能效相位恢復(fù)的各類光學(xué)應(yīng)用
總體而言，這種 “FPGA + 深度學(xué)習(xí)”的模式分解架構(gòu)為多模光纖系統(tǒng)的實(shí)時(shí)信號恢復(fù)提供了一條高效路徑，也為下一代高帶寬通信網(wǎng)絡(luò)打開了新的技術(shù)空間。
本文編譯自：Techbriefs
