利用電子編碼和衍射解碼通過(guò)隨機(jī)未知擴(kuò)散體進(jìn)行光信息傳輸

在自由空間中傳輸大帶寬、高容量傳輸?shù)墓庑畔⒃谶b感、水下通信和醫(yī)療設(shè)備等各種應(yīng)用中得到了廣泛關(guān)注。然而，光路中不可預(yù)測(cè)的、未知的相位擾動(dòng)或隨機(jī)擴(kuò)散體帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)，限制了自由空間中光學(xué)數(shù)據(jù)的高保真?zhèn)鬏?。自適應(yīng)光學(xué)提出了一種潛在的解決方案，可以動(dòng)態(tài)地校正隨機(jī)失真，但采用的空間光調(diào)制器和迭代反饋算法不可避免地增加了成本和復(fù)雜性。

加州大學(xué)洛杉磯分校(UCLA)電氣與計(jì)算機(jī)工程系A(chǔ)ydogan Ozcan教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)，最近在《先進(jìn)光子學(xué)》上發(fā)表了一項(xiàng)新解決方案。這種新方法使用電子編碼和衍射光學(xué)解碼，通過(guò)隨機(jī)未知擴(kuò)散體高保真地傳輸光學(xué)信息。文章標(biāo)題為“使用電子編碼和衍射解碼通過(guò)隨機(jī)未知擴(kuò)散體傳輸光學(xué)信息”。

該混合模型通過(guò)監(jiān)督學(xué)習(xí)進(jìn)行訓(xùn)練，將基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CNN)的電子編碼器與物理制備的協(xié)同優(yōu)化的透射無(wú)源衍射層結(jié)合起來(lái)。經(jīng)過(guò)一次聯(lián)合訓(xùn)練過(guò)程后，所得到的混合模型即使在未知相位擴(kuò)散器的情況下也能準(zhǔn)確地傳輸感興趣的光學(xué)信息，成功地概括了通過(guò)看不見(jiàn)的隨機(jī)擴(kuò)散器傳遞信息。

這種新方法顯著優(yōu)于僅利用衍射光學(xué)網(wǎng)絡(luò)或電子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過(guò)擴(kuò)散隨機(jī)介質(zhì)進(jìn)行光學(xué)信息傳輸?shù)南到y(tǒng)，突顯了電子編碼器和衍射解碼器共同工作的重要性。

利用在電磁頻譜的太赫茲部分運(yùn)行的3D打印衍射網(wǎng)絡(luò)，驗(yàn)證了該混合電子光學(xué)模型的概念實(shí)驗(yàn)證明和可行性。混合模型的光解碼器可以在物理上縮放——擴(kuò)展或收縮——以跨電磁頻譜的不同部分運(yùn)行，無(wú)需重新訓(xùn)練其衍射特征。

加州大學(xué)洛杉磯分校的研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，這種框架將為各種應(yīng)用提供低功率和緊湊的替代方案，例如植入式系統(tǒng)中生物醫(yī)學(xué)傳感和成像數(shù)據(jù)的傳輸、水下光學(xué)通信，以及通過(guò)湍流大氣條件的數(shù)據(jù)傳輸。

審核編輯 黃宇