前沿进展 | 基于可编程光处理器的湍流环境中光学混沌信号恢复研究

研究背景：

自由空间光通信（Free Space Optical, FSO）系统因其高带宽、窄光束发散角、低功耗和轻量化等优势，成为高速、低成本且无需许可的通信技术，尤其适用于视距传输。然而，FSO系统在大气湍流环境下会受到光束闪烁和强度衰减的影响，这可能导致信号失真，进而影响基于混沌的加密通信系统的同步性能。混沌通信技术利用混沌信号的非周期性和高初始条件敏感性，能够生成大量低互相关信号，从而增强通信的安全性。然而，大气湍流对混沌信号的影响尚未得到充分研究。该论文旨在研究湍流环境对混沌光学信号的影响，并提出一种基于可编程光处理器（Programmable Optical Processor, POP）的自适应多孔径接收器方案，以恢复湍流环境中退化的混沌信号，确保自由空间光链路中可靠、安全的通信。

研究内容：

研究人员构建了一个室内可控湍流环境的FSO链路，通过空间光调制器（Spatial Light Modulator, SLM）模拟大气湍流条件。实验中，使用外部光反馈（External Optical Feedback, EOF）技术生成混沌信号，并通过一个包含二维光学天线阵列和POP的硅光子平台接收信号。POP由可调谐的马赫-曾德尔干涉仪（Mach-Zehnder Interferometers, MZIs）组成，能够自适应地调整信号的幅度和相位，以补偿湍流引起的信号失真。

实验表明，湍流会显著降低混沌信号的复杂性，导致接收信号的混沌吸引子特征消失，相关积分无法量化，相关维度无法估计。

随着湍流强度的增加，混沌信号的时间序列和频谱特征均受到严重破坏。使用POP接收器后，接收信号的时间序列和混沌吸引子形状恢复到接近无湍流时的状态，相关积分和相关维度的估计值也与无湍流条件下的参考值非常接近（相关维度约为4.77到5.03）。此外，POP接收器在不同湍流强度下均能保持较高的交叉相关系数（接近无湍流时的参考值），并且标准差几乎为零，表明其对湍流的鲁棒性。

在不同湍流条件下，POP接收器的性能显著优于单孔径接收器。即使在湍流强度较高（结构参数Cn²高达10⁻⁹ m⁻²/³）的情况下，POP接收器仍能保持较高的交叉相关系数，而单孔径接收器的交叉相关系数则显著下降。此外，POP接收器在不同传播距离（最长可达1公里）下均能有效恢复混沌信号。

该研究为解决自由空间光通信中由于大气湍流导致的信号失真问题提供了一种有效的解决方案，为实现长距离、高可靠性的混沌加密通信奠定了基础。此外，该研究还展示了硅光子技术在复杂光信号处理中的潜力，为未来光通信系统的设计提供了新的思路。

图1：湍流对混沌加密系统的影响及POP接收器的原理示意图。

图2：无湍流条件下混沌信号的特性。

图3：湍流对高斯光束的影响。

图4：湍流对混沌信号的影响及POP恢复效果。

图5：POP恢复混沌信号的频域和相关性分析。

图6：不同湍流条件下系统性能的评估。

参考文献：

S. Zaminga, A. Martinez, H. Huang, D. Rontani, F. Morichetti, A. Melloni, and F. Grillot, "Optical chaotic signal recovery in turbulent environments using a programmable optical processor," Light Sci Appl 14(1), 131 (2025).