DE-102024132327-A1 - Optische-Ausbreitungsmoden- bzw. Multimode-Faser-Demultiplexer, Kommunikationssystem, Verfahren zum Trainieren eines simulierten optischen diffraktiven Neuronalen Netzwerks und Verfahren zum Trainieren eines simulierten physikinformierten Neuronalen Netzwerks

Abstract

Ein Optische-Ausbreitungsmoden- bzw. Multimode-Faser-Demultiplexer kann aufweisen ein optisches diffraktives Neuronales Netzwerk, ODNN, das eingerichtet ist, ein optisches Signal, das mehrere optische Ausbreitungsmoden aufweist, zu empfangen; aus dem optischen Signal mehrere optische Teilsignale zu ermitteln, wobei jedes optische Teilsignal eine optische Ausbreitungsmode repräsentiert; und die optischen Teilsignale voneinander getrennt auszugeben.

Inventors

• Jürgen Czarske
• Qian Zhang

Assignees

• Technische Universität Dresden, Körperschaft des öffentlichen Rechts

Dates

Publication Date

20260507

Application Date

20241106

Claims (20)

1. Optische-Ausbreitungsmoden- bzw. Multimode-Faser-Demultiplexer, aufweisend: ein optisches diffraktives Neuronales Netzwerk, ODNN, das eingerichtet ist, • ein optisches Signal, das mehrere optische Ausbreitungsmoden aufweist, zu empfangen; • aus dem optischen Signal mehrere optische Teilsignale zu ermitteln, wobei jedes optische Teilsignal eine optische Ausbreitungsmode repräsentiert; und • die optischen Teilsignale voneinander getrennt auszugeben.
2. Optische-Ausbreitungsmoden- bzw. Multimode-Faser-Demultiplexer gemäß Anspruch 1 , wobei das ODNN mehrere im optischen Ausbreitungspfad des optischen Signals hintereinander angeordnete diffraktive optische Elemente.
3. Optische-Ausbreitungsmoden- bzw. Multimode-Faser-Demultiplexer gemäß Anspruch 1 oder 2 , wobei die diffraktiven optischen Elemente gedruckt sind.
4. Optische-Ausbreitungsmoden- bzw. Multimode-Faser-Demultiplexer gemäß Anspruch 1 oder 2 , wobei das ODNN einen räumlichen Lichtmodulator oder mehrere räumliche Lichtmodulatoren aufweist.
5. Optische-Ausbreitungsmoden- bzw. Multimode-Faser-Demultiplexer gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 , wobei das ODNN eingerichtet ist, eine in dem optischen Signal vorhandene Modenstreuung der optischen Ausbreitungsmoden wie beispielsweise in einer Multimode-Faser oder einem Interposer zu kompensieren.
6. Optische-Ausbreitungsmoden- bzw. Multimode-Faser-Demultiplexer, aufweisend: ein physikinformiertes Neuronales Netzwerk, PINN, das eingerichtet ist, • ein optisches Signal, das mehrere optische Ausbreitungsmoden aufweist, zu empfangen; • das optische Signal in mehrere optische Teilsignale unter Nutzung eines programmierbaren diffraktiven Elements wie beispielsweise einem Spatial Light Modulator (SLM) aufzuspalten, wobei jedes optische Teilsignal eine optische Ausbreitungsmode repräsentiert; und • die optischen Teilsignale auszugeben.
7. Optische-Ausbreitungsmoden- bzw. Multimode-Faser-Demultiplexer gemäß Anspruch 6 , ferner aufweisend: einen Prozessor wie beispielsweise eine Grafik-Verarbeitungseinheit (GPU), der eingerichtet ist, das PINN zu implementieren.
8. Optische-Ausbreitungsmoden- bzw. Multimode-Faser-Demultiplexer gemäß Anspruch 6 oder 7 , wobei das PINN eingerichtet ist, eine in dem optischen Signal vorhandene Modenstreuung der optischen Ausbreitungsmoden zu kompensieren.
9. Optische-Ausbreitungsmoden- bzw. Multimode-Faser-Demultiplexer gemäß Anspruch 8 , wobei das PINN eingerichtet ist, die in dem optischen Signal vorhandene Modenstreuung der optischen Ausbreitungsmoden mittels einer Kombination unterschiedlicher Wellenlängen mit einem Raummultiplexverfahren zu kompensieren.
10. Kommunikationssystem, aufweisend: • einen Optische-Ausbreitungsmoden- bzw. Multimode-Faser-Demultiplexer gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 ; • eine oder mehrere Lichtleitfasern oder einen oder mehrere Wellenleiter, welche ausgangsseitig mit einem Eingang des Optische-Ausbreitungsmoden-Demultiplexers gekoppelt ist.
11. Kommunikationssystem gemäß Anspruch 10 , ferner aufweisend: einen Optische-Ausbreitungsmoden-Multiplexer eingerichtet zum Einkoppeln von mehreren Einzel-Mode-Lichtleitfasern in eine Multimode-Lichtleitfaser; optional wobei die eine oder mehreren Lichtleitfasern eine oder mehrere Multimode-Lichtleitfasern aufweisen.
12. Kommunikationssystem gemäß einem der Ansprüche 10 oder 11 , eingerichtet zur Quantenkommunikation, beispielsweise QKD unter Nutzung von verschränkten Photonen.
13. Verfahren zum Trainieren eines simulierten optischen diffraktiven Neuronalen Netzwerks, ODNN, wobei das Verfahren von einem Prozessor ausgeführt wird, das Verfahren aufweisend: • Zuführen von Trainingssignalen, wobei jedes Trainingssignal ein optisches Signal aufweist, das mehrere optische Ausbreitungsmoden aufweist, sowie eine dem jeweiligen optischen Signal zugeordnete Information, welche die mehreren optischen Ausbreitungsmoden beschreiben, dem simulierten ODNN; • Anpassen der Transmissions- und Reflexionseigenschaften von Pixeln von diffraktiven optischen Elementen des simulierten ODNNs gemäß einer Verlustfunktion unter Verwendung der dem jeweiligen optischen Signal zugeordnete Information.
14. Verfahren gemäß Anspruch 13 , wobei das Anpassen der Transmissions- und Reflexionseigenschaften der Pixel gemäß einem Backpropagation-Verfahren erfolgt.
15. Verfahren gemäß Anspruch 13 oder 14 , wobei die optischen Signale entfaltete Lichtstrahlen aufweisen.
16. Verfahren zum Herstellen eines optischen diffraktiven Neuronalen Netzwerks, ODNN, das Verfahren aufweisend: • Trainieren eines simulierten optischen diffraktiven Neuronalen Netzwerks, ODNN, gemäß einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 13 bis 15 , so dass ein trainiertes simuliertes ODNN erzeugt wird; und • Bilden des ODNN gemäß dem trainierten simulierten ODNN.
17. Verfahren gemäß Anspruch 16 , wobei das ODNN gebildet wird, indem diffraktive optische Elemente erzeugt werden gemäß dem trainierten simulierten ODNN.
18. Verfahren gemäß Anspruch 17 , wobei das ODNN gebildet wird, indem diffraktive optische Elemente gemäß dem trainierten simulierten ODNN gedruckt werden.
19. Verfahren zum Trainieren eines simulierten physikinformierten Neuronalen Netzwerks, PINN, wobei das Verfahren von einem Prozessor ausgeführt wird, das Verfahren aufweisend: • Zuführen von Trainingssignalen, wobei jedes Trainingssignal ein optisches Signal aufweist, das mehrere optische Ausbreitungsmoden aufweist, beschreibt sowie eine dem jeweiligen optischen Signal zugeordnete Information, welche die mehreren optischen Ausbreitungsmoden beschreiben, dem simulierten PINN; • Anpassen von Gewichten des simulierten PINNs gemäß einer Verlustfunktion unter Verwendung der dem jeweiligen optischen Signal zugeordnete Information sowie einer Funktionskomponente zur Einhaltung einer vordefinierten physikalischen Gleichung, beispielsweise einer Differential- oder Integralgleichung.
20. Verfahren gemäß Anspruch 19 , wobei das Anpassen der Gewichte gemäß einem Backpropagation-Verfahren erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Optische-Ausbreitungsmoden- bzw. Multimode-Faser-Demultiplexer, ein Kommunikationssystem, ein Verfahren zum Trainieren eines simulierten optischen diffraktiven Neuronalen Netzwerks und ein Verfahren zum Trainieren eines simulierten physikinformierten Neuronalen Netzwerks. Als wichtige Anwendung der Lasertechnologie hat die rasante Entwicklung der Glasfaserkommunikationstechnologie den exponentiell wachsenden Bedarf an Übertragungskapazität gedeckt. Durch neue technologische Entwicklungen wie Cloudbasierte Anwendungen, Mobile Computing, Edge Computing und das rasante Wachstum des Internets der Dinge ist die Zahl der drahtlosen und drahtgebundenen Vorrichtungen weiter explodiert. Um diesem Wachstum in Zukunft gerecht zu werden, wurden mehrere neue Technologien für die Glasfaserkommunikation untersucht. Raummultiplexen (Space Division Multiplexing (SDM)) bezieht sich auf Verfahren, die die Übertragung einzelner Datensignale über mehrere räumliche Pfade im freien Raum und über einzelne Lichtleitfasern ermöglichen. Die Forschung in diesem Bereich hat sich in den letzten Jahren intensiviert, da Einzel-Mode(Single-Mode)-Lichtleitfasersysteme (beispielsweise Glasfasersysteme), insbesondere mit Wellenlängenmultiplexing, immer häufiger an ihre Kapazitätsgrenzen stoßen. Neue Techniken wie künstliche Intelligenz und photonische Systeme haben sich rasch entwickelt und erlauben Paradigmenwechsel für eine sichere Kommunikation mit höherer Datenrate. Allerdings stehen SDM-Netzwerke aufgrund der komplexen Übertragungseigenschaften von Multimode-Lichtleitfasern (auch bezeichnet als Multimode-Fasern - MMFs) vor großen Herausforderungen (siehe auch eine in 1 dargestellte Multimode-Faser 100). 1 zeigt Streuungseffekte in der Multimode-Faser (MMF) 100. Ein in die MMF 100 eingegebener Gaußstrahl 102 (LP01-Mode 106 - dargestellt auch in einem ersten Amplitude-Phase-Modenindex-Diagramm 104, in dem Amplitude 108 und Phase 110 gegenüber dem Modenindex 112 aufgetragen sind) wird während der Ausbreitung durch die MMF 100 in mehrere Moden umgewandelt, was bei kohärentem Licht zu einem komplexen Speckle-Muster 114 als MMF-Ausgabe 116 führt. Das Speckle-Muster 114 erscheint wie Rauschen (siehe Amplitude-Phasen-Muster 118 in einem zweiten Amplitude-Phase-Modenindex-Diagramm 120, in dem Amplitude 122 und Phase 124 gegenüber dem Modenindex 126 aufgetragen sind), enthält aber tatsächlich Informationen und kann eingesetzt werden zur Sicherheit in der Informationsübertragung und zur parallelen Informationsübertragung in Richtung Raummultiplexen (Space Division Multiplexing (SDM)) und topologisches Routing. Die Modenstreuung wird durch Fertigungstoleranzen des Kerndurchmessers der MMF 100, die Brechungsindizes von Kern und Mantel der MMF 100 sowie Inhomogenitäten in der MMF 100 verursachen, die wiederum zu optischen Defekten führen. Hinzu kommen mechanische Spannungen, Verdrehungen und Biegungen der MMF 100 während der Installation sowie Umwelteinflüsse wie Temperaturdrift und Vibrationen, die zu Modenstreuung führen. Bei der Implementierung von räumlichem Multiplexing (SDM) für hochdimensionale Übertragungsstrecken ist MMF-Crosstalk sowohl eine Hürde als auch eine Chance. Herkömmlich ist eine parallele Informationsübertragung mit einer MMF mittels einer sogenannten photonischen Laterne vorgesehen, die MMF-Kanäle volloptisch adressieren und die modale Streuung mit digitalen Signalverarbeitungstechniken kompensieren. Mehrere Einzel-Mode-Faserkerne werden über Modenumwandlungen in die MMF eingekoppelt. Die Modenkopplung tritt zwar auf, kann aber mit Testsignalen erkannt und mit einem digitalen Entzerrer korrigiert werden, der Algorithmen zur Kompensation des modalen Übersprechens und der Gruppenlaufzeit verwendet. Die Implementierung effektiver digitaler Entzerrer-Algorithmen mit digitalen Signalprozessoren ist jedoch rechenintensiv und die Dispersionseffekte langer Fasern stellen eine Herausforderung dar. Aufgrund der nur teilweise skalierbaren Verhältnisse zwischen Kerndurchmesser und Außendurchmesser der Multimode-Lichtleitfasern im Herstellungsprozess ist die Implementierung hoher Kanalzahlen ebenfalls begrenzt. Grundlagen und Anwendungen über Optische Neuronale Netzwerke sind in Haijia Chen et al., Diffractive Deep Neural Networks: Theories, Optimization and Applications, Applied Physics Reviews, Juni 2024, beschrieben. Y. Dana et al., Free-standing microscale photonic lantern spatial mode (De-)multiplexer fabricated using 3D nanoprinting, Light: Science and Applications, Seiten 126 bis 142, 2024, beschreibt Raummultiplexen mittels Photonischer Laternen. Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert. Es zeigen1 eine Multimode-Lichtleitfaser;2 ein Kommunikationssystem gemäß verschiedenen Aspekten dieser Offenbarung;3 das Optische Diffraktive Neuronales Netzwerk aus 2 in größerem Detail;4 ein Verfahren zum Trainieren eines simulierten Optischen Diffraktive