6G超大容量光通信网络：即时、高效和智能的超连接来重塑世界

6G移动通信网络将通信的领域边界从物理世界进一步拓展至数字世界，通过在物理世界和数字世界之间提供即时、高效和智能的超连接来重塑世界，这一趋势将开启移动通信的新篇章。6G网络超大规模的全局性连接将给网络的运营和管理带来巨大挑战，亟待革命性的理论和技术创新。

人类社会正在经历第四次工业革命，其推动力主要源于万物数字化、信息通信技术(ICT)以及人工智能(AI)技术等的融合创新。其中，信息通信技术在人类社会迈向数字智能新阶段的演进中发挥着至关重要的作用。第五代(the fifth generation, 5G)移动通信网络通过有机融合泛在的通信、计算和控制(ubiquitous communication, computing, and control, UC3)能力，为人、机、物的互联开辟了全新范式。 第六代(the sixth generation, 6G)移动通信网络将通信的领域边界从物理世界进一步拓展至数字世界，通过在物理世界和数字世界之间提供即时、高效和智能的超连接来重塑世界，这一趋势将开启移动通信的新篇章。

基于上述讨论，为了迈向“智慧演化和原生简约”的“智简”网络(wisdom-evolutionary and primitive-concise Network, WePCN)，我们引入了一个智能高效的语义通信(IE-SC)网络架构以提高网络的智能水平，使网络变得更加高效和简约。传统的网络设计理念主要是通过资源堆叠来提升网络能力，如更多的频谱资源及计算资源、更密集的接入点和更大规模的天线等。这种堆叠式网络性能提升的代价是网络复杂度的极速提高。与传统设计理念不同，我们期望通过源于网络原生智慧累积的简约通信来提升网络能力。具体而言， IE-SC架构的核心是SI平面，它实现了语义环境表征、背景知识管理、语义推理和决策等。此外，我们设计了三个语义赋能的全新抽象协议层——语义赋能的物理承载(semantic-empowered physical-bearing, S-PB)层、语义赋能的网络协议(semantic-empowered network protocol, S-NP)层和语义赋能的应用意图(semantic-empowered application-intent, S-AI)层，它们能够重塑现有的网络协议层。SI平面通过语义信息流(semantic information flow , S-IF)协调这三个语义协议层，其中S-IF承载着应用意图和语义信息在全网流转。

在收到S-IF后，S-NP层可以编排与意图相关的语义，产生灵活而简约的协议。S-PB层采用合适的语义-语法联合编码策略来承接S-NP层，提高物理资源利用率及意图达成效率。通过IE-SC架构，Ubiquitous-X 6G网络所面临的高复杂度问题有望得到解决。不仅如此，IE-SC架构还有望全面提升网络能力以实现WePCN愿景——构建有序、高效、智能的Ubiquitous-X网络以支持未来应用和服务。

“该成果在自由光通信领域具有重要的发展前景，对于下一代 6G 通信的超大容量光通信网络具有应用潜力。未来还可用于星间、星地通信链路。审稿人评价称，‘该研究非常有趣，对于新型光场作为高维信息载体的应用来说堪称奠基性的工作，将对光通信领域带来巨大的效益。’”清华大学精仪系激光与光子技术研究所副教授付星表示。

近日，他所在的先进激光技术团队，对下一代大容量密集编码自由光通信应用开展了前沿探索，采用共轭调制方法巧妙实现了信息解复用。相关实验很好地支撑了理论假设，结果表明新型光束在信道容量、误码率方面都显著优于传统涡旋光，从而发挥出轨道角动量(OAM，Orbital Angular Momentum)光束高维通信的优势。

日前，相关论文以《面向未来超大容量、低误码率光通信的发散简并空间复用技术》(Divergence-degenerate spatial multiplexing towards future ultrahigh capacity, low error-rate optical communications)为题，发表在Light: Science & Applications上。付星、团队负责人清华大学精仪系系主任柳强担任共同通讯作者，万震松担任第一作者。

论文一经发表，受到了广泛关注，被 1965 年创刊的国际激光行业著名杂志 Laser Focus World 专题报道。

据介绍，光通信领域的容量提升依赖于对光的多个自由度的开发和利用。近年来，光的强度、频率、偏振、相位等多个物理维度的开发已接近极限。为应对“容量危机”的挑战，具有新型空间自由度的结构光束也加入了“战团”，尤其是带有 OAM 的涡旋光。

相比于成熟的偏振复用只有两个维度的特点，理论上基于 OAM 的模分复用通信有无穷多个维度可以利用。然而现实很骨感，发散角随着模式通道增多而迅速变大。每增加一个模式通道，接收端的口径就会变大一圈。模式一多，口径就由碗口大小增至磨盘大小。

“灵魂三问”：如何产生?如何识别?如何应用?

这项研究的核心是一类新型结构光“几何模”，它具有“波迹二象性”。如图 1 所示：除了普通光束所具有的波动性，例如干涉、衍射等行为之外，还具有令人惊叹的几何轨迹性，即波包截面及其传输轨迹，与经典几何射线簇相互耦合，因而被称为几何模。

它的物理本质是量子相干态的经典对应，在数学上被表征为：频率简并的本征模式的线性组合。付星说：“我们被几何模深深吸引，对它发出了‘灵魂三问’：如何产生?如何识别?如何应用?”

要知道，此前产生几何模的方法完全依赖激光谐振腔，需要严格、精细地调节腔长、腔镜曲率、泵浦离轴量等腔参数，以满足频率简并态的苛刻条件。不仅操作非常复杂，而且各模式之间无法灵活切换。

再加上受到激光腔的物理限制，几何模的相当一部分参数无法覆盖到。这一技术桎梏严重制约了几何模的发展，也让几何模的识别和应用基本处于研究空白。对此，该团队另辟蹊径，探索出了一条数字化调控几何模的全新技术路线，做出了系列化的特色工作。

对于第一个难题也就是几何模的产生，课题组在 2020 年提出了基于广义三维波包轨迹耦合模型的数字化产生和调控方法，目前已获得国家发明专利授权，该方法可为每个几何模“量身打造”全息图。

当一束普通激光也就是基模高斯光束，照射到对应的全息图，即可转换为所需要的任意几何模式。而通过调制器高速刷新全息图，则能实现大容量信息编码。

该方法迈出了关键的一步，绕过了传统谐振腔技术难以逾越的障碍，充分展现了按需定制、全域调谐、结构简单、灵活便捷的优势，让此次论文提出的“几何模作为高维光通信载体”的构想，从技术上的不可能成为可能。

第二个难题即几何模的识别，正是发起本论文研究的最初目标。此前的识别方法，主要针对具有单一或简单相位奇点分布的结构光束，不适用于具有复杂相位的几何模。

“如图 2 所示，我们逆向思考，将上述数字化产生几何模的过程反转，即共轭调制，这意味着几何模只有经过那张‘特制’的全息图，才能聚焦成一个实心圆点也就是基模光束，从而成功实现了对各种几何模的识别。”第一作者万震松博士表示。

德国一所大学和美国一所大学的科学家们成功通过多太赫兹脉冲技术表征拓扑超导体的新方法，这开辟了一条明确识别预测的奇异物质状态的途径，未来，这项技术可以帮助制造携带或者处理量子信息的设备和新型材料。

世界各地的科学家正在努力构建基于固态物质的可扩展量子计算机，拓扑超导体就是这样一类材料。它们被认为是一种特殊的集体量子态，即在边界处以Majoranas形式存在的非阿贝尔任意子。通过在量子线网络中搅乱这些准粒子，科学家们可以构建逻辑量子门，量子计算机的构建块

在本次研究的论文中，科学家们讨论的不是设备边界处的Majoranas，由于体边界对应，Majoranas与超导体体带结构的拓扑结构密切相关，在某种意义上材料中的粒子激发效应在边界处经历了扭曲。这种强相互作用可以通过二维太赫兹光谱来研究，这是一种广泛用于分子和体物质的技术。

“与线性吸收光谱不同，非线性多脉冲实验使我们能够研究激发粒子的光学响应，从而有助于清楚地揭示这种扭曲，并在二维光谱中具有奇异拓扑状态的独特特征。”德国的科学家说道。“我们的研究在检测Majoranas最基本但尚未完全表征的特性和以Majorana态编织形式用非阿贝尔任意子演示逻辑门操作之间迈出了重要一步。这种光学技术产生了超越成像的光谱信息，并允许对拓扑材料进行毫无疑问的表征。因此，它们会为其在量子技术中的应用中搭建一座坚实的桥梁。”美国的科学家说道。