南京大学APP-former：硅光相控阵实时、按需形成任意波束赋能无线光通信

近日，南京大学江伟教授课题组在集成光学相控阵领域取得重要进展：提出一种无需迭代测量的精确任意波束模式发生器(APP-former)，使得集成光学相控阵成功实现实时、按需形成任意波束，为无线光通信等领域的应用提供了高效、低成本的解决方案。

集成光学相控阵(OPA)凭借其无需机械部件的精确和敏捷波束转向能力，在激光雷达、光学无线通信和生物传感等领域展现出巨大潜力。然而，现有光学相控阵波束形成方法通常需要反复进行远场测量来调整移相器，或依赖昂贵的计算资源处理阵元相位的非线性依赖关系，效率低下且成本高昂，难以生成大量、多样化的波束模式。例如三波束模式的集合，每个角度参数有超过100个可能值，集合中包含上百万个(100³)光束状态，将需要数百万次实验测量迭代，这在实际应用中极其低效。

针对上述挑战，南京大学研究团队创新性地提出了一种名为”精确任意波束模式生成器”(Arbitrary Precise Pattern former, APP-former)的通用复杂波束形成方法，无需迭代测量即可实现集成光学相控阵的任意波束模式生成。该方法通过引入辅助变量处理复杂的相位依赖关系，同时确保相位变量的有意义特性。通过引入Bregman散度进行线性化，使每个计算步骤获得闭式解，避免了嵌套双层迭代，显著提高了收敛性和收敛速度。

图1. 基于OPA的APP生成器：(a) 波束模式生过程的示意图；(b) 用于远场生成的OPA模型。φ₀是初始相位分布，Δφ是移相器的可调相位。

研究团队在硅基集成光学相控阵（简称硅光相控阵）中通过实验验证了四种代表性波束模式：单波束附带定向零点抑制、双波束、三波束和平顶波束，在变换波束模式时，无需重新迭代相位和测量，使用普通个人计算机上控制生成一个32通道光学相控阵特定远场模式的时间仅需1.2ms（速度比PSO等传统方法可提升约千倍）。在定向零点抑制实验中，被抑制区域（如角度区间[4°~6°]）内的光功率可按需降低至不同水平，-20°方向的主光束基本不受影响，实现精确的零点抑制。

图2. 实验得到APP生成器产生的不同类型远场模式：（a）常规单光束（无限制）和具有定向零点抑制区域的单光束，抑制强度从-3dB到-15dB（+4°到+6°，标记在浅灰色阴影区域）。在区域内，光强度明显受到抑制；（b）主波束指向−8.5°和+30°的双光束；（c）主波束指向−22°、+0.5°和+32°的三光束；（d）-8°到+8°的平顶光束；（e）定向零点抑制区域的光强度[从（a）中的浅灰色阴影框放大]。

无线光通信存在信息泄漏的风险。在多用户无线光通信网络中，该技术展示了灵活可控的定向光功率抑制功能，可在保持用户1通信时按需抑制其他用户的信号强度[图3(b)]，有助于保护用户1的隐私，可实现面向隐私需求的无线光通信。

图3. 普通/隐私保护下的无线光通信：(a) 多用户无线光通信实验设置与12Gbps接收眼图；(b) 基于双波束用于隐私通信的定向抑制。右用户接收光强为0dB（b1 双波束）、−10dB（b2 单波束）、−25dB（b3 单波束附带定向抑制），对应右用户眼图为完全张开（误码率<10⁻¹²），部分压缩（误码率≈10^-2），以及完全闭合（误码率太高，无法测量）。

需要说明的是，APP-former实现这些复杂光束，无需调节单个阵元的光强，只需调控相位，因此可在高性能应用中大幅度减小片上调控单元的数量，降低成本与功耗。此外，APP-former还可通过其他维度优化相位调控，进一步降低移相器阵列的功耗。

本研究提出的APP-former方法为集成光学相控阵的按需波束形成提供了高效、低成本的解决方案，具有广泛的应用前景。该方法不仅解决了传统方法中迭代测量的低效问题，还展示了在多用户无线光通信网络中实现隐私保护通信的潜力，以及在移相器阵列功率优化方面的应用价值。

相关研究成果以”Arbitrary Precise Pattern Former Using Integrated Optical Phased Arrays for On-Demand Beam Forming”为题近期正式发表于Laser & Photonics Reviews期刊(https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/lpor.202500914)。南京大学现代工程与应用科学学院博士研究生杨石冲为文章的第一作者，冯柏赫同学、吴桂瀚同学、于福浩同学、沙金老师等也作出了贡献，江伟教授为论文的通讯作者。

该研究工作得到了国家自然科学基金和教育部工程研究中心的资助。

论文连接

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/lpor.202500914