模分复用技术的开发与应用是近年来光信息领域的研究热点之一，对于推动以光通信和光计算为核心的全光网络发展意义重大。本书详细阐述了以涡旋光束为代表的空间结构光束在模分复用光通信与光计算领域中从基础理论、物理建模到系统应用的完整知识体系，并系统梳理了该类光束在模式复用传输、高速光互连及智能光计算等方面的前沿进展，为相关技术从理论走向实践提供了依据。
　　本书适合高等院校光学、通信工程、物理学及相关交叉学科的高年级本科生、研究生阅读，也可作为科研院所相关领域科研与技术人员的参考用书。本书力求为读者搭建系统化知识框架，助力读者在相关领域的科研探索与工程实践中实现创新突破。

本书遵循教育部教指委相关指导文件和高等院校学生学习规律编写而成。践行四新理念，融入思政元素，注重理论与实践相结合。

前言
　　PREFACE前言
　　模分复用技术的开发及应用是国内外信息科学领域的研究热点之一。近年来，随着大数据、云计算、人工智能、无人驾驶等新兴技术的快速发展，以光通信和光计算作为运力基石的全光网络，凭借其大带宽、高并行度和低时延等优势，已经成为下一代信息技术的重要发展方向。然而，随着频谱资源的消耗，通信容量的提升正面临着严峻考验；同时，依赖电光调制的信息处理技术难以实现信号的全光透明处理，极大地制约了系统的响应速度，并造成了严重的能量损耗。以涡旋光束为代表的结构光束，凭借其空间模式的完备正交和高维线性表达特性，不仅能够通过模式复用来大幅度提升通信容量密度，还能够利用无源光器件来突破传统电光转换中的电子瓶颈，进而实现信号的全光透明处理，为促进全光信息处理以及高速全光通信网络的发展提供了有效的解决方案。
　　目前，学术界和工业界都对结构光模分复用光通信和光计算展开了广泛的研究。在学术界，新加坡国立大学的仇成伟教授团队、哈佛大学的Cappaso教授团队、中山大学的余思远教授团队、华中科技大学的王健教授团队和北京理工大学的高春清教授团队等均在相关领域取得了重要的研究进展。在工业界，华为、亨通光电、长飞光纤光缆等通信领域头部企业也纷纷肯定了模分复用技术的巨大应用潜力，并大力支持和推动模分复用光通信的实际落地。历经三十余年的探索与开发，结构光模分复用技术已经发展成为光通信和光计算等领域的重要研究板块，也被普遍认为是下一代智能信息处理的潜在核心技术。本书全面综合了国内外学者在结构光模分复用方面取得的研究进展和学术成果，系统地阐述了结构光模分复用的相关理论基础与技术原理，并前瞻性地探讨了其在光通信和光计算等领域的先进应用潜能。
　　本书共7章。第1章主要介绍了模分复用光通信的基本概念、模分复用光计算的基本概念、经典结构光束、结构光束的产生方法和光场传输理论；第2章重点介绍了模式的调制与解调，包括直接调制、相干调制、干涉解调、衍射解调、神经网络解调等的原理与方法，并阐述了其在模式键控通信中的应用；第3章系统介绍了模式的复用与解复用，包括分束器组合法、光栅多级衍射、复合螺旋透镜、几何坐标变换、多平面光转换、衍射神经网络等相关方法的原理基础；第4章引入了超构表面器件作为光场调控手段，从超构表面基本理论出发，介绍了基于超构表面的光场多物理维度调控原理，并阐述了多种基于超构表面的模分复用通信系统，包括模式复用通信、模式互连通信等；第5章围绕片上模分复用通信系统，介绍了片上模分复用机理、基础片上光波导器件和关键性的片上模分复用器件，并阐述了其在片上模式复用通信、片上模式互连通信和片上多维复用通信中的应用；第6章主要针对结构光束在空间传输过程中受大气湍流等环境因素引起的严重模式畸变和信道损伤等问题，从大气湍流的基本理论出发，分析了大气湍流对结构光模式信道的扰动机制，系统介绍了多种模式信道补偿方案，包括基于LDPC编码的模式信道补偿、基于分集技术的模式信道补偿、基于卷积神经网络的模式信道补偿和基于自适应光学的补偿技术；第7章主要介绍了几种以结构光模式为运算载体的模式全光计算技术，包括模式逻辑运算、模式乘法与除法运算和其他模式光计算等。
　　本书以清晰的结构和内容安排，从结构光模分复用技术的基本概念出发，逐步深入探讨了多种模分复用光通信与光计算的先进方法，构建了一个系统化的知识体系，为读者提供了一条清晰的学习路径。此外，本书涵盖了相关领域的先进研究成果，确保了内容的时效性和前瞻性，使读者能够紧跟研究动态和技术发展。在内容呈现上，本书注重理论与实际相结合，避免了抽象的纯数学推导，而是通过实际物理模型来阐释数学公式的物理意义。书中还融入了相关仿真和实验数据，并进行了经典案例分析，旨在帮助读者更深入地理解并应用所学知识。
　　本书的部分内容借鉴了近年来国内外学者在模分复用技术方面的研究成果，在此向长期致力于该领域的科研工作者表示感谢。同时，感谢本课题组的博士研究生和硕士研究生在素材整理和内容校对等方面的付出。
　　限于作者水平，书中难免有错误和不足之处，敬请广大读者批评指正。
　　编者

陈书青，毕业于湖南大学，现为深圳大学副教授/博导。主要从事结构光模分复用光通信与光计算、微纳光子信息处理器件、智能信息处理技术等方面研究。在Light Sci. Appl.，Photon. Res.，ACS Photon.，J. Lightwave Technol.，Opt. Lett.等国际期刊发表SCI论文70余篇；申请国家发明专利30余项；担任自然出版集团旗下Sci. Rep.期刊编委，并作为客座主编在SCI期刊组织学术专题；作为负责人主持国家科技重大专项-基础研究等科研项目10余项。主要担任《通信原理》《大学物理实验》等课程的教学；培养/协助培养硕士、博士研究生10余名，其中多人次获得“优秀研究生奖”、“研究生国家奖学金”、“优博资助”以及“国际交流奖学金”等荣誉。

CONTENTS目录
前言
第1章绪论
1.1模分复用光通信基本概念
1.1.1光通信的发展与现状
1.1.2结构光模式
1.1.3模分复用光通信
1.2模分复用光计算基本概念
1.2.1光计算的发展与现状
1.2.2模拟光计算与数字光计算
1.2.3模式逻辑运算基础
1.3经典结构光束
1.3.1拉盖尔-高斯光束
1.3.2贝塞尔-高斯光束
1.3.3完美涡旋光束
1.3.4柱矢量光束
1.3.5线偏振光纤模式
1.4结构光束的产生方法
1.4.1涡旋光束的产生方法
1.4.2柱矢量光束的产生方法
1.4.3线偏振光纤模式的产生方法
1.5光场传输理论
1.5.1标量衍射方法
1.5.2矩阵光学
1.5.3柯林斯公式
1.5.4傅里叶光学
课后习题
参考文献
第2章模式的调制与解调
2.1引言
2.2直接调制
2.2.1单模态映射
2.2.2镜像模态映射
2.2.3多维调制
2.3相干调制
2.3.1多模态相干叠加
2.3.2相位差编码调制
2.4干涉解调
2.4.1平面波干涉
2.4.2球面波干涉
2.4.3多路径干涉
2.5衍射解调
2.5.1透镜衍射
2.5.2光栅衍射
2.5.3特殊孔径衍射
2.6神经网络解调
2.6.1神经网络基本原理
2.6.2全连接神经网络
2.6.3卷积神经网络
2.6.4光学神经网络
2.7模式键控通信
课后习题
参考文献
第3章模式的复用与解复用
3.1引言
3.2分束器组合法
3.3光栅多级衍射
3.3.1复合叉形光栅
3.3.2达曼涡旋光栅
3.4复合螺旋透镜
3.5几何坐标变换
3.5.1几何坐标变换的基本理论
3.5.2对数极坐标变换
3.5.3光束复制
3.5.4螺旋变换
3.6多平面光转换
3.6.1多平面光转换的基本理论
3.6.2基于多平面光转换的模式复用与解复用
3.7衍射神经网络
3.7.1衍射神经网络的基本理论
3.7.2基于衍射神经网络的模式复用与解复用
课后习题
参考文献
第4章基于超构表面的模分复用通信系统
4.1引言
4.2超构表面基本理论
4.2.1广义斯涅尔定律
4.2.2传输相位调控机理
4.2.3几何相位调控机理
4.2.4复合相位调控机理
4.2.5超构表面的电磁仿真原理
4.3模式复用通信
4.3.1宽带无偏模式复用器件
4.3.2模式-偏振联合复用器件
4.3.3模式-波长联合复用器件
4.3.4模式复用通信系统
4.4模式互连通信
4.4.1模式双工通信器件
4.4.2模式交叉连接器件
4.4.3模式光路由器件
4.4.4模式互连通信系统
课后习题
参考文献
第5章片上模分复用通信系统
5.1引言
5.2片上模分复用机理
5.2.1光波导器件的基本原理
5.2.2平板波导模式理论
5.2.3传输矩阵法
5.2.4耦合模方程
5.2.5时域有限差分法
5.3基础片上光波导器件
5.3.1光耦合器
5.3.2硅基光波导
5.3.3偏振分束器
5.3.4定向耦合器
5.3.5阵列波导光栅
5.3.6微环谐振器
5.3.7光子晶体波导
5.4片上模分复用器件
5.4.1片上模式复用与解复用器件
5.4.2片上模式互连器件
5.4.3片上多维复用与解复用器件
5.5片上模分复用通信
5.5.1片上模式复用通信
5.5.2片上模式互连通信
5.5.3片上多维复用通信
课后习题
参考文献
第6章模式信道补偿
6.1引言
6.2模式信道损伤
6.2.1湍流效应
6.2.2模间耦合
6.2.3模间色散
6.3基于LDPC编码的模式信道补偿
6.3.1LDPC编码原理
6.3.2LDPC编码对通信系统性能的提升
6.4基于分集技术的模式信道补偿
6.4.1分集技术的基本原理
6.4.2分集技术对通信系统性能的提升
6.5基于卷积神经网络的模式信道补偿
6.5.1卷积神经网络信息提取的基本原理
6.5.2卷积神经网络技术对通信系统性能的提升
6.6基于自适应光学的补偿技术
6.6.1夏克-哈特曼法
6.6.2GS相位恢复算法
6.6.3自适应光学补偿中的误差分析
课后习题
参考文献
第7章模式全光计算
7.1引言
7.2模式逻辑运算
7.2.1基础模式逻辑运算
7.2.2组合模式逻辑运算
7.3模式乘法与除法运算
7.3.1对数-极坐标变换
7.3.2圆扇形坐标变换
7.3.3螺旋变换
7.3.4多环变换
7.4其他模式光计算
7.4.1模式矩阵乘法运算
7.4.2模式卷积运算
7.4.3模式微分运算
课后习题
参考文献