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Real-time inference of vortex beam modes in time-varying atmospheric turbulence via diffractive optical neural networks

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作者
Hang Su,Min Wang,Ke Cheng,Qinghan Zhang,Chaoxu Chen,Jianyang Shi,Baoli Li,Xinyuan Fang
出处
期刊:Journal of Optics [IOP Publishing]
卷期号:28 (3): 035702-035702
标识
DOI:10.1088/2040-8986/ae4e43
摘要

Abstract Orbital angular momentum (OAM) multiplexing offers potentially infinite information capacity in optical wireless communication, yet its performance is significantly degraded by time-varying atmospheric turbulence (AT), which induces inter-mode crosstalk. Conventional electronic-based mitigation strategies are inherently constrained by latency bottlenecks for real-time operation. Here, we propose a diffractive optical neural network tailored to the transmission properties of vortex beams under a time-varying AT propagation model, enabling real-time recognition of OAM modes. Experimentally, the network successfully identifies ten distinct OAM modes under time-varying AT conditions with 90.10% accuracy at a turbulence intensity of D / r 0 ≈ 0.83. Crucially, the phase-only trained network demonstrates strong generalization across varying turbulence intensities, sustaining accuracy above 80% for untrained turbulence intensities up to D / r 0 ≈ 1.11 without retraining. These results establish a light-speed intelligent optical system capable of tracking dynamically evolving AT, thereby overcoming the inherent latency-accuracy trade-off and enabling rapid, accurate, and energy-efficient all-optical demodulation of OAM modes in real-world fluctuating environments.
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