CN112099565A - 通用线性光计算模块及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供的一种通用线性光计算模块及其控制方法，模块，包括：第一波前相位调制装置、第二波前相位调制装置、小孔以及凸透镜；所述第一波前相位调制装置用于接收离散空间模式光组，并将所述离散空间模式光组分束为N个平行光束，得到乘运算离散光组；所述第二波前相位调制装置用于接收所述乘运算离散光组，并将所述离散光组中的N个平行光速进行合束，得到合束光；所述第二波前相位调制装置、所述小孔以及所述凸透镜依次距离1倍所述焦距设置；所述凸透镜用于将从所述小孔过来的合束光进行转换为平行光，能够在矩阵增大时满足更高鲁棒性，更低系统复杂度，以及更慢的损耗增长趋势。

Description

通用线性光计算模块及其控制方法

技术领域

本发明涉及光信号处理技术领域，尤其涉及一种通用线性光模块。

背景技术

光是承载信息的理想载体，全光信息处理具有高速、高带宽、低能耗等优势。通用光计算具有非常广阔的应用前景，也受到了工业界的广泛关注。通用光计算可以表示为以下数学形式|β>＝T|α>，即复矩阵与输入向量的乘法。作为通用光计算，要求复矩阵中任何一个矩阵元都是任意可调的，而非只能实现单一功能的专用计算。

目前的主流通用光计算方案可以追溯到1994年Reck等人提出的原理架构。Reck方案利用大量级联的定向耦合器和可调相位延时器，组合成大规模矩阵乘法模块。Reck方案及其变种也是目前大规模通用光计算模块的方案。

由于Reck结构需要级联定向耦合器和可调相位延时器，通常对于N×N规模的矩阵运算模块，需要N²个级联的可调基本单元，因此随着矩阵维度提升，矩阵的实施复杂度急剧上升。另外，实际应用中，相位延迟期误差(来源包括热串扰、工艺误差等)不可避免。由于Reck结构的级联特性，导致每一级的相位误差会不断积累，因此Reck结构具有低鲁棒性。

矩阵模块的插入损耗也是重要指标。由于实际应用中，定向耦合器和可调相位延迟器必然具有插入损耗，所以Reck结构整体插入损耗(dB)随矩阵规模呈O(N)增长，当矩阵维度上升时，损耗(dB)将随之线性上升。

因此，如何提供一种通用光计算方案，能够时满足更高鲁棒性，更低系统复杂度，以及更慢的损耗增长趋势，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明实施例提供一种通用线性光计算模块及其控制方法，能够时满足更高鲁棒性，更低系统复杂度，以及更慢的损耗增长趋势。

本发明实施例提供一种通用线性光模块，包括：第一波前相位调制装置、第二波前相位调制装置、小孔以及凸透镜；

所述第一波前相位调制装置与所述第二波前相位调制装置距离2倍焦距，所述焦距为所述凸透镜的焦距；

所述第一波前相位调制装置用于接收离散空间模式光组，并将所述离散空间模式光组分束为N个平行光束，得到乘运算离散光组，并将所述乘运算离散光组发射到所述第二波前相位调制装置；

所述第二波前相位调制装置用于接收所述乘运算离散光组，并将所述离散光组中的N个平行光速进行合束，得到合束光，并将所述合束光发射到所述小孔；

所述第二波前相位调制装置、所述小孔以及所述凸透镜依次距离1倍所述焦距设置；所述凸透镜用于将从所述小孔过来的合束光进行转换为平行光；

其中，所述离散空间模式光组是通过N个平行于光轴传播、处于不同空间位置的高斯光束定义的；每个高斯光束的自身的复振幅为输入向量的一个向量元，N为正整数。

进一步地，所述离散空间模式光组中的N个光束沿圆环均匀分布或离散随机分布。

进一步地，所述第一波前相位调制装置的第一衍射光栅是根据矩阵A_mn的傅立叶系数设置的；

所述第二波前相位调制装置的第二衍射光栅是根据矩阵B_mn的傅立叶系数设置的；

其中，当目标转换矩阵为T_mn时，则对所述目标矩阵进行Hadamard分解：T_mn＝A_mnB_mn，得到所述矩阵A_mn和所述矩阵B_mn。

进一步地，所述第一波前相位调制装置的第n个用于分束的相位调制函数为：

所述第二波前相位调制装置的第m个用于合束的相位调制函数为：

其中，所述k_mn为横向波矢，k_mn＝k(R_n-R_m)/2f；

r为计算空间相位调制图案时使用的自变量，为矢量，表示空间光调制器上的二维坐标位置；

R_n为所述第一波前相位调制装置的第n个相位调制图案的中心坐标，为矢量，表示坐标位置；

R_m是所述第二波前相位调制装置的第m个相位调制图案的中心坐标，为矢量，表示坐标位置；

k＝λ/(2π)，λ是输入光的波长。

进一步地，所述波前相位调制装置包括：空间光调制器、透射式超表面装置或3D打印的介质相位模板搭建的相位调制装置。

进一步地，当所述第一波前相位调制装置和所述第二波前相位调制装置均处于透射式工作模式时，所述第一波前相位调制装置、所述第二波前相位调制装置、所述小孔以及所述凸透镜依次沿一条直线排列；

所述第一波前相位调制装置与第二波前相位调制装置之间距离2倍焦距；

所述第二波前相位调制装置与所述小孔之间距离1倍焦距；

所述小孔与所述凸透镜之间距离1倍焦距。

进一步地，当所述第一波前相位调制装置和所述第二波前相位调制装置均处于反射式工作模式时，所述第一波前相位调制装置与所述第二波前相位调制装置呈直角排布，所述第一波前相位调制装置的中心位置与所述第二波前相位调制装置的第二中心位置距离2倍焦距；

所述第二波前相位调制装置、所述小孔以及所述凸透镜依次沿一条直线排列；所述第二波前相位调制装置与所述小孔之间距离1倍焦距；所述小孔与所述凸透镜之间距离1倍焦距。

进一步地，当所述第一波前相位调制装置和所述第二波前相位调制装置均处于反射式工作模式时，所述第一波前相位调制装置的第一折射面与所述第二波前相位调制装置的第二折射面相对平行排布，所述第一波前相位调制装置的中心位置与所述第二波前相位调制装置的第二中心位置距离2倍焦距；

所述第二波前相位调制装置、所述小孔以及所述凸透镜依次沿一条直线排列；所述第二波前相位调制装置与所述小孔之间距离1倍焦距；所述小孔与所述凸透镜之间距离1倍焦距。

进一步地，所述小孔的直径取值与所述高斯光束的光腰处于同一量级；

所述焦距与所述离散空间模式光组的高斯光束的本征焦距相等。

另一方面，本发明实施例提供一种通用线性光模块控制方法，应用于上述任一种通用线性光模块，包括：

第一波前相位调制装置接收离散空间模式光组，并将所述离散空间模式光组分束为N个平行光束，得到乘运算离散光组，并将所述乘运算离散光组发射到所述第二波前相位调制装置；

第二波前相位调制装置接收所述乘运算离散光组，并将所述离散光组中的N个平行光速进行合束，得到合束光，并将所述合束光发射到所述小孔，以便所述凸透镜将从所述小孔过来的合束光进行转换为平行光；

其中，所述离散空间模式光组是通过N个平行于光轴传播、处于不同空间位置的高斯光束定义的；每个高斯光束的自身的复振幅为输入向量的一个向量元，N为正整数。

本发明实施例提供的一种通用线性光计算模块及其控制方法，通过第一波前相位调制装置实现矩阵的乘法运算，通过第二波前相位调制装置实现矩阵的加法运算，从而可以实现矩阵的全面运算，而且利用小孔和凸透镜将转换后的光束矫正平行传输，方便后续使用，能够在矩阵增大时满足更高鲁棒性，更低系统复杂度，以及更慢的损耗增长趋势。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种通用线性光模块的组成结构示意图；

图2为本发明又一实施例提供的一种通用线性光模块的组成结构示意图；

图3为本发明又一实施例提供的一种通用线性光模块的组成结构示意图；

图3为本发明又一实施例提供的一种通用线性光模块的组成结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种通用线性光模块使用的离散空间模式光组的排布示意图；

图5为本发明又一实施例提供的一种通用线性光模块的相位调制函数的示意图；

图6为本发明实施例提供的通用线性光模块的CCD相机观测到的光计算输出结果；

图7为本发明实施例提供的通用线性光模块的相位噪声鲁棒性对比图；

图8为本发明实施例提供的通用线性光模块的保真度随矩阵规模的变化趋势图；

图9为本发明实施例提供的一种通用线性光模块控制方法的流程图。

附图标记：

第一波前相位调制装置100、第二波前相位调制装置200、小孔300、凸透镜400。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合图1-图5描述本发明实施例的一种通用线性光模块。

图1为本发明实施例提供的一种通用线性光模块的组成结构示意图；图2为本发明又一实施例提供的一种通用线性光模块的组成结构示意图；图3为本发明又一实施例提供的一种通用线性光模块的组成结构示意图；图4为本发明实施例提供的一种通用线性光模块使用的离散空间模式光组的排布示意图；图5为本发明又一实施例提供的一种通用线性光模块的相位调制函数的示意图。

在本发明的一种具体实施方式中，本发明实施例提供一种通用线性光模块，包括：第一波前相位调制装置100、第二波前相位调制装置200200、小孔300以及凸透镜400；所述第一波前相位调制装置100与所述第二波前相位调制装置200距离2倍焦距，所述焦距为所述凸透镜400的焦距；所述第一波前相位调制装置100用于接收离散空间模式光组，并将所述离散空间模式光组分束为N个平行光束，得到乘运算离散光组，并将所述乘运算离散光组发射到所述第二波前相位调制装置200；所述第二波前相位调制装置200用于接收所述乘运算离散光组，并将所述离散光组中的N个平行光速进行合束，得到合束光，并将所述合束光发射到所述小孔300；所述第二波前相位调制装置200、所述小孔300以及所述凸透镜400依次距离1倍所述焦距设置；所述凸透镜400用于将从所述小孔300过来的合束光进行转换为平行光；其中，所述离散空间模式光组是通过N个平行于光轴传播、处于不同空间位置的高斯光束定义的；每个高斯光束的自身的复振幅为输入向量的一个向量元，N为正整数。

具体地，对于波前相位调制装置可以使用空间光调制器、透射式超表面装置或3D打印的介质相位模板搭建的相位调制装置，当然，也可以使用其他具有波前相位调制功能的器件，也就是说，本发明实施例所需的器件不限于空间光调制器，任何具有波前相位调制功能，且具有较高空间分辨率的器件都可以用来实现矩阵乘法模块。例如用透射式超表面或3D打印的介质相位模板搭建，器件结构图与图1类似，器件间距由焦距决定，而焦距具有很广的取值范围(1cm～10m)。以下以第一空间光调制器、第二空间光调制器为例。

在本发明的一种实施例中，如图1所示，当所述第一波前相位调制装置100和所述第二波前相位调制装置200均处于透射式工作模式时，所述第一波前相位调制装置100、所述第二波前相位调制装置200、所述小孔300以及所述凸透镜400依次沿一条直线排列；所述第一波前相位调制装置100与第二波前相位调制装置200之间距离2倍焦距；所述第二波前相位调制装置200与所述小孔300之间距离1倍焦距；所述小孔300与所述凸透镜400之间距离1倍焦距。

图1中，空间光调制器1与空间光调制器2间距为两倍焦距，且都工作在透射模式。在空间光调制器2之后，距离1倍焦距处，需放置一个小孔300由于空间滤波，提升模式纯度。在小孔300之后1倍焦距处，放置一个透镜，用于修正光束传播方向，使得组成离散空间模式的高斯光束恢复平行于光轴传播的特性，以便于与之后的光学系统级联和耦合。

在本发明的一种实施例中，具体地，焦距具有以下意义：(1)焦距指图1中透镜的焦距；(2)焦距等于离散空间模式中的高斯光束的本征焦距。(3)与波长共同决定小孔300的直径取值。也就是说，所述小孔300的直径取值与所述高斯光束的光腰处于同一量级；所述焦距与所述离散空间模式光组的高斯光束的本征焦距相等。

在本发明的一种实施例中，本发明实施例并没有限制工作波长，根据波长，在满足傍轴近似的情况下，可以依据实际实验条件调整焦距的数值，通常焦距可以取1厘米到10米的任意值。根据焦距与波长，可以得出离散空间模式中高斯光束的光腰。图1中用于空间滤波的小孔300的直径取值应保持在光腰同一量级，在这个范围内可以获得较好的空间滤波效果。

在本发明的一种实施例中，如图2所示，当第一空间光调制器工作在折射模式，第二空间光调制器工作在折射模式时，也就是说所述第一波前相位调制装置100和所述第二波前相位调制装置200均处于反射式工作模式时，所述第一波前相位调制装置100与所述第二波前相位调制装置200呈直角排布，所述第一波前相位调制装置100的中心位置与所述第二波前相位调制装置200的第二中心位置距离2倍焦距；所述第二波前相位调制装置200、所述小孔300以及所述凸透镜400依次沿一条直线排列；所述第二波前相位调制装置200与所述小孔300之间距离1倍焦距；所述小孔300与所述凸透镜400之间距离1倍焦距。如图可以看到输入光输入到空间光调制器1上，反射到空间光调制器2上，继续反射到小孔300上，光线透过小孔300透射到透镜上，从而利用小孔300成像的原理将光摄变为平行光。从而输入光为平行光，而输出光也是平行光。输入光的方向与输出光的方向相反。如果使用反射式工作的空间光调制器或者反射式金属超表面实现所需的波前相位调制，则两个空间相位调制器工作在45度角入射状态，相位调制原理不变。图2中的焦距参数典型取值是10cm。

在本发明的一种实施例中，如图3所示，图3又示出了一种当第一空间光调制器工作在折射模式，第二空间光调制器工作在折射模式时的结构布局图。具体地，当所述第一波前相位调制装置100和所述第二波前相位调制装置200均处于反射式工作模式时，所述第一波前相位调制装置100的第一折射面与所述第二波前相位调制装置200的第二折射面相对平行排布，所述第一波前相位调制装置100的中心位置与所述第二波前相位调制装置200的第二中心位置距离2倍焦距；所述第二波前相位调制装置200、所述小孔300以及所述凸透镜400依次沿一条直线排列；所述第二波前相位调制装置200与所述小孔300之间距离1倍焦距；所述小孔300与所述凸透镜400之间距离1倍焦距。由图中可以看到输出光的方向与输出光的方向相同，而且整体的尺寸较小，可以应用于一些对尺寸有要求的场景中。

也就是说，使用反射式工作的空间光调制器或者反射式金属超表面实现所需的波前相位调制，两个空间相位调制单元工作在近似0度角入射状态。这种方案中，空间光调制器工作角度由入射角(接近0度)和一级衍射角决定，典型取值范围是0度～20度，焦距取值范围与实施案例1相同，典型取值是40cm。

当然，由于波前相位调制装置具有透射和折射两种工作模式，由此可以知道第一空间光调制器和第二空间光调制器的工作模式一共有四种组合，即：第一空间光调制器工作在透射模式，第二空间光调制器工作在透射模式；第一空间光调制器工作在透射模式，第二空间光调制器工作在折射模式；第一空间光调制器工作在折射模式，第二空间光调制器工作在透射模式；第一空间光调制器工作在折射模式，第二空间光调制器工作在折射模式。因此，可以知道，还有一些第一波前相位调制装置100和第二波前相位调制装置200排列的方式，这里不再一一列举。

在上述任一实施例的基础上，在本发明的一种实施例中，如图4所述，离散空间模式光组的自由度很高，根据不同的应用场景，本发明实施例允许自行定义离散空间模式中所有高斯光束的空间位置。如图4所示，给出了两种离散空间模式的空间分布举例。图4中，左边离散空间模式分布在一个圆周上，右边离散空间模式随机分布。针对图4中的这两中情形，本发明的光计算模块都可以达到较好的效果。离散空间模式光组中的N个光束沿圆环均匀分布或离散随机分布，当然，也可以是其他的矩形、椭圆形的分布方式，本发明实施例对距离的排布不做限制，可以根据具体情况进行设置。

进一步地，如图5所示，对于本发明实施例提供的通用光计算模块，输入复向量信息编码在入射光的离散空间模式上，也就是说，离散空间光组是通过一组N个平行于光轴传播、处于不同空间位置的高斯光束定义的，每个单独的高斯光束自身的复振幅即为输入向量的一个向量元。

通过两个级联的波前相位调制装置，从而实现不同离散空间模式之间的耦合与分离，组成矩阵运算功能。其中，第一空间光调制器的作用是对每个离散空间模式都实现1到N的分束，分束比可以任意调节，即矩阵乘法中的乘运算；第二空间光调制器的作用是对全部N个离散空间模式进行从N到1的合束，即矩阵乘法中的加运算。

两个空间光调制器上的波前相位调制模板如下：首先对欲实现的目标矩阵进行Hadamard分解，T_mn＝A_mnB_mn；这种分解可以是任意选取的，本发明实施例提供的方案具有非常高的自由度。跟据矩阵A_mn和B_mn的傅立叶系数设置第一波前相位调制装置100和第二波前相位调制装置200的衍射光栅。

也就是说，所述第一波前相位调制装置100的第一衍射光栅是根据矩阵A_mn的傅立叶系数设置的；所述第二波前相位调制装置200的第二衍射光栅是根据矩阵B_mn的傅立叶系数设置的；其中，当目标转换矩阵为T_mn时，则对所述目标矩阵进行Hadamard分解：T_mn＝A_mnB_mn，得到所述矩阵A_mn和所述矩阵B_mn。

进一步地，在进行相位调制函数的设置时，可以将第一波前相位调制装置100的第n个用于分束的相位调制函数设置为：

将第二波前相位调制装置200的第m个用于合束的相位调制函数设置为：

其中，所述k_mn为横向波矢，k_mn＝k(R_n-R_m)/2f；

r为计算空间相位调制图案时使用的自变量，为矢量，表示空间光调制器上的二维坐标位置；

R_n为所述第一波前相位调制装置100的第n个相位调制图案的中心坐标，为矢量，表示坐标位置；

R_m是所述第二波前相位调制装置200的第m个相位调制图案的中心坐标，为矢量，表示坐标位置；k＝λ/(2π)，λ是输入光的波长。

具体地，r是计算空间相位调制图案时，使用的自变量。r是矢量，表示空间光调制器上的二维坐标位置。例如，G_2m(r)的值等于如图5所示空间光调制器2上，第m个相位调制图案中，坐标为r的像素点的相位调制量。R_n如图5所示，R_n是空间光调制器1上的第n个相位调制图案的中心坐标，R_n是矢量，表示坐标位置。数学上R_n＝(|R_n|cosθ_n,|R_n|sinθ_n)。在图5中，标明了R₁～R₅，以及θ₂作为示例。R_m如图5所示，R_m是空间光调制器2上的第m个相位调制图案的中心坐标。在我们的架构中，{R_m}的位置分布可以与{R_n}相同，也可以不同。k＝λ/(2π)，其中λ是输入光的波长，同时也是器件的工作波长。

上式举例展示了在第一空间光调制器上的第n个用于分束的相位调制函数和第二空间光调制器上第m个用于合束的相位调制函数。典型的相位调制函数如图2所示，图5中左右两幅图分别是空间光调制器1和空间光调制器2上的相位调制函数。图5中灰度值正比于调制相位。

请参考图6、图7、图8，图6为本发明实施例提供的通用线性光模块的CCD相机观测到的光计算输出结果；图7为本发明实施例提供的通用线性光模块的相位噪声鲁棒性对比图；图8为本发明实施例提供的通用线性光模块的保真度随矩阵规模的变化趋势图。

本发明实施例提供的通用线性光模块，是一种非级联的光学矩阵乘法模块，矩阵的规模N不会影响本发明架构，架构始终是两层波前相位调制装置。

相比于Reck结构，本发明实施例的插入损耗(dB)随矩阵规模N增长速率为O(logN)，因此当矩阵规模非常大时，本发明实施例的方案相比于Reck结构(损耗增长速率O(N))将会具有明显优势。

而且，本发明实施例中计算输出结果可以通过CCD相机探测，图6展示了CCD相机观测到的光计算输出结果。图6给出了规模为16×16的矩阵运算结果。图6中4幅子图分别是离散傅立叶矩阵乘上不同的输入向量得到的输出向量。

另外，通过仿真运算，给出了本发明实施例相比于Reck结构的优势。图7给出了本发明对相位噪声的鲁棒性。如图第一变化曲线701、第三变化曲线703为本发明实施例提供的通用线性光模块的仿真曲线；第二变化曲线702、第四变化曲线704为reck方案的仿真曲线可以看出，不论是固定噪声幅度，增加矩阵规模，还是固定矩阵规模，增加噪声幅度，本发明实施例提供的通用光计算模块都具有显著优势，本发明实施例的矩阵保真度远高于Reck结构。

图8通过仿真给出了没有噪声情况下，本发明实施例的矩阵保真度随矩阵规模的变化趋势。不失一般性，在图8和图7的仿真中，本发明离散空间模式分布为随机分布。

下面对本发明实施例提供的通用线性光模块控制方法进行描述，下文描述的通用线性光模块控制方法与上文描述的通用线性光模块可相互对应参照。

请参考图9，图9为本发明实施例提供的一种通用线性光模块控制方法的流程图。

本发明实施例提供一种通用线性光模块控制方法，应用于上述任一种实施例中所述的通用线性光模块，包括：

步骤S91：第一波前相位调制装置接收离散空间模式光组，并将所述离散空间模式光组分束为N个平行光束，得到乘运算离散光组，并将所述乘运算离散光组发射到所述第二波前相位调制装置；

步骤S92：第二波前相位调制装置接收所述乘运算离散光组，并将所述离散光组中的N个平行光速进行合束，得到合束光，并将所述合束光发射到所述小孔，以便所述凸透镜将从所述小孔过来的合束光进行转换为平行光；

其中，所述离散空间模式光组是通过N个平行于光轴传播、处于不同空间位置的高斯光束定义的；每个高斯光束的自身的复振幅为输入向量的一个向量元，N为正整数。

本发明实施例提供的一种通用线性光计算模块及其控制方法，通过第一波前相位调制装置实现矩阵的乘法运算，通过第二波前相位调制装置实现矩阵的加法运算，从而可以实现矩阵的全面运算，而且利用小孔和凸透镜将转换后的光束矫正平行传输，方便后续使用，能够在矩阵增大时满足更高鲁棒性，更低系统复杂度，以及更慢的损耗增长趋势。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种通用线性光模块，其特征在于，包括：第一波前相位调制装置、第二波前相位调制装置、小孔以及凸透镜；

所述第一波前相位调制装置与所述第二波前相位调制装置距离2倍焦距，所述焦距为所述凸透镜的焦距；

所述第一波前相位调制装置用于接收离散空间模式光组，并将所述离散空间模式光组分束为N个平行光束，得到乘运算离散光组，并将所述乘运算离散光组发射到所述第二波前相位调制装置；

所述第二波前相位调制装置用于接收所述乘运算离散光组，并将所述离散光组中的N个平行光速进行合束，得到合束光，并将所述合束光发射到所述小孔；

所述第二波前相位调制装置、所述小孔以及所述凸透镜依次距离1倍所述焦距设置；所述凸透镜用于将从所述小孔过来的合束光进行转换为平行光；

其中，所述离散空间模式光组是通过N个平行于光轴传播、处于不同空间位置的高斯光束定义的；每个高斯光束的自身的复振幅为输入向量的一个向量元，N为正整数。

2.根据权利要求1所述的通用线性光模块，其特征在于，所述离散空间模式光组中的N个光束沿圆环均匀分布或离散随机分布。

3.根据权利要求1所述的通用线性光模块，其特征在于，所述第一波前相位调制装置的第一衍射光栅是根据矩阵A_mn的傅立叶系数设置的；

所述第二波前相位调制装置的第二衍射光栅是根据矩阵B_mn的傅立叶系数设置的；

其中，当目标转换矩阵为T_mn时，则对所述目标矩阵进行Hadamard分解：T_mn＝A_mnB_mn，得到所述矩阵A_mn和所述矩阵B_mn。

4.根据权利要求3所述的通用线性光模块，其特征在于，所述第一波前相位调制装置的第n个用于分束的相位调制函数为：

所述第二波前相位调制装置的第m个用于合束的相位调制函数为：

其中，所述k_mn为横向波矢，k_mn＝k(R_n-R_m)/2f；

r为计算空间相位调制图案时使用的自变量，为矢量，表示空间光调制器上的二维坐标位置；

R_n为所述第一波前相位调制装置的第n个相位调制图案的中心坐标，为矢量，表示坐标位置；

R_m是所述第二波前相位调制装置的第m个相位调制图案的中心坐标，为矢量，表示坐标位置；

k＝λ/(2π)，λ是输入光的波长。

5.根据权利要求1所述的通用线性光模块，其特征在于，所述波前相位调制装置包括：空间光调制器、透射式超表面装置或3D打印的介质相位模板搭建的相位调制装置。

6.根据权利要求1所述的通用线性光模块，其特征在于，当所述第一波前相位调制装置和所述第二波前相位调制装置均处于透射式工作模式时，所述第一波前相位调制装置、所述第二波前相位调制装置、所述小孔以及所述凸透镜依次沿一条直线排列；

所述第一波前相位调制装置与第二波前相位调制装置之间距离2倍焦距；

所述第二波前相位调制装置与所述小孔之间距离1倍焦距；

所述小孔与所述凸透镜之间距离1倍焦距。

7.根据权利要求1所述的通用线性光模块，其特征在于，当所述第一波前相位调制装置和所述第二波前相位调制装置均处于反射式工作模式时，所述第一波前相位调制装置与所述第二波前相位调制装置呈直角排布，所述第一波前相位调制装置的中心位置与所述第二波前相位调制装置的第二中心位置距离2倍焦距；

所述第二波前相位调制装置、所述小孔以及所述凸透镜依次沿一条直线排列；所述第二波前相位调制装置与所述小孔之间距离1倍焦距；所述小孔与所述凸透镜之间距离1倍焦距。

8.根据权利要求1所述的通用线性光模块，其特征在于，当所述第一波前相位调制装置和所述第二波前相位调制装置均处于反射式工作模式时，所述第一波前相位调制装置的第一折射面与所述第二波前相位调制装置的第二折射面相对平行排布，所述第一波前相位调制装置的中心位置与所述第二波前相位调制装置的第二中心位置距离2倍焦距；

所述第二波前相位调制装置、所述小孔以及所述凸透镜依次沿一条直线排列；所述第二波前相位调制装置与所述小孔之间距离1倍焦距；所述小孔与所述凸透镜之间距离1倍焦距。

9.根据权利要求1至8任一项所述的通用线性光模块，其特征在于，所述小孔的直径取值与所述高斯光束的光腰处于同一量级；

所述焦距与所述离散空间模式光组的高斯光束的本征焦距相等。

10.一种通用线性光模块控制方法，应用于如权利要求1至9任一项所述的通用线性光模块，其特征在于，包括：

第一波前相位调制装置接收离散空间模式光组，并将所述离散空间模式光组分束为N个平行光束，得到乘运算离散光组，并将所述乘运算离散光组发射到所述第二波前相位调制装置；

第二波前相位调制装置接收所述乘运算离散光组，并将所述离散光组中的N个平行光速进行合束，得到合束光，并将所述合束光发射到所述小孔，以便所述凸透镜将从所述小孔过来的合束光进行转换为平行光；

其中，所述离散空间模式光组是通过N个平行于光轴传播、处于不同空间位置的高斯光束定义的；每个高斯光束的自身的复振幅为输入向量的一个向量元，N为正整数。

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