水下長距離無線光通信-單光子計數(shù)技術(shù)

01丨研究背景

隨著可見光通信技術(shù)的快速發(fā)展，水下可見光通信也逐漸吸引了眾多相關(guān)研究者的目光。水下可見光通信由于具有成本低，延時短，保密性強的特點，被認為是未來海洋勘探和探測活動中的重要通信技術(shù)。盡管具有相對較寬的帶寬，但是可見光在水下環(huán)境的強烈衰減使得傳輸距離受到限制，近年來相關(guān)的研究也在如火如荼的進行著。

02丨文章簡介

復旦大學信息科學與工程學院田朋飛和周小林團隊搭建了實現(xiàn)水下高速超長距離的光通信實驗系統(tǒng)。該文章由復旦大學信息科學與工程學院碩士研究生陳紅蘭和復旦大學工程與應用技術(shù)研究院碩士研究生陳新偉共同擔任第一作者。系統(tǒng)發(fā)射端使用藍色激光器，接收端使用高響應度的單光子計數(shù)器，實驗傳輸速率達到500bps和2Mbps時分別對應的鏈路長度達到144 m和117 m，對應的誤碼率分別為1.89 × 10−3 和 5.31 × 10−4。

03丨研究結(jié)果

基于藍色LD和SPAD接收器的UWOC系統(tǒng)的實驗裝置如圖1所示。在發(fā)送端，將MATLAB程序生成的偽隨機二進制序列(PRBS) 加載到任意波形發(fā)生器 (AWG2021) 上，驅(qū)動一臺450nm LD (Thorlabs, PL 450B)。實驗采用非歸零開關(guān)鍵控( NRZ - OOK) 調(diào)制方案。LD發(fā)出的藍光通過透鏡準直后經(jīng)過長度為 2.3 m的水箱。在接收端，透射光束通過菲涅耳透鏡聚焦，同時采用一系列具有不同透過率的中性密度(ND)濾光片對接收光進行衰減。在焦點處放置一個高靈敏度的單光子計數(shù)器來收集輸出光并產(chǎn)生光電轉(zhuǎn)換。SPCM的輸出端信號輸出后用PC 機中用MATLAB 程序做進一步處理并計算處誤碼率，輸出端的脈沖由示波器顯示�；� SPAD 的接收機最大計數(shù)率為28 MHz，死區(qū)時間為35 ns。所提出的基于SPAD 的 UWOC 系統(tǒng)的發(fā)射端如圖 1(e) 所示。數(shù)據(jù)傳輸速率500bps到2Mbps不等。發(fā)射側(cè)的光輸出功率為22.9mW，激光光斑直徑為5mm。

圖1：基于SPAD的水下可見光通信實驗裝置圖和相關(guān)細節(jié)圖（a）傳輸鏈路；（b）單光子計數(shù)模塊（包含單光子探測器和內(nèi)部計數(shù)器）；（c）接收端激光光斑；（d）發(fā)射端激光光斑；（e）發(fā)射端封裝的450nm藍色激光器

圖2顯示了在距離為117 m和144 m、距離為98 m和117 m時以500 bps的數(shù)據(jù)速率接收每個符號的光子計數(shù)，以及以2Mbps的數(shù)據(jù)速率接收每個符號的光子計數(shù)。在數(shù)據(jù)速率為500 bps (117 m和144 m)和2 Mbps (98 m和117 m)時，平均接收光子數(shù)分別為4811、217、10.91和8.12。一個光子的能量計算是4.42×10−19 J 。以2 Mbps的速率傳輸117米的距離獲得的8.12個光子的總能量是3.59×10−18 J 。由于用來傳輸這些光子的時間是0.25μs,由此計算出光功率為1.44×10−11 W。由此可知，SPAD的最小檢測功率低至0.14 fW，而通常使用的APD的最小可檢測光功率為幾個nWs， SPAD比APD靈敏很多。

圖2：不同速率傳輸傳輸不同距離時每個符號接收光子數(shù)(a)500bps, 117 m ；(b) 500bps,144 m；(c) 2 Mbps ,98 m; (d) 2Mbps,117 m

實驗對噪聲做了進一步測試，結(jié)果如圖3所示。圖 3 (a) 和 (b) 顯示了在144 m和117 m時每個符號對應的平均噪聲光子數(shù)為2.34和3.41。可以看出，實驗系統(tǒng)的噪聲水平很低，這對提高系統(tǒng)的信噪比非常重要。顯然，隨著數(shù)據(jù)速率的增加，最大可發(fā)射距離減小，平均接收光子數(shù)也減小。原因是數(shù)據(jù)速率的增加導致了信噪比的降低，需要更高的響應速度。在實驗所用的水下可見光通信系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)傳輸速率為500bps和2Mbps時，最大估計距離分別為144 m和117 m，對應的BER分別為 1.89×10−3 和 5.31×10−4。

圖3：在(a) 144 m和(b) 117 m處，傳輸單個符號內(nèi)的噪聲光子數(shù)

在圖4中，比較了不同的發(fā)散角并探究了自由空間與水下環(huán)境的發(fā)散角之間的關(guān)系。結(jié)果顯示在實驗條件下，有水與無水環(huán)境下發(fā)散角近似，因此得出水下環(huán)境的發(fā)散角近似于自由空間的發(fā)散角的類比，并通過實驗測得自由空間下的發(fā)散角近似為1.02 mrad。該研究對于未來的水下可見光超長距離通信具有很大的參考價值。