基于机器学习的相干光通信系统传输性能评估

针对传统相干光通信系统中光纤链路传输性能评估方法理论计算复杂且计算时间较长的问题,文章采用机器学习技术对调制格式和输入光功率等参数各异信道的相干光传输系统传输性能进行关联式建模和精确评估。建模和评估结果表明,该机器学习模型能够代替复杂的理论计算,并且能够较为准确地给出预测值,理论计算值与模型预测Q值整体的平均误差为0.27 dB,理论计算值与模型预测光信噪比(OSNR)值整体的平均误差为0.33 dB;采用机器学习模型的计算时间稳定在4.4 s左右,而采用理论计算的时间随着干扰信道个数的增加计算时间逐渐增加。

紫外光通信系统中分集接收的研究

将无线电通信中常用的分集接收技术引入到紫外光通信系统中,理论分析和实验验证了分集接收对紫外光非视距通信系统信噪比的改善。实验结果表明,引入分集接收对SNR约有12dB的提升。

紫外光通信网络中MAC层功率控制研究

针对紫外光通信网络中的能量受限问题,为了减少节点的能量消耗和节点间的相互干扰,以延长网络的生命周期并增加系统容量,设计并实现了一种适合紫外光通信的MAC(媒体接入控制)层功率控制机制。仿真和实验结果均表明,该机制可以在保证用户通信QoS(服务质量)的前提下实现紫外光通信平台上的功率控制,并为今后紫外光Ad hoc(自组织)网络的搭建打下了基础。

高速相干光通信中的多符号差分检测技术研究

针对高速相干光通信系统中激光器相位噪声和频偏估计的补偿问题,设计了基于MSDD(多符号差分检测)的相位恢复算法,研究了在ASE(自激发射放大)噪声、激光器线宽和频偏等因素影响下的系统性能和MSDD算法的补偿能力。仿真结果表明,自适应MSDD算法对激光器线宽和频偏的补偿效果显著,对线宽为1 MHz、频偏为100 MHz的20GBaud QPSK(正交相移键控)系统,误码率为10-3时的OSNR(光信噪比)代价仅为0.6dB。

一种面向量子安全光通信的低噪声波长分配方案

量子密钥分发(Quantum Key Distribution,QKD)技术从理论上保证安全的对称密钥分发,它和一次一密技术的结合可显著提高通信系统的安全性。在基于量子安全的光通信系统中,如何将量子信号和经典光信号复用在同一根光纤中以大幅提高系统容量和节约光纤资源是近年来的研究热点之一。在共纤传输过程中,由于量子信号功率极其微弱,容易受到来自经典光信号的噪声干扰。针对以上问题,研究了四波混频和拉曼散射这两种主要噪声对量子信号产生的影响,提出一种通过选择性避免部分四波混频噪声,来有效抑制总体噪声的波长分配方案。仿真结果表明,所提方案可有效抑制四波混频和拉曼散射噪声的影响,并提高波长资源利用率。进一步地,通过实验对单芯光纤和多芯光纤中的噪声水平进行了测量,验证了所提方案的有效性。

内生安全光通信技术及应用

随着信息化建设不断推进,信息技术广泛应用,信息网络快速普及,网络安全引发的非传统安全威胁持续蔓延,并逐步向政治、经济、社会及国防等领域传导渗透。现有光通信系统难以抵御来自线路或节点的信号窃光攻击,面临信息"被搭线"劫持和"被串接"劫持的安全挑战。随着光通信速率和距离大幅提升,光通信网络开放能力显著增强,迫切需要发展安全光通信解决方案,探索实现"强通、强密"光纤传输的有效途径。针对网络强国建设对发展新型通信与安全融合技术提出的战略要求,解决关键信息基础设施互联传输面临的安全防护难题,对基于物理层的安全光通信技术进行了简要介绍,概述了光通信抗截获传输和自同步协商的主要实现方法,在此基础上提出了通密一体的内生安全光通信创新理念,建立了一类"三区耦合、两路简并"的微元安全模型,初步揭示了光通信的内生安全特征与规律,充分利用噪声的作用提高光通信系统安全性能,最后对内生安全光通信的应用前景进行了分析展望。

无线光通信组合脉冲调制的差错性能分析

在简要介绍脉冲位置宽度调制(PPWM)、差分脉冲位置宽度调制(DPPWM)、双幅度脉冲位置调制(DAPPM)和双幅度脉冲间隔调制(DAPIM)等新型组合调制方式的符号结构的基础上,详细推导了它们的误包率表达式,通过数值模拟,在给定模型下分析了以上新型组合调制方式的差错性能。

紫外光通信系统的噪声研究

在UV(紫外光)通信系统中,噪声对信号会产生比较明显的干扰。为了提高系统的通信性能,文章对UV通信系统中的噪声进行了分析。设计了一个模块对噪声进行采样,并分析了PMT(光电倍增管)暗电流噪声、PCB(印制电路板)热噪声、EMI(电磁干扰)噪声以及电源引入的噪声等4种噪声的时域和频域特性,及其对系统性能的影响。为了克服模拟滤波性能不理想的缺点,在接收端采用FPGA(现场可编程门阵列)设计了一个数字滤波器来抑制噪声。实验结果表明,该数字滤波器对SNR(信噪比)有3～7dB的改善。

光通信波段亚波长光栅偏振器的设计与分析

亚波长周期结构光栅具有传统光栅所不具有的特殊特性。基于矢量衍射理论-耦合波分析法对矩形亚波长光栅的衍射效率进行了理论计算,针对光通信中的1 550nm波长设计了一种基于SOI衬底的亚波长偏振光栅,分析了光栅周期、光栅深度、占空比和光栅结构的变化对其偏振特性的影响。仿真结果表明,当光栅的周期为960nm,槽深为230nm,占空比为24%时,可使TM模式的透射率大于95%,TE模式的透射率小于5%,且矩形的光栅结构相对于三角形和圆形的光栅结构具有更好的偏振性能,可有效用于光开关、光隔离器、激光器、光探测器等半导体光电子器件。

基于光通信物理层的密钥分发与加密控制系统研究

随着大容量、高速率网络的快速发展,光通信安全成为主要的研究热点。由于传统的密钥分发与加密方案的局限性,文章提出一种物理层信道特征提取技术,实现了密钥分发与加密控制系统。方案采用10 Gbit/s 200 km高阶正交振幅调制(Quadrature Amplitude Modulation,QAM)的传输系统。首先,Alice与Bob分别提取光纤信道物理特征误码率(Bit Error Ratio,BER),通过量化编码生成一致性密钥。其次,利用生成的密钥基对传送序列进行加密,将正交相移键控(Quadrature Phase Shift Keying,QPSK)信号映射到高阶1024×1024 QAM信号上,并利用噪声流对高阶1024×1024 QAM信号淹没。该系统由于信道不可复制性和信道噪声的随机性,密钥的安全性和随机性好,并且密钥成码率高、产生密钥设备简单,系统使用高阶QAM调制,增加了系统的安全性。实验结果表明,系统生成的密钥的成码率达到400 kbit/s,密钥的随机性好。利用产生的密钥对传输系统进行加密,200 km传输链路接收方BER较低,传输性能好。

紫外光通信信道参数对Turbo码的影响

在紫外光通信中采用了纠错性能优异的Turbo码,用gamma-gamma湍流模型仿真信道中的大气湍流,考虑紫外光通信常用的PPM(脉冲位置调制)方式以及湍流的影响,在紫外信道中,分析了在相同的条件下折射率结构常数和波长等因素的变化给Turbo码性能带来的影响。仿真结果表明:在相同的条件下,折射率结构常数越小,波长越长,Turbo码的性能越好,该结论可为实际实现提供理论参考。

可见光通信中频闪现象的解决方法研究

提出并搭建了基于白光发光二极管的可见光通信模型,提出了一种用于改善现有可见光通信中频闪现象的编码算法与实现方案。理论分析了可见光器件频闪现象的产生原因、编码前后能量的分布情况和误码率等。实验验证并比较了该编码算法对频闪现象的改善情况。

基于LED可见光通信的实时全双工上网系统

从室内可见光通信(Visible Lighe Communication,VLC)技术着手,提出了一种点对点式的室内实时全双工可见光通信上网系统,介绍了该系统的总体设计方案。搭建了一套完整的基于LED可见光通信的实时全双工上网系统,并对提出的设计方案进行了测试验证。

实时激光通信用自由运行InGaAs/InP单光子探测器(特邀)

为实现高速、高灵敏度、低成本的激光通信,优化改进一种新的InGaAs/InP单光子雪崩二极管(SPAD)以更好地使其应用于单个单光子探测器(SPD)探测的近红外激光通信系统。与上一代相比,优化各层结构的同时,在其中加入了介质-金属反射层并改进了双Zn扩散工艺。在1.25 GHz高频正弦门控(SWG)工作模式、225 K温度和6 V偏置下,所制备的InGaAs/InP SPAD实现了光子探测效率(PDE)为30%、暗计数率(DCR)为3 kHz和后脉冲概率(Pap)为2.4%的单光子性能。将基于高性能SPAD制备的自由运行负反馈雪崩二极管(NFAD)作为接收机,应用到已有实时激光通信系统中,实验得到了单个NFAD的激光通信性能参数。结果表明,在使用4进制脉冲相位调制(4PPM)方案中,在1 Mbit/s比特率条件下,单个InGaAs/InP NFAD具有1.1×10^(−5)误码率和−69.6 dBm灵敏度。

基于LDPC码的相干光通信QNSC系统方案

针对光网络物理层安全通信问题,提出了基于低密度奇偶校验(LDPC)码的相干通信量子噪声流加密(QNSC)系统方案,将码率为9/10的LDPC码和离散傅里叶变换正交频分复用(DFT-OFDM)技术应用在系统方案中,最后对该方案进行了实验验证。实验结果表明:经过传输跨距为40 km、80 km、120 km和160 km的标准单模光纤后,LDPC码有效地降低了系统误码率,改善了系统通信的安全性,同时不会对系统的基本性能造成影响。

电力光通信网中风险均衡路由算法研究

在大力发展智能电网的背景下,支撑电网运转的电力光通信网规模日趋庞大,其承载的业务更加多样化。然而电力光通信网的业务路由规划主要以最短路径算法为主,导致电力光通信网存在业务重要度分布不均衡,从而导致网络局部风险过高的问题。针对上述现状,文章采用深度强化学习技术,以网络业务风险均衡为目标,提出了基于强化学习的电力光通信网风险均衡路由算法。该算法考虑业务重要度分布情况、链路容量和链路光信噪比,实现了电力光通信网风险均衡化。文章选取某省电力通信子网验证方案的有效性,研究结果表明,该方法能够有效地降低电力光通信网风险均衡度,为电网的安全运行提供有力保障。

应用于40Gb/s DQPSK光通信系统的LDPC译码算法研究

针对40Gb/s差分正交相移键控(DQPSK)光通信传输系统,提出了低密度奇偶校验(low-density parity-check,LDPC)码译码算法的信息初始化公式,改进了基于置信度传播(belief propagation,BP)的译码算法,并进行了相应的数值仿真和性能分析比较,得到了兼顾性能和译码复杂度的改进型译码算法。

光通信物理层密钥分发后处理技术研究

现有光纤通信系统无法抵御物理层攻击,常通过预共享密钥对信息加密来确保通信安全。随着量子计算机的问世,公钥加密算法已不再安全。量子密钥分发虽能提供理论上的无条件安全,但它需要单光子或弱信号传输,对噪声和损伤特别敏感,因此无法使用光放大器,不适合长距离传输。光通信物理层密钥分发更为简单,在现有光纤传输系统的基础上,利用各种独特的信道特征的变化来量化生成密钥,安全性较高,但其分发所得密钥未达到完全一致,无法直接应用。文章提出了一种面向光通信物理层密钥分发的后处理方法,通信双方对分发所得密钥进行随机化、分段及奇偶校验处理,通过传递边信息分段纠错,经保密增强处理后,密钥在信息泄露量最少的情况下达到一致。

星地激光通信链路中的极化码性能研究

在星地激光通信链路中,激光在大气信道中传输时容易受湍流作用,导致信号功率衰落。考虑到极化码在短码下的优良性能和较低的实现复杂度,将其应用于星地激光通信系统中来对抗大气湍流引起的信号衰落。基于对湍流信道的分析,搭建了星地激光通信系统仿真平台,并在其中引入了极化码。实验结果表明在中等湍流和强湍流下,极化码分别降低了13%和25%的通信中断概率,极大地改善了星地激光通信系统的性能。

基于Ga_(2)O_(3)-SiC-Ag多层结构的介电常数近零超低开关阈值光学双稳态器件

光学双稳态这一非线性光学现象因其在全光系统中的巨大应用潜力而备受关注.然而微弱的非线性响应往往需要巨大的输入功率才能实现光学双稳态,导致其实用性不强.本文基于Ga_(2)O_(3)-SiC-Ag的金属-介电材料多层结构,在实现介电常数近零的大场增强的同时,还引入了具有大非线性系数的材料,并基于有限元法研究了介电常数近零层的厚度和长度对光学双稳态的影响.研究结果表明,光学双稳态随介电常数近零层的厚度和长度的增大而变得愈发显著,在通信波段的开关阈值低至约10^(-6)W/cm^(2),与之前报道的基于介电常数近零材料的光学双稳态相比,降低了9个数量级,展现了在光子集成电路产业化中的巨大应用潜力.