基于传统OM2光纤的大容量模分复用传输系统研究

基于传统多模光纤的模式资源,来构建多维复用超大容量光纤传输系统可以有效提升通信系统传输容量,满足急剧增长的数据业务需求.在本文中,我们联合波分复用、偏振复用和模分复用技术,基于传统OM2光纤实现了40个波长信道(1 535.04~1 566.31 nm)×2个模式信道(LP01和LP11b)的60 G波特偏分复用16阶正交幅度调制(Polarization Division Multiplexing 16-ary Quadrature Amplitude Modulation,PDM-16QAM)信号的短距模分复用相干光传输.整个模分复用链路由一对基于多平面光转换(Multi Plane Light Conversion,MPLC)的模式复用/解复用器和20 m OM2光纤构成.由于高模式隔离度的模式信道特性(<-20 dB),本系统无需相应数字信号处理算法进行模式解复用,而仅需2×2的多输入多输出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)算法完成偏振解复用.在实验中,除了对系统关键参数,包括脉冲成型滤波器的滚降因子、削峰比及接收光功率进行了优化外,还引入了Volterra判决反馈均衡方案.该均衡方案不仅能够补偿调制器引入的非线性信号损伤,而且能够缓解前馈均衡方案导致的高频噪声增强问题.最终,实验结果显示所有80个信道的误码率皆低于20%软判决前向误码纠错(Soft Decision Forward Error Correction,SDFEC)阈值2.7×10-2,系统总容量达38.4 Tbit/s,表明基于多模光纤的模式复用相干光传输方案在未来超大容量短距光互联系统中具有应用潜力.

基于深度学习的小目标检测技术研究进展(特邀)

小目标检测在自动驾驶、安防等领域具有重要的应用价值。然而,由于小目标自身视觉特征不明显、复杂背景干扰以及信噪比低等因素,使得小目标检测一直以来都是一个极具挑战性的难题。笔者系统回顾了当前基于深度学习方法的小目标检测技术,对现有算法进行了系统地归类、分析和比较:界定了小目标检测的概念,总结了小目标检测所面临的主要挑战;着重讨论了几种主要的网络优化策略,如利用数据增强技术提高模型的泛化能力,通过超分辨率技术改善小目标可视性,采用多尺度信息融合技术提升检测精度,以及基于上下文信息学习和大核卷积策略改进特征表达能力、无锚框检测机制、DETR技术和针对特定应用场景的多模态小目标检测等方法并详细分析了其优缺点;全面介绍了现有小目标数据集,并在常用公共数据集上对目前经典的小目标检测算法进行了测试和性能评估;对小目标检测领域未来的研究方向进行了展望,旨在推动小目标检测技术的进一步发展和应用拓展。

太赫兹噪声源研究进展

噪声源是一种产生可控(频率及功率可控)噪声的装置,是器件研发环节中的重要工具。太赫兹噪声源在太赫兹器件噪声系数测试、星载微波辐射计标定、成像和波谱分析等方面具有重要的应用。本文系统地梳理了国内外太赫兹噪声源的发展及研究近况,分析了基于热力学、电子学和光子学太赫兹噪声源的技术特点,并对其未来发展方向进行了展望。

基于深度学习的图像配准方法研究进展

近年来,图像采集设备的高速发展极大地丰富了图像种类和数量。图像配准技术作为图像分析和处理的关键,在图像融合、模式识别和计算机视觉等领域作用日益重要,如何实现高精度、实时配准已成为该领域的研究重点。与此同时,深度学习技术发展迅速,卷积神经网络在图像表示、特征提取等方面显示出独特优势。本文系统综述了基于深度学习技术实现图像配准的相关研究进展,深入讨论了基于深度迭代配准、全监督图像配准、弱/双重监督图像配准、无监督图像配准等典型的深度学习的图像配准方法,总结了相关领域研究人员所面临的共同挑战,并指出了未来可能的研究方向。

激光相干合成系统中SPGD算法的分阶段自适应优化

为改善传统随机并行梯度下降(Stochastic Parallel Gradient Descent,SPGD)算法应用于大规模激光相干合成系统时收敛速度慢且易陷入局部最优解的情况,提出了一种分阶段自适应增益SPGD算法-Staged SPGD算法。该算法根据性能评价函数值,在不同收敛时期采用不同策略对增益系数进行自适应调整,同时引入含梯度更新因子的控制电压更新策略,在加快收敛速度的同时减少算法陷入局部极值的概率。实验结果表明:在19路激光相干合成系统中,与传统SPGD算法相比,Staged SPGD算法的收敛速度提升了36.84%,针对不同频率和幅度的相位噪声,算法也具有较优的收敛效果,且稳定性得到显著提升。此外,将Staged SPGD算法直接应用于37、61、91路相干合成系统时,Staged SPGD算法相比传统SPGD算法收敛速度分别提升了37.88%、40.85%和41.10%,提升效果随相干合成单元数增加而更加显著,表明该算法在收敛速度、稳定性和扩展性方面均具有一定优势,具备扩展到大规模相干合成系统的潜力。

太赫兹混频器噪声系数测量

噪声系数是评价高频电子器件传输信号性能的重要参数,随着工作频率的增加,高频电子器件的噪声系数通常会增大,现有噪声源的超噪比无法满足测量需求。为了实现高频电子器件噪声系数的测量,本文基于非相干光混频技术,将三束非相干光耦合进入单行载流子光电二极管,研制了220~325 GHz高超噪比且可调谐的太赫兹光子噪声源,超噪比可调谐至45 dB。通过Y因子法将其应用于大噪声系数、负变频增益太赫兹混频器噪声系数的测量。测量得到太赫兹混频器噪声系数的范围为16~32 dB,变频增益约为-13 dB,测量不确定度为0.43 dB。研制的高超噪比且可调谐的太赫兹光子噪声源,能够满足大噪声系数太赫兹电子器件的测量需求,对太赫兹电子器件噪声系数的测量以及指导器件的进一步优化有着重要的作用。

基于10 km弱耦合七芯光纤的信能共传技术

随着5G微基站建设密度急剧增加,因采用传统电缆供电方式,5G网络的建设成本和部署难度将大幅提升.光纤信能共传技术作为一种新型供电方式,利用光纤作为传输介质,实现1064 nm能量光和1550 nm信号光的共同传输,同时满足高速信号的5G前传和5G微基站的集中化能量管理.本文提出一种基于空分复用技术的光纤信能共传方案,基于10 km弱耦合七芯光纤实验实现了10 W能量光和1.5 Gbit/s速率5G新空口(New Radio,NR)信号光的共同传输,远端通过光电转换效率为35%的光伏电池获得了0.42 W的电功率,可驱动一个远端天线单元(Remote Antenna Unit,RAU),7 h连续监测接收能量光功率的波动范围小于0.4%.与此同时,接收到的5G NR信号误差向量幅度值(Error Vector Magnitude,EVM)仅为0.38%,创纪录地实现了6.3 W·(Gbit/s)·km电功率-容量-距离积.

基于传输矩阵的公里级多模光纤计算成像技术(特邀)

多模光纤因其高通量的优点,成为短距光纤通信的重要传输介质之一。然而,不同模式在多模光纤的传输过程中会发生模式色散,导致输出端形成杂乱无序的散斑,无法直接通过简单的强度探测解调出输入信息。为解决这一问题,该研究探讨了基于传输矩阵方法在公里级多模光纤上实现信息并行传输,结合精准传输矩阵测量及求逆,不仅成功实现了256阶灰度图像信息的高保真计算成像,而且实现了基于传输矩阵的公里级多模光纤视频传输,验证了该方法的准确性和有效性。实验结果表明:借助空间光波前调制手段,结合传输矩阵求逆方法,随机二维码和高清全彩视频传输的准确性均达到了100%,解调准确率优于传统的散斑相关散射矩阵方法。该研究的成果可为短距光纤通信、空间光通信和光学安全保密通信等领域的发展提供新的思路。

基于深度学习的稀疏或有限角度CT重建方法研究综述

由于计算机断层扫描(CT)成像技术对物体内部结构具有出色的可视化能力,其在临床医学诊断中获得广泛应用。但是X射线辐射会对人体造成伤害,通常采用降低扫描强度或者减少扫描角度数量的方式降低患者受到的X射线辐射剂量,然而在欠采样投影数据条件下重建的低剂量CT图像会有严重的条状伪影和噪声。近年来,深度学习技术快速发展,同时卷积神经网络在图像表示与特征提取等方面展现出巨大优势,应用在稀疏或者有限角度下的CT重建任务中可以实现快速和高质量的重建。因此面向稀疏或者有限角度条件下的CT重建技术,综述了深度学习技术在图像域后处理、正弦域预处理、双域数据联合处理、迭代重建算法和端到端映射重建5个方面的国内外最新研究进展,对当前基于深度学习的稀疏或者有限角度CT重建方法的技术特点及其局限性进行分析,并展望了未来可能的研究方向。

光纤信能共传技术研究进展

随着5G通信时代的来临,大容量、高频段和多业务接入的移动通信网络建设面临诸多挑战。在5G网络中,由于5G信号的高频段特征,基站覆盖范围大大减小,需要布设的基站数量急剧增加,为了保证覆盖能力,并降低总体的成本和功耗,基站正在向小型化、密集化、无源化方向发展。而光纤信能共传技术为实现新一代分布式微基站提供了解决方案,此技术通过光纤将射频信号和能量光传输至基站,为基站供能的同时,利用天线完成无线宽带信号的发射。介绍了光纤信能共传技术近年来的研究进展,并通过分析典型方案的特点,阐述了光纤信能共传技术的发展趋势。

激光相干合成系统中基于自适应随机扰动电压的SPGD优化算法

随机并行梯度下降(SPGD)算法是目前对激光相干合成系统进行精准相位控制的高效方法之一,然而,SPGD算法的控制带宽随着参与合成的激光路数的增加而迅速降低。为满足大规模激光相干合成系统相控的高带宽需求,提出一种基于自适应随机扰动电压的SPGD优化算法——Piecewise SPGD算法,采用变化的随机扰动电压并对增益系数进行分段取值。使用该算法对含有不同激光路数的相干合成系统进行实验仿真,结果表明,针对7路激光相干合成实验,优化后算法的收敛速度和稳定性相比传统SPGD算法分别提高了36.4%和70.6%,性能获得显著提升。此外,Piecewise SPGD算法无须进行参数调整即可扩展到其余路数的激光相干合成系统中,通用性强且性能良好。

光频域分布式光学偏振测试技术及应用(特邀)

光频域偏振测量(OFDP)是一种基于扫频激光干涉原理的分布式光纤偏振测试技术,它能够精确获取保偏光纤、器件、组件与光路的偏振特性及其空间分布,实现高性能器件与光路的性能测试与质量评价,以及缺陷分析与故障诊断。OFDP优点是可兼顾超高测量灵敏度、超大测量范围、高精细度、长测量距离、动态快速测量等,已逐渐发展成为性能最优的分布式光纤测量技术之一。本文回顾了OFDP的测量原理,定量分析了分布式偏振串音的测量极限,综述了分布式偏振测试性能提升的若干关键技术,给出了高精度偏振器件与光路的测试典型应用,并讨论了其技术挑战和未来潜在的研究方向。

C+L波段全覆盖高增益掺铒光纤放大器

通过增加光纤放大器的增益带宽,可以有效提升光纤通信系统的传输容量。目前,C+L波段掺铒光纤放大器(EDFA)通常采用C波段和L波段EDFA并联的方式,但这种方法会在两个增益波段之间产生带宽“死区”。为了解决这一问题,以Bi/Er共掺石英光纤作为主要增益介质,在二级双程放大结构的基础上,通过插入波长匹配的长周期光纤光栅进行“削峰补谷”操作,成功拓展了增益带宽。这种新型的C+L波段全覆盖高增益掺铒光纤放大器,其25 dB增益带宽和20 dB增益带宽分别达到了78 nm(1529~1607 nm)和85 nm(1527~1612 nm),最高增益可达51.2 dB,同时噪声系数降至3.9 dB。该研究不仅消除了C+L波段EDFA的带宽“死区”问题,而且通过结合长周期光纤光栅,实现了单个EDFA对C+L波段的高增益全覆盖。该EDFA有望在未来高容量长距离光纤传输系统中获得重要应用。

用于光频域偏振计精度提升的色散补偿方法

从理论上推导了相位因受色散影响而发生畸变的干涉信号以及相应的色散补偿算法流程,定性验证了干涉仪色度色散差异对测试系统的精度劣化效果,提出色散迭代补偿方法,并结合自参考干涉仪光路结构来抑制待测器件的双折射色散引入的相位噪声。实验结果表明,5 m的色散位移光纤引入的色度色散差异会导致测试500 m保偏光纤的偏振串扰时幅值失真25.5 dB,空间分辨率降低为原来的1/233;在利用色散迭代补偿算法对9.5 km保偏光纤中双折射色散进行补偿后,偏振串音幅值失真的校正效果最高达到20.0 dB。此外,测试结果还具有较高的重复性(0.3 dB),说明本文研究工作对于长距离保偏光纤的故障分析和精确诊断具有重要意义。

全光纤超宽带电光频梳

提出一种飞秒全光纤宽带电光调制光频梳产生技术,基于电光调制种子光频梳,通过时频域联合整形、精确色散补偿以及非线性混频等过程,在满足平坦度优于10 dB的情况下,实现的载波间隔为12.5 GHz,载波覆盖范围超过145 nm(即梳齿数目超过1450),覆盖了多波段(S、C、L波段)光纤通信范围,并且光频梳整体输出功率超过2.3 W,即单根梳齿功率大于0 dBm。研究结果表明,所提全光纤宽带电光调制光频梳在超大容量光纤通信、超快并行信号处理等领域有着良好的应用前景。

放大自发辐射辅助泵浦的L波段扩展掺铒光纤放大器

近年来,L波段扩展的掺铒光纤放大器(LE-EDFA)由于能增加光纤传输带宽而成为研究热点,但该放大器所需增益光纤较长,普遍存在泵浦转换效率低、增益水平不高等问题。将反向放大自发辐射(ASE)辅助泵浦技术应用于LE-EDFA增益提升研究,发现反向ASE在泵浦功率较低或铒镱共掺光纤(EYDF)较长的情况下,可以大幅度提高LE-EDFA的增益水平,提高量可达5.1 dB~16.7 dB。采用反向ASE辅助泵浦结合预放大技术,在550 mW的较低总泵浦功率情况下,实现了1570~1610 nm范围内高于20 dB的增益、低于6 dB的噪声系数,并且1620 nm处的增益尚达13.7 dB。与其他已报道LE-EDFA相比,反向ASE辅助泵浦的LE-EDFA在较低的泵浦功率情况下实现了等同的增益水平,具有泵浦转换效率高、制备成本低等优势,有望广泛应用于高容量光纤传输系统。

非线性傅里叶变换及其在光通信和超短脉冲表征领域的应用

非线性傅里叶变换可以将信号转换为包括连续谱和离散谱的非线性谱,其中离散谱的本征值位于复平面的上半部分。通过非线性傅里叶变换,信息被编码到信号的非线性谱中,可以实现信号和非线性积累的有效区分,从而解决标准单模光纤中出现的非线性传输损伤。同时,作为新型的信号分析工具,非线性傅里叶变换还可以用于分析光纤激光器中的孤子脉冲。对于纯孤子,其非线性谱仅包含离散谱,离散谱中的本征值对应于孤子的特征,其实部和虚部分别对应于孤子的频率和幅值。非线性傅里叶变换技术为激光动力学的研究提供了新视角,从脉冲的全场信息得到脉冲的非线性谱,进而根据不同的本征值分布分离孤子和连续波背景,就可以实现纯孤子的产生。本文综述了非线性傅里叶变换的原理及其在光通信和光纤激光器领域的应用,并介绍了基于非线性傅里叶变换的“孤子蒸馏”技术。

高增益二级双程L波段扩展掺铒光纤放大器

近年来,L波段扩展掺铒光纤放大器(EDFA)由于能覆盖更宽的波长范围而备受关注,但其增益水平普遍较低。本文采用1480 nm激光泵浦Er/Yb/P共掺光纤,结合双程放大和预放大技术,研制了高增益的L波段扩展EDFA。实验装置在1556~1621 nm的65 nm范围内获得高于20 dB的增益,最大增益达48.8 dB(1566 nm),30 dB增益带宽达58 nm(1558~1616 nm),噪声系数在1580~1610 nm范围内低于5.8 dB。该研究工作有效提高了L波段扩展EDFA的增益水平,并将噪声系数控制在较低的范围,可有效提升常规光纤通信系统的传输带宽和容量。