空芯反谐振光纤长距离通信的机遇与挑战

空芯反谐振光纤(HCARF)的科学研究取得了突破性进展,其有望突破现有传统光纤的一些固有本征限制。HCARF将光束缚在空气芯中,在传输及其应用上具有传统光纤不可比拟的优势,因此,HCARF成为当前光通信领域的研究热点。文章介绍了HCARF的导光机理,并分析了其在光纤通信系统中的容量优势,阐述了HCARF的发展机遇与面临的挑战,希望能够为我国下一代通信大容量超宽带长距离传输光纤提供一定的参考价值与借鉴。

多波长与横模可切换掺镱光纤激光器的研究

设计并制备了一种具有环形掺镱纤芯的光纤波导结构,并提出了一种基于该环芯掺镱光纤和少模光纤布拉格光栅的多波长与横模可切换光纤激光器。在这种光纤激光器中,只需简单调整腔内的偏振控制器,就可以实现单波长和双波长的激光稳定振荡。当激光器在单波长下工作时,可以切换两种横模输出,包括LP01模和LP11模,两种模式都获得了小于0.08 nm的3 dB窄线宽和大于45 dB的高边模抑制比,中心波长和光强的波动分别为±0.01 nm和±1 dB。试验表明:该环芯掺镱光纤有助于LP11模获得的增益高于LP01模,LP01模式激光的斜率效率为34.34%,而LP11模式激光的斜率效率高达49.09%。该光纤激光器可以在模分复用系统和激光加工等领域发挥重要的作用。

基于外部气相沉积的S+C+L波段低色散斜率大有效面积非零色散位移光纤的设计与制备

针对现有光纤无法满足宽带光密集波分复用系统传输和S+C+L波段粗波分复用的要求,设计了一种具有中心凹陷的三角形芯+环形的折射率剖面,利用外部气相沉积工艺制备了一种非零色散位移光纤,并通过调整第一芯层的相对折射率和第二芯层与第一芯层的半径比,探究了其对光纤衰减、色散斜率和有效面积等参数的影响。研究发现,当第一芯层的相对折射率逐渐增大且第二芯层与第一芯层半径比逐渐减小时,零色散波长和有效面积逐渐减小。当第一芯层的相对折射率在0.52%~0.53%,芯层半径比在2.6~2.7时,光纤的有效面积接近70μm^(2),零色散波长在1420 nm附近,在1550 nm波段的色散系数大于8 ps·nm^(-1)·km^(-1),色散斜率为0.059 ps·nm^(-2)·km^(-1),可以较好地抑制传输过程中光非线性效应,满足长途干线网与城域网的使用要求。

CO_(2)激光退火不同外径锗芯光纤的扫描速度研究

对内径为41~43μm,外径约为188μm、251μm和270μm的锗芯光纤进行激光退火实验,研究CO_(2)激光沿光纤轴向扫描速度对锗芯拉曼峰频率和光传输损耗特性的影响。研究发现,激光扫描速度是决定退火后光纤特性的重要参数。对不同外径的光纤,达到最优退火效果的激光扫描速度不同,188μm、251μm和270μm外径的锗芯光纤分别为10 mm·s^(-1)、14 mm·s^(-1)和16 mm·s^(-1),光传输损耗分别为3.435 dB·cm^(-1)、2.147 dB·cm^(-1)和3.578 dB·cm^(-1)。使用COMSOL软件对退火过程中纤芯表面固定点的温度变化进行了模拟仿真研究,仿真结果显示激光退火过程中温度呈脉冲形变化。相同外径条件下,激光扫描速度提高,温度脉冲的峰值升高、谷值降低、单脉冲持续时间缩短;相同扫描速度条件下,光纤外径减小,温度脉冲峰值提高,谷值降低。

基于补偿因子的D2D通信自适应联合功率控制算法

针对融合设备到设备(device to device, D2D)通信的蜂窝系统中路径损耗补偿因子单一、功率控制性能不佳等问题,提出一种自适应联合功率控制算法.根据D2D用户到基站及蜂窝用户的距离计算出路径损耗补偿因子增补量,得出D2D用户及蜂窝用户的路径损耗补偿因子矩阵,提升功率控制性能;同时采用联合闭环功率控制方式进一步降低D2D用户及蜂窝用户的同频干扰.实验仿真表明:相比于传统功率控制算法,该算法对系统的信干噪比(signal to interference plus noise ratio, SINR)有较好的提升作用,且吞吐量在1 000kbit/s以上的用户数量是传统功率控制算法的1.7倍.

高功率涡旋拉曼光纤激光器

近年来,携带轨道角动量的涡旋光束在激光加工、光学微粒操纵、超分辨成像、大容量光通信等领域应用广泛,目前已在稀土掺杂光纤激光器中得到了广泛研究。基于声致光纤光栅,实验搭建了全光纤结构拉曼光纤激光器,实现LP_(01)模与LP_(11)模的有效调控,并进一步通过偏振控制实现环形径向偏振光和拓扑荷数l=±1的涡旋光束输出,最高输出功率~70 W,中心波长为1134 nm。文中提出的激光器有利于拓宽涡旋光束输出波段,在多维光通信、光场和物质相互作用等领域具备较大研究价值和应用潜力。

基于深度强化学习的轨道交通T2T通信网络资源分配

轨道交通下一代列车对列车(T2T)通信为基础的列控系统中,列车对轨旁(T2W)通信与T2T通信并存。为了充分利用有限的频谱资源,提出了一种基于多智能体深度强化学习的T2T通信分布式资源分配方案。该方案依据通信内容划分不同优先级,同时将一个T2T或T2W链路看成一个智能体,每个智能体在与环境不断交互的同时选择动作独立实现分布式资源分配机制。仿真结果表明,该方案在降低T2T通信时延的基础上提高了T2W链路和系统整体的吞吐量;与现有的T2T通信资源分配方案相比,系统容量和T2T链路成功传输概率均有较大提高。

偏振动态可调耗散孤子光纤激光器实验研究

实验搭建了一台基于碳纳米管的耗散孤子光纤激光器,研究了耗散孤子的动态偏振特性.在160 mW的抽运功率下,得到了稳定的单脉冲耗散孤子.通过调整腔内的偏振控制器,得到了庞加莱球上为固定点形式吸引子的偏振锁定矢量耗散孤子.单向机械调节腔内偏振控制器可以调控偏振锁定吸引子向极限环吸引子的演化,且实现极限环区域可控.对比不同偏振吸引子下的偏振度发现,偏振度的高低和偏振吸引子覆盖区域面积成反比.因此,可以通过偏振度的大小定量地判断吸引子是否为偏振锁定.该工作对于研究新型偏振可调激光器、探索激光器的物理机制具有指导意义.

电场作用下掺锰石英光纤中线偏振光传输特性研究

为克服传统的基于非光纤传感元件的光纤电压传感器在技术复杂、价格高昂、晶体损耗大且与光纤耦合困难等不足之处,首先研制出了掺锰石英光纤样品,进而实验研究了电场对掺锰石英光纤中线偏振光传输特性的影响。测试分析了掺锰石英光纤中线偏振光的偏转角随电场强度的变化,其呈近似的线性关系。同时,测试分析了线偏振光的偏转角随电场强度的变化灵敏度与掺锰石英光纤长度之间关系。获得掺锰石英光纤长度分别为2.5、5和10 m时,其偏转角随电场强度的变化灵敏度分别为1.23×10^（-3）°m/kV、2.46×10^（-3）°m/kV和3.26×10^（-3）°m/kV。研究结果表明,所研制的掺锰石英光纤中线偏振光的偏转角与电场强度之间的线性关系在全光纤高压传感领域将具有潜在的应用价值。

抗辐射保偏光纤的制备及其特性研究

本文通过对保偏光纤进行光漂白与低温相结合处理的方式,来提高光纤的抗辐射性能。保偏光纤再经过1.0 kGy的高剂量预辐照处理后,其损耗会明显增大。随后采用980 nm的激光对光纤进行光漂白处理,其损耗并没有发生明显变化。但是,处理后的样品在小剂量辐照条件下其光纤传输呈现先减小后增大的趋势。对于通过液氮进行冷处理的预辐照样品,其光纤传输损耗得到明显的降低,同时光纤经过小剂量辐照后的损耗同样也具有先减小后增大的现象。最后,将两种处理方式相结合,一方面可以有效地降低预辐照光纤的传输损耗,另一方面也使得保偏光纤在小剂量辐照的条件下,使其传输损耗具有减小的趋势,大大提高了保偏光纤在小剂量辐照条件下的抗辐照特性。

基于FPGA的CAN总线通信系统

CAN总线是目前应用最广泛的现场总线之一,其性能和安全性已经得到了越来越多应用的证实。为了实现这种具有较高可靠性的通信,在Xilinx公司提供的VC709上通过AXI4总线实现了与CAN模块的通信,成功完成上位机与FPGA之间的CAN通信并运用到拟态安全系统中。结果表明,CAN总线和通信系统能够实现数据安全高速的收发,在拟态安全控制领域有着很好的应用。

一组基于Tensorflow的CNN-RNN的融合架构实验

卷积神经网络对于静态局部结构有很强的抽象表达能力,循环神经网络能够从动态变化的序列数据中学习到时间上的关联性。如果将卷积神经网络和循环神经网络的优点进行结合,设计一种CNN-RNN的融合网络,那么在处理图像序列时,融合网络应能够提取更合适的特征表示,达到更好的识别效果。基于tensorflow深度学习框架,尝试多种可能的CNN-RNN融合框架,并使用CK+表情数据集进行测试,结果表明CNN-RNN框架能够有效地提取表情序列的特征,分类效果比CNN有明显的提升。

LTE-M系统的通信时延分析

下一代轨道交通采用LTE-M系统承载多种业务,并根据列车控制要求限定数据在较低的时延内完成传输。分析了列车移动终端接入基站的多种时延,对LTE-M相关协议产生的接入时延进行研究,将多信号并发时的接入化为排队论体系中的M/M/1/m/m模型,推导了传输时延的预测方法,并在LTE-M系统3MHz带宽专用承载CBTC业务的典型应用情况下的传输时延进行了预测,该计算方法可为今后同类通信系统传输低时延需求业务的设计提供参考。

半导体激光器互注入式分布光纤传感系统

为了简单准确地检测与定位外部扰动,基于互注入半导体激光器和光纤环结构,提出一种新型分布光纤传感系统,利用系统输出信号幅度的均方根与外部扰动位置的线性关系进行定位,并通过差分检测方法避免激光器功率波动对定位结果的影响。实验表明:该系统方案和定位方法是可行的,且检测灵敏度高,信号处理方便。

地铁隧道中5G通信频段大规模MIMO特性分析

大规模多输入多输出(MIMO)技术作为5G移动通信中的关键技术,极大提高了通信容量,是轨道交通通信的重要发展方向。在真实的地铁隧道环境中针对3.5 GHz与5.6 GHz频段,对32×32的大规模MIMO系统进行了信道测量。根据测量数据,分析了地铁隧道中大规模MIMO信道特性。发现5.6 GHz频段的路径损耗指数略低于3.5 GHz频段。通过对比极化交叉率,发现拱形隧道内对+45°极化与水平极化有更强的去极化特性。隧道内信号的均方根时延扩展(RMS-DS)普遍分布在10 ns以内。此外,发现信道容量随收发距离的增大逐渐减小,3.5 GHz频段时32×32的MIMO信道容量为54.64 bit/s/Hz,略高于5.6 GHz频段时的53.35 bit/s/Hz。并且发现当天线阵元的极化方式与信道极化特性相匹配或阵元数目增加时,均会引起信道容量的增加。这些发现可以对未来地铁隧道中大规模MIMO技术的应用提供依据。

NB-IOT智能井盖通信机制的低功耗分析

随着城市基础设施建设的发展,目前城市井盖管理普遍存在数量多、难于实现统一管理、不能及时发现井盖损坏和被盗的问题。本文提出了基于窄带物联网(NB-IOT)的智能井盖通信报警系统,采用传感器实时监测井盖信息,NB-IOT终端模块将状态信息发送到基站,基站再与NB-IOT的核心网连接,将状态数据发送到云平台,后台管理系统可以实时获取井盖的故障信息。通过大量的实验测试证明,提出的智能井盖通信机制是满足低功耗要求的,能够准确地检测井盖故障信息。

基于裂缝波导的车地无线通信系统性能指标测试分析

车地无线通信基于LTE(长期演进)技术的无线传输媒介主要是泄漏电缆、自由天线及裂缝波导。裂缝波导是一种抗干扰性更强、信号覆盖均匀的无线传输介质。采用HFSS软件仿真裂缝波导的耦合强度等参数,并利用近场测试系统测试裂缝波导的耦合强度,从而得到波导接收天线最佳接收高度。通过裂缝波导、波导接收天线、LTE基站和车载终端测试车地通信系统的吞吐量、丢包和延时等性能指标,验证了基于裂缝波导的车地通信系统在CBTC(基于通信的列车控制)中的适用性。

一种速率自适应的无线通信协议

提出了一种支持自适应调整通信速率的通信协议,以平衡无线传感器网络(WSNs)中难以兼顾的通信速率与覆盖范围。该协议可通过判断通信过程中的误码率,对节点之间的通信调制方式与通信速率进行实时调整。运用该协议,汇聚节点与终端节点之间的调制方式与通信速率会随着距离的不同自适应地进行针对性的切换。提出的协议采用DSSS调制保证远距离时的稳定连接,并通过FSK调制实现近距离时的高速通信,并针对该协议设计了一套无线通信节点。由于汇聚节点的特殊设计,该节点可以并行处理不同通信速率的数据包,从而取得优于传统网络的性能。经过实地测试,在城市户外环境下,汇集节点与终端节点能根据距离的不同,自动调整调制方式与通信速率,达成设计目的。

Bi/Er共掺石英玻璃光纤及其光谱特性

将原子层沉积技术(ALD)与改进的化学气相沉积工艺(MCVD)相结合,制备Bi/Er共掺石英玻璃光纤,测试并分析光谱性能。实验结果表明:Bi/Er共掺石英玻璃光纤存在铋离子和铒离子的典型吸收峰。当用980nm泵浦光激发时,Bi/Er共掺石英玻璃光纤在1400~1700nm波段获得宽的发光谱;非饱和吸收与小信号吸收的比值达到64%,泵浦效率较高,且荧光寿命达到11.2ms。

锗芯光纤的CO_2激光退火温场分布仿真

用有限元软件COMSOL Multiphysics对锗芯光纤的CO_2激光退火温场分布进行仿真,比较了不同的光纤轴向移动速度和激光功率对锗芯光纤加热区温场分布的影响,初步得出了在不同光纤轴向移动速度条件下对应的较合适的激光功率.对于内径和外径分别为80μm和300μm的锗芯光纤,当轴向移动速度为4 mm/s、8 mm/s、12 mm/s、16 mm/s、20 mm/s时,对应较合适激光功率分别为1.5 W、2.0 W、2.5 W、3.5 W、4.0 W.该仿真工作为CO_2激光退火优化锗芯光纤性能实验提供了理论依据.