水下长距离无线光通信-单光子计数技术

01丨研究背景

随着可见光通信技术的快速发展，水下可见光通信也逐渐吸引了众多相关研究者的目光。水下可见光通信由于具有成本低，延时短，保密性强的特点，被认为是未来海洋勘探和探测活动中的重要通信技术。尽管具有相对较宽的带宽，但是可见光在水下环境的强烈衰减使得传输距离受到限制，近年来相关的研究也在如火如荼的进行着。

02丨文章简介

复旦大学信息科学与工程学院田朋飞和周小林团队搭建了实现水下高速超长距离的光通信实验系统。该文章由复旦大学信息科学与工程学院硕士研究生陈红兰和复旦大学工程与应用技术研究院硕士研究生陈新伟共同担任第一作者。系统发射端使用蓝色激光器，接收端使用高响应度的单光子计数器，实验传输速率达到500bps和2Mbps时分别对应的链路长度达到144 m和117 m，对应的误码率分别为1.89 × 10−3 和 5.31 × 10−4。

03丨研究结果

基于蓝色LD和SPAD接收器的UWOC系统的实验装置如图1所示。在发送端，将MATLAB程序生成的伪随机二进制序列(PRBS) 加载到任意波形发生器 (AWG2021) 上，驱动一台450nm LD (Thorlabs, PL 450B)。实验采用非归零开关键控( NRZ - OOK) 调制方案。LD发出的蓝光通过透镜准直后经过长度为 2.3 m的水箱。在接收端，透射光束通过菲涅耳透镜聚焦，同时采用一系列具有不同透过率的中性密度(ND)滤光片对接收光进行衰减。在焦点处放置一个高灵敏度的单光子计数器来收集输出光并产生光电转换。SPCM的输出端信号输出后用PC 机中用MATLAB 程序做进一步处理并计算处误码率，输出端的脉冲由示波器显示。基于 SPAD 的接收机最大计数率为28 MHz，死区时间为35 ns。所提出的基于SPAD 的 UWOC 系统的发射端如图 1(e) 所示。数据传输速率500bps到2Mbps不等。发射侧的光输出功率为22.9mW，激光光斑直径为5mm。

图2显示了在距离为117 m和144 m、距离为98 m和117 m时以500 bps的数据速率接收每个符号的光子计数，以及以2Mbps的数据速率接收每个符号的光子计数。在数据速率为500 bps (117 m和144 m)和2 Mbps (98 m和117 m)时，平均接收光子数分别为4811、217、10.91和8.12。一个光子的能量计算是4.42×10−19 J 。以2 Mbps的速率传输117米的距离获得的8.12个光子的总能量是3.59×10−18 J 。由于用来传输这些光子的时间是0.25μs,由此计算出光功率为1.44×10−11 W。由此可知，SPAD的最小检测功率低至0.14 fW，而通常使用的APD的最小可检测光功率为几个nWs， SPAD比APD灵敏很多。

实验对噪声做了进一步测试，结果如图3所示。图 3 (a) 和 (b) 显示了在144 m和117 m时每个符号对应的平均噪声光子数为2.34和3.41。可以看出，实验系统的噪声水平很低，这对提高系统的信噪比非常重要。显然，随着数据速率的增加，最大可发射距离减小，平均接收光子数也减小。原因是数据速率的增加导致了信噪比的降低，需要更高的响应速度。在实验所用的水下可见光通信系统中，数据传输速率为500bps和2Mbps时，最大估计距离分别为144 m和117 m，对应的BER分别为 1.89×10−3 和 5.31×10−4。

在图4中，比较了不同的发散角并探究了自由空间与水下环境的发散角之间的关系。结果显示在实验条件下，有水与无水环境下发散角近似，因此得出水下环境的发散角近似于自由空间的发散角的类比，并通过实验测得自由空间下的发散角近似为1.02 mrad。该研究对于未来的水下可见光超长距离通信具有很大的参考价值。

注：

①文章DOI:10.1109/JPHOT.2020.2985205；

②本研究部分获得国家自然科学基金61974031、61705041、61571135资助，部分获得上海市航海计划(17YF1429100)资助，部分获得上海市技术标准计划(18DZ2206000)资助，部分获得国家重点研究开发项目(2017YFB0403603)资助。

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