• 通信系统与网络

4、通信系统与网络

4.1、光网络的光层性能监测技术

       针对光网络的性能影响参数,在光域层面利用光功率、光频谱等进行性能监测,实现故障定位和网络保护恢复,并开发相应的器件、模块和系统。

4.1.1长距离光网络性能检测、故障定位和保护技术研究

       主要使用光时域后向散射技术(OTDR、COTDR、BOTDR、POTDR等)实现长距离骨干光纤光缆网络的损耗、扰动和断点等事件的检测;基于光功率监测、微弱信号处理等技术,开发光纤光缆自动监测和保护系统,实现光纤光缆阻断后快速恢复通信,使光缆维护由传统被动维护变为主动维护;针对DWDM光网络,基于频谱和功率检测技术开发DWDM光通信系统在线性能监测,可获取各传输波长、功率和光信噪比参量

4.1.2光接入系统和网络性能监测技术研究

       主要围绕无源光网络(PON),研究快速突发光功率检测、FTTH光纤实时在线监测;此外还开展自由空间光通信(FSO)、可见光通信技术研究。

基于分布式光纤传感的FTTH光纤光缆集中监测系统

      自由空间光通信系统      光接入网功率检测模块

 

4.2、智能电网信息感知、接入和传输的理论和技术研究

       针对智能电网“源-网-荷”互动对未来电网安全稳定运行的影响及其对信息通信的需求,研究智能电网信息感知、接入和传输的相关理论和技术,近期主要开展光纤传感技术在智能电网中的应用以及电力光纤传感、信息感知和光纤无线融合通信技术研究。

智能电网

智能电网中电力物理网和信息通信网示意图

 

4.3、量子通信

       量子通信是指利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型的通讯方式,具有高效率和绝对安全等特点。这种通信技术最激动人心的地方在于其“绝不泄密”的本事,独特的加密方式使密钥具有不可复制性和绝对安全性,一旦有人窃取密钥,整个通信信息会“自毁”并告知使用者。量子信息因其传输高效和绝对安全等特点,被认为可能是下一代IT技术的支撑性研究,并成为全球物理学研究的前沿与焦点领域,有科学家甚至预计,10年内有望实现全球化量子通信。

       本研究方向主要集中在基于单光子偏振态的量子密钥分配系统实用化相关技术,包括高速单光子探测,单光子产生,调制,解调,真随机码发生等。

  4.3.1单光子雪崩探测器

       单光子探测技术可以实现对单光子级别微弱光信号的检测,被广泛应用于量子密钥分配、激光雷达、光纤传感、光纤通信等领域。目前基于铟镓砷/铟磷(InGaAs/InP)材料的单光子雪崩探测器(SPAD),因其结构紧凑、无超低温要求以及低功耗等优点,在近红外波段的单光子探测应用中得到了广泛使用。

图 17 门控模式单光子探测器

说明:原理图.bmp

频率可调谐单光子雪崩探测器原理图

Yixin. Zhang, Xuping. Zhang, Shun Wang, Gaussian Pulse Gated InGaAsInP Avalanche Photodiode for Single Photon Detection [J], Optics Letters, 2013, 38(5):606-608

张益昕、张旭苹、杨国文、王顺、胡君辉,频率可调谐的吉赫兹正弦门控近红外单光子探测器,201310027060.8

 

 

 

4.3.2高速偏振调制器

       偏振调制器是量子通信中的一个重要功能模块。对于基于光子偏振态的QKD系统,由发送方控制偏振调制器,随机选择一种偏振编码方式,对通信信号进行偏振编码。比如,可能采用+45°和-45°的偏正态作为脉冲信号的编码方法;也可能采用0°和90°的偏振态作为信号的编码方法。在选用+45°和-45°的编码基时,可以用+45°的偏振态表示“1”,-45°的偏振态表示“0”;选用0°和90°的编码基时,可以用90°的偏振态表示“1”,0°的偏振态表示“0”。经过偏振调制器后,通信脉冲信号包含多种偏振态,并承载了通信密钥信息。

说明:D:照片20120108 SPAD实验设备IMG_6280.JPG

高速偏振调制器

 

4.3.3脉冲式激光光源

       在量子通信系统中,单光子信号通常由一个极窄的激光脉冲衰减得到。因此脉冲式激光光源就成为构建量子通信系统的一个重要功能模块。本设计采用直接调制的DFB半导体激光器,可以合成脉冲宽度500ps,最高重复频率100MHz的脉冲式激光光源。采用集成的帕尔贴与驱动器对激光器进行恒温控制,可以保证激光器输出波长的稳定。

说明:F:娱乐生活新加坡留学照片20120321 QKD主板IMG_7582.JPG

脉冲式激光光源

 

4.4卫星激光通信技术

       近年来随着信息流量需求的迅速增长,以微波为信息载体的卫星通信技术在通信数据率的提高上逐渐显现出局限性。而卫星光通信技术相对卫星微波通信技术而言,具有设备体积小、抗干扰强和保密性高等诸多优点,同时在通信数据率方面更是有着极大的提升空间。自上世纪六十年代以来,美国、欧洲以及日本等研究机构都相继对卫星光通信技术的研究投入了巨大的人力和物力。

       目前我国经过近二十年的努力,在国防科工局、航天五院等单位的大力支持下,国内首台星地激光通信终端于2011年8月16日随“海洋二号”发射入轨。并于2011年11月10日16点40分,中国首次星地激光通信链路数据传输试验。该项试验的成功,标志着中国在空间高速信息传输这一航天高技术尖端领域走在了世界发展前列。

说明:http://res.news.ifeng.com/61bae75acabbfd92/2011/0816/rdn_4e4a067fdacb0.jpg

2012年 8月16日6时57分,我国在太原卫星发射中心用“长征四号乙”运载火箭,成功将“海洋二号”卫星送入太空

4.1.1星载掺铒光纤放大器关键技术研究

       目前国际上卫星光通信系统基本都是采用基于半导体激光器的直接调制方式。在保证大输出光功率的前提下,由于卫星光通信链路中无法实现中继放大,在直接调制方式下进一步提高通信系统调制速率的难度越来越大。而采用由半导体激光器和掺铒光纤放大器(EDFA)构成的过渡性调制子系统结构或由半导体激光器、LiNbO3波导调制器以及EDFA组成的下一代主流调制子系统结构可以解决这一难题。在上述两种解决方案中都需采用EDFA技术。因此对于星载掺铒光纤放大器关键技术的研究尤为重要。目前该方向由一项国家自然基金及一项江苏省自然科学基金支持。

日本研制的地面光通信终端LUCE(右)和地球同步轨道卫星ARTEMIS上的OPALE光通信终端(左)

说明:FIG 4

图2 多波长星载EDFA空间特性研究中关于黑匣子模型的理论仿真和实验验证

 

4.1.2星地激光链路中通信子系统误码率特性研究

       星地激光通信技术与地面光纤通信技术相比存在着较多的技术难点,如大气漂移、大气闪烁以及空间环境等特设效应都会对通信子系统产生很大的影响,本方向的研究成果将为提高卫星激光通信系统的抗噪声特性具有重要意义。

星地激光通信中大气湍流影响下OOK、MSK两种调制方式通信特性的对比图