光学天线在自由空间光通信系统中发送或者接收光信号, 天线结构决定系统的检测性能。详细介绍了光学天线基本结构、卡塞格伦光学天线的研究进展、无独立信标瞄准、捕获和跟踪(PAT)系统和一点对多点通信光学天线, 展望了光学天线未来的研究方向。

为提高K最短路径(KSP)算法中路径计算的效率和规划路径的相异性, 首先介绍了光网络的图论描述、路径相近性定义和平行边的理论, 然后对KSP问题和传统Yen算法进行了简单描述, 分析了KSP算法研究现状, 最后提出一种Yen改进算法, 重点阐述了相异路径计算策略和Yen改进算法实现步骤。通过构建与实际生产环境类似的拓扑图, 对Yen改进算法进行验证, 并与其它算法进行路径相近性和计算时间对比, 证明了其有效性。

由于国产核心交换芯片的时间和日期(ZDA)接口一般为移动ZDA标准接口, 与北斗卫星导航系统的北斗标准ZDA接口不一致, 因此在以国产芯片为核心处理单元的骨干网中无法实现北斗时间的传输。设计了一种北斗ZDA接口标准协议与移动ZDA接口协议的转换方案, 通过详细对比两者的日时间(TOD)数据帧的异同之处, 以Unix时间戳作为中间媒介实现两者不同时间表达的转换。实验结果表明: 在所搭建的网络环境下, 北斗卫星接收机输出的ZDA可以稳定地转换成移动标准的ZDA, 且转换后的移动时间数据可正常稳定地被国产芯片解析并传输到核心骨干网中。

为提高多口径发射的自由空间光通信系统性能, 以“海洋高速通信网络关键技术研究与验证”项目为背景, 提出了平均误码率(BER)的解析表达式。通信系统采用典型的强度调制直接探测(IMDD), 工作在由指数威布尔(EW)分布模型描述的湍流环境中。分析了系统在不同信道参数下的孔径平均效应, 以及不同发射口径数和通信速率对平均BER的影响。仿真结果表明: 低通信速率下多口径发射系统具有良好的湍流抑制能力, 高通信速率下不同发射口径的到达时间差会增加通信系统的误码概率。

星载空间激光通信终端具备设备体积小、通信速率高和保密性强等优势, 是未来大规模星座组网的首选方案。为进一步提升激光通信终端的通信速率和实用性, 采用非相干激光通信技术、无信标捕获技术、前置光放大与单模光纤耦合技术和3D打印导热一体化技术, 研制了基于摆镜架构的同轨、异轨2种型号激光通信终端, 并完成了动态捕获跟踪、高速通信试验和环境适应性试验。同轨、异轨2种型号产品重量分别为12 kg和14 kg, 在1 mrad不确定区域内平均捕获时间为12.4 s, 通信速率可达10 Gb/s@4000 km, 经过前向纠错编码后误码率小于10-7。

为尽量减少额外开销和寻找最优传输路径, 结合激光通信视距传输和长距离传输的特性, 提出了一种基于蚁群算法的深空光通信网络路由算法(RA-ACA)。首先对深空光通信中的单向链路问题、节点能耗问题进行研究, 然后在传统路由算法的基础上对RA-ACA进行优化, 最后进行了仿真对比实验。仿真结果表明: RA-ACA收敛路径上的剩余总能量高于TACA约 5kW·h, RA-ACA保留节点信息素时收敛速度提高了50%。

为进一步提高大气光通信系统的速率和可靠性, 提出一种采用反向传播(BP)神经网络辅助检测方案以改善脉冲位置调制(PPM)和正交相移键控(QPSK)混合调制的超奈奎斯特(FTN)大气光通信系统误码率。对BP神经网络进行离线训练来提取信道特征, 从而改善了系统在时变大气信道下的误码性能。仿真结果表明: 与最大似然检测相比, 在加速因子为0.8, 误码率为10-3, 滚降因子分别为0.6和0.7时, 该方法的系统误码性能可依次提高2.0 dB和1.5 dB; 在加速因子为0.8, 误码率为10-4, 滚降因子分别为0.8和1时, 系统误码性能可依次提高2.0 dB和1.8 dB。

针对空间激光骨干网中卫星链路采用高级在轨系统(AOS)帧进行数据传输、星上资源有限和数据传输时延较长等特点, 为了在卫星光网络中实现标签交换和流量工程, 首先对标准的基于路由受限标签分发协议(CR-LDP)进行了改进, 包括对协议消息大小设置定长, 设计面向无连接的传输层协议, 减小协议开销和对双向标签交换路径(LSP)的建立流程进行改进, 然后进行了软件仿真和硬件测试。结果表明: 改进后的CR-LDP在建链时资源消耗更小, 支持双向LSP建立且流程简单有效。

与直接探测相比, 相干探测具有响应速度快、检测灵敏度高和滤波性能好等优点, 是提高无线光通信系统接收灵敏度的关键技术。总结了国内外在无线光通信系统相干探测领域的研究进展, 同时介绍了西安理工大学在相干探测技术方面的研究工作, 主要包括与无线光相干通信有关的大气湍流抑制、到达角起伏、振幅起伏、信道噪声、光信号偏振、本振光功率和光源线宽等因素对相干探测系统性能的影响以及副载波调制非光域外差探测系统在理想信道和非理想信道的性能分析。最后, 对无线光相干通信系统的发展方向进行了展望。

为进一步分析艾里光在光通信中的可行性, 以艾里光为载波, 研究了弱湍流下基于对数正态分布湍流信道模型的自由空间光(FSO)通信系统的平均误码率、中断概率及平均信道容量, 与相同湍流条件和传输距离下以高斯光为载波的FSO通信系统性能进行了对比, 同时讨论了艾里光自身的光束宽度、指数截断因子及传输距离对系统性能的影响。仿真结果表明, 在湍流条件及传输距离相同时, 基于艾里光的FSO通信系统的性能明显优于基于高斯光的FSO通信系统性能, 且随着平均信噪比的增加, 以艾里光为载波的链路性能优势体现更为显著。

针对光纤复合低压电缆(OPLC)在运行状态下发生的短暂高温对电缆中光纤的传输性能造成影响的问题, 提出了耐热型OPLC结构优化方案。首先, 优化改进OPLC结构、研究OPLC材料选型；然后, 采用COMSOL多物理场仿真软件, 实现耐热型OPLC三维模型的仿真建模, 并根据电流热效应及温度对电阻的反作用原理对仿真模型进行修正, 探索优化结构下仿真状态的线缆三维热场分布情况；最后, 结合目前OPLC耐热试验要求, 研究适用于耐热型OPLC的耐热和超载试验的测试方案。测试结果表明,高于电缆工作最高标准温度10%且持续时间15 min时, OPLC的光纤衰减损耗变化不超过0.15 dB/km。

新一代海底光缆通信网将既具有传统海底光缆通信网的通信功能, 又能为海底用户提供即插即用、稳定可靠的信息传输和电能供给, 可作为海底观测、导航定位和海底通信等应用系统的共用信息基础设施。着眼于构建新一代海底光缆通信网, 为服务未来海底各类预制系统、无人自主系统所需的水下物联网开展预先基础研究, 介绍了最新的海底光缆信息传输网及其相关设备的最新发展情况、该领域的发展趋势, 最后指出了当前海底光缆网络面临的困难。

为实现光栅耦合器与光纤的高效率耦合, 基于联合微电子中心有限责任公司(CUMEC)超低损耗氮化硅平台, 成功设计并开发了与互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺兼容的低损耗、小尺寸氮化硅光栅耦合器。首先对光栅关键参数进行了仿真计算, 选择最优参数进行光栅耦合器的设计。然后, 基于CUMEC超低损耗氮化硅平台, 采用聚焦光栅结构, 极大地缩小了光栅耦合器的尺寸, 得到的氮化硅聚焦光栅耦合器小线宽结构制备良好。搭建了光学测试系统完成聚焦光栅性能表征, 测试结果表明, 损耗最优值为4.48 dB, 对应波长1548 nm, 1 dB带宽大于45 nm。

在无线信道系统中, 同址干扰会导致接收机的接收灵敏度下降。基于微波光子技术, 根据强度调制直接检测(IMDD)光链路的非线性特性, 提出了一种射频同址干扰抑制方法。首先, 建立了IMDD光链路输出功率的数学模型, 并用数学方程描述干扰信号和有用信号的输出功率大小, 通过令干扰信号输出为零时求得方程的解, 获得干扰抑制的条件。然后, 通过Matlab定量计算得到链路中干扰信号和有用信号的输出功率随输入干扰信号功率变化的曲线, 得出干扰抑制的功率输出点, 并分析了半波电压大小对干扰抑制的影响。实验结果表明: 该方法的抑制比可达到-64.5 dB, 且有用信号的输出功率只损失6.4 dBm, 具有优异的干扰信号抑制能力。

为实现业务快速开通和高效维护, 设计了一套智能光纤调度系统。首先利用电子标签对光纤进行标识, 通过光端口发光二极管(LED)实时状态指示和网管信息进行清晰指引, 完成光路的可检测性、感知性和可视化。两方向光路调度实验结果表明, 相比传统光纤调度系统, 采用智能光纤调度系统可有效缩短业务开通时间。

针对室内可见光通信(VLC)系统中存在小区间干扰的问题, 提出一种联合光源布局的多小区协作多输入多输出(MIMO)正交频分多址(OFDMA)VLC系统资源分配算法。首先, 在不影响照明的前提下, 通过优化光源布局, 将小区干扰限制在2个LED覆盖范围内；然后, 引入协作MIMO技术, 以用户公平性为优化目标；最后, 对基于空分复用(SMP)和重复编码(RC)这2种协作模式的MIMO OFDMA VLC系统资源分配性能进行仿真。仿真结果表明: 2种协作模式的MIMO OFDMA VLC系统的性能均优于单输入单输出(SISO)OFDMA VLC系统。基于RC模式的VLC系统对信道相关性鲁棒, 其传输速率约为SISO OFDMA VLC系统的1.2倍。当信道矩阵条件数低于6时, 基于SMP模式的VLC系统因获得较大的复用增益性能更优；当信道矩阵条件数等于2时, 其VLC系统数据传输速率约为SISO OFDMA VLC系统的1.32倍。

为了解决室内可见光定位中成像型定位能耗高、非成像型定位设备复杂的问题, 提出一种基于手机环境光传感器的室内可见光定位方法。首先, 利用频率折叠效应和光源标签识别算法, 求解光源发送的信号原始频率。然后通过提前建立好的光源频率-坐标数据库获取光源位置, 即得到设备位置。实验结果表明: 该方法可在低功耗、低计算量的前提下, 实现光源覆盖小区内部的光源识别与设备定位, 定位精度取决于光源密度。

针对采用马赫-曾德尔(M-Z)干涉结构在低频信号解调时存在静态工作点不稳定和信号失真等问题, 提出了一种基于M-Z干涉结构的低频信号解调方法。对干涉型检波系统相位调制的同时进行相位补偿, 并对通过引入直流滤波器对传统相位生成载波方法进行了改进, 应用软件仿真确定了最佳调制深度, 搭建解调系统进行了低频声波信号的频率与幅度测试实验。实验结果表明: 该方法可以成功解调出幅度为2.5 rad、频率为0.1 Hz的低频信号, 20 Hz的信号频率的线性度高达0.9995。

对于具有超高抗毁要求的网络, 如何通过增量规划配置方式部署资源以提升其业务的动态可恢复性, 提出了一种面向双链路故障的组合式网络增长规划算法(简称CA-DF策略), 建立了整数线性规划(ILP)模型, 并进行了仿真计算。仿真结果表明: CA-DF策略能在添加尽量少的网络资源情况下有效提升业务双链路故障下的动态恢复率。