高速波分复用分布式反馈(DFB)激光器是数据通信的核心器件, 其可靠性影响了整个通信系统的可靠性。对自主研发的25 Gb/s 4波长粗波分复用(CWDM4) DFB激光器进行了2种老化筛选(Burn-in)实验和失效分析, 并采用三温法推算了激光器的工作寿命。实验结果表明: 对激光器采用光加速(25 ℃、100 mA)和温度加速(100 ℃、75 mA)相结合的Burn-in方法能够有效激发薄弱激光器的早期失效特征; 采用三温法推算激光器在60 ℃、45 mA环境下长期工作的实际寿命至少为17年。

为了提高通信速率, 扩展信道容量, 提出了一种采用宽度调制(WM)谐振腔和纳米线波导将电光调制模块和模分复用器模块进行耦合的集成器件, 详细介绍了电光调制器模块和模分复用器模块的原理、结构设计和性能, 并采用Lumerical软件对该集成器件进行了仿真和容差分析。仿真结果表明: 该集成器件在工作波长为1550 nm时可以先进行电光调制, 再进行TE0模与TE1模复用; 2种模式的插入损耗分别为0.186 dB和0.18 dB, 消光比分别为29.6 dB和24.5 dB, 信道串扰分别为-49.57 dB和-49.12 dB, 调制深度均为0.999。

正交(IQ)调制器在传统定标方法中存在定标速度慢和数据复杂难处理的问题, 在一些实际应用场合无法提供相互正交且幅值为2倍半波电压的射频信号。为了解决上述问题, 提出一种基于调制相位的IQ调制器快速精确定标方法, 在不加射频条件下实现对IQ调制器偏置电压的快速精确定标。测试结果表明: 该方法能在45 s左右完成对IQ调制器的定标, 且定标精度较高, 分辨率为10 mV; 能直接控制IQ调制器生成抑制载波的单边带信号。

标度因数是评价光纤陀螺动态性能优劣的一个重要指标, 其误差直接影响光纤陀螺的精度和稳定性。由于热胀冷缩效应陀螺光纤敏感线圈面积与温度呈正相关, 因此提出利用光源的温度特性对陀螺标度因数误差进行线性补偿的方法, 使得后续光纤敏感线圈的温度补偿效果最佳。实验结果表明: 在100 ℃变化范围(﹣40~+60 ℃)内, 使用该方法后, 陀螺标度因数误差由1100ppm减小到620ppm, 大大提高了光纤陀螺标度因数的温度稳定性(光纤敏感线圈温度补偿前)。

为改善可见光链路的保密传输表现, 在分析静态、动态光波束配置下的链路保密容量的基础上, 提出了基于动态垂直非朗伯光波束选择的可见光通信物理层安全表现增强方法, 即根据不同的发射器、保密用户及窃听者位置关系动态地选择垂直候选光波束。量化结果显示: 在典型室内环境下, 相比传统静态朗伯光波束配置, 基于动态垂直非朗伯光波束配置的平均保密容量增益高达3.03 b·s-1·Hz-1, 增益比例高达86%。

为了提高深空星间光通信信道容量、数据传输速率和频谱利用率, 对深空星间光通信链路进行了设计, 搭建了深空星间光偏振复用(PDM)系统。结合激光通信的链路特性, 对不同通信波长、不同传输速率下的PDM系统链路性能进行了仿真, 结果表明: PDM技术可有效提高数据传输速率, 并且有利于深空光通信系统性能的改善。

针对射频(RF)通信容量不高、保密性不强的问题, 提出一种由RF系统和多发射多接收的自由空间光(MIMO-FSO)系统构成的RF/MIMO-FSO混合通信系统。在分析RF系统、MIMO-FSO系统、单输入单输出(SISO)-FSO系统和RF/MIMO-FSO混合通信系统模型的基础上, 仿真对比了这4种系统的的误码性能。结果表明: 相比RF系统和SISO-FSO系统, RF/MIMO-FSO混合通信系统的误码性能得到了显著提升, 在采用相同调制方式下, 比SISO-FSO系统平均提高3个数量级左右。

为了提高激光光斑中心的定位精度, 实现激光稳定输出的功能, 提出了基于四象限探测器的激光稳定集成化系统。首先, 根据四象限探测器的工作原理, 对四象限探测器上光斑的中心位置和偏差量进行理论计算和分析, 然后融合计算机信号处理技术和控制技术对四象限探测器信号进行闭环控制, 并将四象限探测器和光学元器件集成在多轴笼式结构中, 完成了激光稳定集成化系统设计。多次实验数据结果表明: 该系统能100%完成对光斑中心的定位, 稳定性达到94.74%, 3次实验误差的差值最大为2.422 μm。

为了充分利用光纤无线(RoF)系统中的频带资源, 提出了一种基于马赫-曾德尔调制器(MZM)的倍频因子可调谐的RoF系统, 采用波长选择、相干检测、波长重用和数字信号处理(DSP)等技术, 实现了RoF系统上下行链路不同倍频因子信号的输出。仿真结果表明: RoF系统传输16进制正交幅度调制(16QAM)信号时, 上下行链路均可实现多倍频因子可选, 下行链路传输、上行链路传输的最小矢量误差范围分别为5.5%～7%、6.4%～8.6%。

为了提升通信系统的灵活性, 扩大应用范围, 同时降低建设成本, 提出一种多波段信号输出的全双工光载无线系统。在单光源条件下, 通过灵活控制偏振控制器、线性偏振器的角度, 实现3路不同频段的下行矢量信号传输; 利用载波重用和相干检测技术, 实现上行基带信号输出。仿真结果表明: 6 Gb/s四进制正交幅度调制(16QAM)信号经30 km光纤传输后, 下行链路中5 GHz、45 GHz和25 GHz频段输出信号的最小误差矢量幅度(EVM)分别为5.66%、4.03%和2.67%, 上行链路输出信号的最小EVM为4.01%。

为了有效简化表面光栅耦合器的制备工艺和降低制备难度, 设计了一种互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺兼容的高效氮化硅表面光栅耦合器, 采用二维时域有限差分(2D-FDTD)算法对耦合器的结构进行了建模、优化和仿真, 计算并对比了不同结构的耦合器光谱特性。研究结果表明: 在标准绝缘体上硅(SOI)晶圆上, 借助于CMOS后道工艺, 所设计的氮化硅表面光栅耦合器在通信波长1550 nm附近的最高耦合效率为-3.36 dB, -3 dB带宽为101 nm。

针对光网络安全防护问题, 从物理层安全性评估、实验验证2个层面深入研究量子噪声随机加密(QNRC)物理层抗截获传输技术。首先, 介绍了国内外QNRC的发展现状, 凝练了一套物理层安全性评估通用方法。然后, 提出一种基于光域解密的强度移位键控-量子噪声随机加密(ISK-QNRC)实验方案, 针对该方案中高分辨率、高采样速率的数/模转换器制造工艺问题, 提出一种并联ISK-QNRC方案并进行了验证, 结果表明该方案信息传输安全、有效。最后, 分析了QNRC技术的典型应用场景及发展趋势。

高采样速率、高分辨率数/模转换器(DAC)是量子噪声随机加密(QNRC)系统性能提升的核心器件之一, 一直制约着QNRC系统技术发展。为了探究不同的DAC采样速率和分辨率对QNRC系统性能的影响, 采用VPItransmission Maker Optical System 9.1软件进行系统仿真设计.首先, 搭建了介观态功率为-21 dBm、传输距离为1000 km、传输速率为10 Gb/s和密文态数目为28-1的基于相移键控的QNRC系统; 然后, 改变DAC的采样速率、分辨率, 对QNRC系统的性能进行对比分析。分析结果表明: 当DAC的采样速率、分辨率分别为30 Gb/s、6 bit时, QNRC系统的性价比最佳。

为了有效检测输油管道应变, 首先, 提出采用有限元软件对支吊架结构输油管道施加载荷, 仿真管道表面应变分布, 从而优化分布式光纤输油管线应变检测排布方式; 然后, 在实验中将传感光纤沿轴向黏贴于管道外表面, 通过布里渊光时域分析仪(BOTDA)测量光纤布里渊频移, 以对管道表面应变分布进行实时监测。对比仿真和实验数据可知, 管道顶部和底部对应变敏感, 且管道表面应变分布的仿真结果与实验数据基本吻合。

基于“高速化、智能化、自主化”三大应用需求, 提出了新一代光缆通信网总体架构, 分析了光缆通信网骨干层传输体制及关键技术、光缆通信接入层传输体制及关键技术、光缆通信网管控架构及关键技术, 介绍了光缆通信网自主可控架构和发展建议, 可为光缆通信网规划建设、光通信设备开发应用提供参考和指导。

由于光缆较柔软, 在工程操作时容易弯折, 使得装备在航天器舱内的光缆弯曲半径过小。为增强光缆的刚性, 提出了一种宇航用光缆及光缆组件加固设计方案, 在不改变光缆结构的前提下, 按原生产工艺将光缆组件制作完成后, 采用胶带和布进行缠绕保护, 并对光缆组件的相关性能进行试验分析。试验结果表明, 该方案增强了光缆组件整体的刚性, 满足设计要求。

以太网音视频桥接(AVB)通信过程中涉及大量数据, 每包AVB数据多达几千个字节,当无人驾驶车辆以域进行划分时, 各域间系统通信由于AVB数据量巨大和传输速度快导致传递给决策层的数据庞大且处理效率极低, 而实际上决策层仅需处理AVB中有效载荷数据。为确保决策层所需有效数据仅是每包AVB有效数据, 采用Hash散列地址过滤算法和改进的滑动窗口算法来提取有效载荷数据, 并通过一种虚拟通信和实体通信方法将剥离后的有效数据发送至决策层。该方法有效减少了决策层无效数据处理量, 提高了有效数据处理效率并满足实时性要求。