光通信系统与网络技术

• 光纤无线融合智能传输系统研究进展

  毛军开;张教;朱敏;

  太赫兹通信技术作为第6代移动通信（6G）的核心技术，可以实现更大的传输带宽，有效解决频谱资源稀缺的问题，以满足流量和连接数急剧增长的需求。光纤无线融合（FiWi）通信系统因其高带宽、低时延和灵活覆盖的优势，已成为实现6G太赫兹通信与全场景连接的关键技术。然而，FiWi系统依旧存在线性和非线性损伤、码间干扰（ISI）和相位噪声等一些关键技术挑战。近年来，依靠机器学习（ML）技术强大的数据和模型驱动建模能力的智能信号处理，成了FiWi系统优化的新途径。文章根据ML在FiWi系统的应用，分别从信道模型、后均衡和端到端（E2E）处理3个部分，介绍了较为经典的或是最新的应用于FiWi中的ML技术，并对未来FiWi智能通信系统进行了展望。

  2025年05期 No.251 5-16页 [查看摘要][在线阅读][下载 2024K]
  

• 高速无源光网络技术路线及系统研究

  李婕;罗鸣;李响;

  【目的】随着互联网应用和宽带业务的爆炸式发展，接入网的带宽需求急剧增加。无源光网络（PON）近年来发展迅速，其作为目前宽带接入网中最具应用前景的主流商用技术，需要有更高的数据速率、更广的覆盖范围和更多的终端用户。文章通过对超100 Gbit/s高速PON的技术路线、关键技术及实现方案进行分析，为未来PON系统的实现提供技术支持和指导。【方法】文章首先阐述了未来PON在容量和成本方面的需求，其次介绍了超100 Gbit/s高速PON的技术路线，包括传统的直调直检（IMDD）路线和将长距离中的相干技术下沉到PON网络两个路线方向。并分别阐述了两个方向所需的关键技术，包括数字信号处理、简化相干、突发模式接收、超密集波分复用（UDWDM）和数字子载波复用（DSCM）等技术。最后，根据目前国内外对高速PON的最新研究，对高速IMDD PON和高速相干PON的先进系统方案进行了阐述介绍，论证了超100 Gbit/s PON采用各种最新技术的实际实验效果。【结果】文章通过应用超100 Gbit/s PON的关键技术，实现了多种超100 Gbit/s PON系统，既满足了大容量需求，也兼顾了多用户需求，实验结果也证明了相干技术应用于PON是未来的有力发展方向。【结论】实验证明，相干技术应用于超100 Gbit/s PON能够有效提升网络容量、功率预算及频谱资源利用率，同时也为PON的持续演进提供了空间，是未来PON发展的重要手段。

  2025年05期 No.251 17-24页 [查看摘要][在线阅读][下载 1625K]
  

• 基于神经网络的三阶拉曼放大光传输系统建模

  陈佟;邓黎;王谦;郭小溪;徐健;龙函;黄超;黄丽艳;

  【目的】三阶分布式拉曼放大器（DRA）是目前长距离无中继传输中的光放大前沿技术，与一阶和二阶DRA传输相比，其在传输过程中能实现更优的增益与噪声特性，但传输过程也更为复杂。然而目前对三阶DRA的建模多基于拉曼功率耦合方程，其需要数值方法求解，计算相对复杂。运算量小的建模方法则基于数据驱动型机器学习，需要庞大的数据量，且泛化能力较差。为此需要新的建模方法，在保证模型精度的前提下提升运算速度。【方法】文章提出了一种基于内嵌物理知识型神经网络（PINN）的方案对三阶拉曼放大光传输系统进行建模。该方案能结合数值方法和数据驱动型机器学习的优点，将微分方程的求解转化为优化问题，通过将微分方程以及边界条件等约束作为损失函数，实现神经网络的训练，使得模型兼顾计算的精度与复杂度。【结果】文章搭建了一个120 km的C波段47信道的三阶拉曼放大光纤传输系统，并分别采用数值方法和所提的PINN对系统进行功率预测，结果表明，PINN预测的信号功率与传统的数值方法偏差小于0.19 dB，预测的泵浦光功率则几乎无误差，而运算次数则降低了一个数量级。【结论】PINN能准确预测三阶拉曼放大光传输系统中泵浦光与信号光的功率演化，且相比数值方法显著降低了计算复杂度。

  2025年05期 No.251 25-30页 [查看摘要][在线阅读][下载 1540K]
  

• 基于四波混频效应的边缘检测光计算研究

  张洪波;赵思豪;蔡炬;张敏;万峰;王森;尚德浜;

  【目的】为应对传统边缘检测存在的运算速度瓶颈与高能耗问题，文章提出了一种基于四波混频（FWM）效应的边缘检测光计算方法。【方法】该方法利用FWM效应完成边缘检测中梯度计算的乘法运算，随后利用数字信号处理技术完成边缘检测。为验证其处理速度与检测准确性，文章利用FWM效应完成边缘检测并构建了可实现10 Gbit/s高速图像处理的仿真平台，深入研究了载波频偏与卷积核类型对检测性能的影响。【结果】结果表明，在系统性能方面，该方法的能耗和时延分别为0.25 pJ/bit和0.98μs，优于传统计算方案。此外，文章深入研究了载波频偏对边缘检测结果的影响。当承载边缘检测结果的信号与承载卷积核的载波信号中心频率间隔10 GHz时，二者频谱显著重叠，相关性系数仅为0.151 64。当承载卷积核的载波频偏为图像数据载波频偏的两倍时，采用水平或垂直方向卷积核进行边缘检测会受到显著干扰，相关性系数最低降至0.249 9；而在相同条件下，采用全方向卷积核则能够显著提升检测性能，相关性系数最高可达0.947 22。【结论】研究表明，该方法能进行高速乘法运算，而且通过合理调整载波频偏和优化卷积核选择，可进一步提升检测精度。

  2025年05期 No.251 31-37页 [查看摘要][在线阅读][下载 1591K]
  

• 高速相干光通信中一种改进的EEPN补偿算法

  刘群;

  【目的】均衡增强相位噪声（EEPN）是限制高速相干光通信中传输距离提高的主要因素之一，为了减少EEPN的影响，进一步提高光传输距离，需要基于1/f(f表示频率)相位噪声模型对比EEPN效应对传输距离的影响。同时，为了减少EEPN代价，文章提出了一种改进的EEPN补偿算法，并进行了仿真对比。【方法】文章通过理论分析，给出了EEPN研究时1/f相位噪声模型的建模方法，并针对现有数字子载波联合的相位噪声补偿算法在大色散无收益的问题，提出了一种新颖的基于多子载波联合与色散走离对消的改进算法。文章利用Matlab仿真软件对比了不同1/f相位噪声模型下EEPN代价差异和改进方案的性能收益。【结果】结合理论分析和仿真对比不同1/f相位噪声曲线，结果表明，低频相位噪声越小、线宽越小，EEPN越低。改进的EEPN补偿算法在不同色散下均能看到明显的性能收益，在20 000和30 000 ps/nm下，性能收益分别在0.2和0.3 dB左右。【结论】除减少激光器线宽外，减少激光器低频相位噪声也是改善EEPN代价的一种有效方式，同时，改进的相位噪声估计方法克服了现有算法在大色散下无收益的问题，这对进一步提高光传输距离具有重大意义。

  2025年05期 No.251 38-44页 [查看摘要][在线阅读][下载 1892K]
  

• 基于YOLOv10的无人机复杂背景下多尺度检测模型

  黄毅;周纯;刘欣军;陈庆;

  【目的】针对无人机（UAV）航拍图像中复杂背景下多尺度目标检测挑战，文章提出了一种基于YOLOv10模型改进的轻量化检测模型，以提升UAV在复杂背景下多尺度目标的检测性能。【方法】在YOLOv10模型的基础上，文章首先引入了多通道逆残差模块（MCIR），该模块通过利用多通道处理策略与逆残差（IR）结构，提升了模型在复杂背景中对多尺度目标的特征提取和融合能力；其次，文章在跨阶段部分（CSP）双卷积瓶颈层（C2f）基础上引入了卷积块注意力模块（CBAM）注意力机制得到C2f-CM，增强了复杂背景中对特征目标的定位能力；随后，文章基于MCIR和C2f-CM对YOLOv10模型的骨干网络（Backbone）和颈部网络（Neck）进行了轻量化处理，主要是在Backbone中减少下采样次数以保留更多的特征信息，在Neck中通过优化上采样和特征拼接操作，减少网络层数和复杂度，进一步降低计算开销；最后，文章将原损失函数优化为FocalEIOU，能够更精准地匹配预测框和真实框，并有效解决数据集中样本不平衡问题。【结果】实验结果表明，改进后的轻量化目标检测（LED）-YOLOv10模型相较于原始YOLOv10模型，在mAP50（平均精度）上提升了9.8%，达到了44.5%；参数量和模型大小分别减少了65.68%和51.60%，降至0.927 MB和2.700 MB。消融实验进一步验证了改进模块MCIR、C2f-CM和Focal-EIOU的有效性，显示其在提升检测精度的同时，显著降低了模型的复杂度。对比实验结果表明，LED-YOLOv10在复杂背景下的多尺度场景中综合表现最优，检测精度和模型大小均优于其他目标检测算法，检测速度也能够满足实时检测的需求。在嵌入式设备Jetson Nano中对该轻量级模型的综合性能评估也进一步表明，LED-YOLOv10更适合在资源受限的嵌入式平台部署使用。【结论】文章提出的LED-YOLOv10模型，显著提升了UAV航拍图像中复杂背景下多尺度目标检测的精度，并大幅度减少了模型参数量和大小。实验结果和检测效果也验证了文章所提方法在复杂背景下多尺度目标检测中的优越性，为UAV目标检测提供了一种高效、轻量的解决方案。

  2025年05期 No.251 45-52页 [查看摘要][在线阅读][下载 1887K]
  

光电器件研究与应用

• 1 060 nm小发散角准直半导体激光器的设计与仿真

  欧阳越华;黄龙鑫;朱政龙;叶楠;宋英雄;潘教青;张冶金;

  【目的】对于1 060 nm波段高功率激光器，边发射半导体激光器（LD）相比常用的固体激光器有着效率高、成本低、可靠性高和体积小等优点，但其输出光的远场不对称且光束发散角较大。文章的研究目的是在1 060 nm波段基于边发射LD远场理论模型对激光器的波导结构进行优化设计，以改善其远场光斑对称性并降低发散角，实现其近准直出射。【方法】在研究方法上，文章首先根据3层平板波导理论分析了边发射LD的远场发散角与其近场光斑的关系，然后利用Lumerical有限时域差分（FDTD）仿真软件仿真设计边发射LD的波导结构及其近场光斑，尤其是对特殊微结构的设计，从而改善远场特性。【结果】文章利用Lumerical FDTD软件仿真设计了一种带有倾斜侧壁槽的微结构LD。LD工作波长为1 060 nm，结构具有薄渐变折射率层、单量子阱（SQW）有源层以及非对称宽波导层，近出射端的脊波导处均匀分布了特殊结构的倾斜侧壁开槽。仿真结果显示，该设计的脊波导LD获得了2.7°的垂直远场发散角；而且达到了近准直水平出射，发射角度低至约1°。【结论】文章的工作从模拟仿真的角度验证了通过开槽激光器槽侧壁倾斜角度进行光束控制的可行性。通过设计边发射LD垂直波导结构以及槽结构参数，实现了边发射LD的低远场发散角以及近准直出射。

  2025年05期 No.251 53-58页 [查看摘要][在线阅读][下载 1597K]
  

• 一种具有双陷波的超宽带滤波器设计

  李君;张杨;刘金仙;何小春;

  【目的】文章旨在提高超宽带（UWB）通信系统的通信质量，并消除来自其他无线窄带通信系统的干扰。为此设计了一款基于新型多模谐振器的UWB滤波器。【方法】首先，通过非对称耦合结构和耦合谐振器结构创新性地引入了两个陷波，两个陷波分别位于6.0和7.6 GHz频段，有效屏蔽了C频段与X频段信号对UWB通信系统的潜在干扰；其次，针对扇形多模谐振器难以引入陷波的难题，提出了扇形圆环谐振器与开路线谐振器级联的解决方案，成功实现了陷波功能。【结果】通过电磁仿真软件的验证，该UWB滤波器的工作频段为3.68～10.20 GHz，相对带宽超过96%，且在整个工作频段内插入损耗小于1 dB。尤为关键的是，在6.0和7.6 GHz处，滤波器展示了显著的陷波特性，陷波深度均超过-20 dB，显著降低了杂散信号对UWB系统通信质量的潜在影响。【结论】文章所设计的UWB滤波器不仅确保了室内UWB系统的通信质量，还通过引入陷波功能有效抑制了外部干扰，为UWB通信系统的稳定运行提供了重要保障。

  2025年05期 No.251 59-63页 [查看摘要][在线阅读][下载 1432K]
  

• 基于逆向设计的氮化硅光功率分配器

  刘志强;石沅林;张建华;郭精忠;

  【目的】针对传统光功率分配器设计灵活度低和尺寸大的问题，文章提出了一种基于逆向设计的氮化硅（Si_3N_4）光功率分配器。【方法】文章所提光功率分配器采用二维（2D）与三维（3D）拓扑优化（TO）的协同设计，在8μm×8μm设计区域内实现了光的均匀分配。【结果】通过2D TO，该器件在1 450～1 650 nm波长范围内的插入损耗（IL）仅为0.050～0.089 dB。以此为基础，将2D优化得到的部分二值化数据导入作为初始结构进行3D TO，充分考量垂直方向上的光场约束与泄漏等问题，在相同波段内的IL为0.133～0.168 dB，相比2D TO时略有增加，但与预期相符，展现出了器件优异的宽带低损耗特性。仿真结果显示，设计区域长度和宽度在±100 nm的范围内变化时，对光功率分配器的性能基本没有影响，表明该光功率分配器具备较大的制造容差，具有较高的鲁棒性。【结论】文章所提工作显著提升了光功率分配器的性能、集成度与可制造性，为高密度光子集成电路提供了关键器件支撑。

  2025年05期 No.251 64-71页 [查看摘要][在线阅读][下载 1627K]
  

• 感温触头光纤引线封装优化及其响应特性表征

  万家乐;杨艳;刘胜男;潘玖庆;史会轩;

  【目的】光纤传感器有着尺寸小、重量轻和抗电磁干扰等优点，在电力系统中应用广泛。文章针对电流互感器检定装置可动触头的温度检测需求，提出了一种光纤引线封装设计及其理论模型和光纤布拉格光栅（FBG）温度传感器。【方法】文章通过毛细铜管封装光纤串上的一对FBG，实现单传感器对两个触头的温度测量。设计了螺旋线-直线-螺旋线的结构封装光纤引线，在满足检定装置触头在工作时的位移的同时减小了光纤的弯曲损耗。利用ANSYS有限元分析软件对封装后的光纤引线变形进行了仿真分析，并建立了螺旋线光纤弯曲损耗数学模型，利用模型计算对不同高度下的螺旋线结构进行了设计优化。同时搭建了弯曲损耗实验平台对折射率突变型单模光纤在不同弯曲半径下的强度损耗进行了标定；搭建了温度实验平台对传感器的温度特性进行了测试验证。【结果】实验结果表明，当触头工作位移10 mm时，理论计算得到该光纤封装结构的弯曲损耗为0.066 dB，与实验测量值误差为3.1%，该封装结构的弯曲损耗小。使用毛细铜管封装后，两FBG在0～100℃的温度灵敏度分别为12.50和12.26 pm/℃；曲率半径的平方R~2分别为99.97%和99.96%，线性度良好；两FBG的温度响应速度分别为0.84和0.82 s，响应速度快。【结论】文章提出了一种用于可动触点的光纤封装结构及其数学模型，该结构为光纤传感器在复杂电磁环境中的温度测量提供了新的布设方案。

  2025年05期 No.251 72-78页 [查看摘要][在线阅读][下载 1768K]
  

光纤光缆技术与应用

• 基于AR-HCF的OPGW雷击电磁耦合抑制及偏振态稳定性研究

  孙红光;邓黎;吴斌;柏云龙;罗鸣;邱英;刘骋;梅亮;吴岩;祁庆庆;马鹏飞;桂吟秋;

  【目的】在电力与光通信网络融合场景中，光纤复合架空地线（OPGW）面临的雷击电磁干扰已成为制约系统可靠性的关键技术瓶颈。当OPGW光缆遭受雷击时，雷击引发的瞬态电磁干扰会导致光信号偏振态（SOP）产生剧烈波动。此类波动一旦超出接收端偏振跟踪模块的容限范围，将导致信号SOP恢复失准，显著提升误码率（BER），严重时可引发通信链路中断。有效抑制此类电磁干扰已成为提升系统可靠性的关键技术挑战。【方法】文章提出以反谐振空芯光纤（AR-HCF）替代常规实芯光纤作为OPGW光缆的核心传输介质，重点研究雷击作用下光SOP的演变机制。通过构建对照实验平台，将AR-HCF与单模实芯光纤置于等效雷击环境（峰值电流62.8～65.2 kA，波形10/350μs），同步对比观测两者SOP的动态响应差异。【结果】实验表明：AR-HCF凭借低介电常数空气波导结构，有效抑制了雷击电磁场的耦合效应，其偏振态旋转（RSOP）稳定在0.1～0.2 krad/s区间内，波动幅度远低于常规实芯光纤（后者RSOP波动范围达1～15 krad/s）。【结论】文章明确了雷击电流幅值-时间特性与RSOP的关系，以及AR-HCF的偏振参数（S_1/S_2/S_3）与实芯光纤的定量关联规律，实验结果表明，使用AR-HCF的OPGW光缆电磁耦合得到抑制，SOP更稳定，该研究为新一代抗雷击OPGW光缆的智能监测系统研发及光缆成本控制提供了理论支撑和新的方向。

  2025年05期 No.251 79-83页 [查看摘要][在线阅读][下载 1461K]
  

• 基于光纤光栅的锂电池表面物理场监测

  胡胜;李景琦;何怡婷;李莹莹;刘聪;何博琨;宋海娜;

  【目的】光纤布拉格光栅（FBG）传感器因其非侵入性、成本低和安装便捷等优势，在锂离子电池（LIBs）表面状态监测中展现出广泛应用前景。然而，传统单点式或低通道数布设方案难以全面捕捉电池表面热-机械行为，影响对内部电化学过程的有效解析。【方法】针对此问题，文章设计并构建了一套由6通道、24个FBG组成的高密度传感阵列，黏附于三元LIBs单体表面，实现多点温度和应变的同步监测。【结果】结果表明，常规C率循环中监测到电池表面温升可达25℃，应力峰值约900με，循环结束后表面最大应力累积为450με。在正常C率下，电池的温升和应变与C率呈正相关。但在高C率下，过快的充放电速度不能满足温度、应力的转移与累积需要在较长时间内完成的要求。监测结果反映出电化学过程引发的电池温升、体积膨胀及应力传导效应。【结论】该FBG传感系统能够实现对LIBs热-机械状态的原位感知，获取温度与应力的空间分布信息，有利于监测LIBs的热失控及形变故障，研究结果可为LIBs电化学演化机理提供有效的实验依据。

  2025年05期 No.251 84-89页 [查看摘要][在线阅读][下载 2005K]
  

• 基于分类器置信度的DAS信号定位和识别技术

  蔡超;秦知航;李璐;桂恒立;刘汗清;贺韬;甘义霖;闫志君;孙琪真;

  【目的】为解决分布式光纤振动传感系统中目标事件模式识别率低和事件源定位准确性弱等问题。【方法】文章提出了基于相邻传感单元的分类器置信度分布联合分析方法，利用分布式声波传感（DAS）技术的光纤分布式特点，联立分布式光纤上多个相邻传感单元对外界目标信号数据进行分析，将每个传感单元所探测到的外界振动信号数据送入支持向量机（SVM）分类器进行计算，得到各个传感单元对应的预测事件置信度值。在事件模式识别端，根据各个传感单元对应的预测事件置信度值分布，结合反向传播（BP）神经网络实现目标事件的模式分类；在事件源定位端，提出了一种基于事件置信度空间距离定位算法，根据事件置信度空间距离加权公式对相邻传感单元对应的事件置信度空间分布进行计算，实现外界事件的定位。【结果】对文章所提算法进行了相应的实验测试，测试结果表明，该算法对外界4类扰动事件平均识别准确率高达94.85%，且事件源的定位精度高于90%。【结论】文章所提技术解决了DAS系统中目标事件类型识别准确率低、事件源精准定位困难的问题。

  2025年05期 No.251 90-95页 [查看摘要][在线阅读][下载 1658K]
  

• 基于FBG的薄板空间形状重构误差分析

  茶映鹏;蔡建军;彭星玲;

  【目的】为实现板状结构空间形状快速和准确地检测和重构，将4点光纤布拉格光栅（FBG）串封装到高锰钢薄板表面制成形状传感单元，利用FBG质轻、径细、灵敏度高、抗电磁干扰和可波分复用等优点，文章结合重构算法实现了薄板结构的形状传感和可视化重构。【方法】文章分析了温度修正后的薄板曲率传感与空间形状重构原理，进行了基于FBG薄板结构的温度和曲率标定实验。根据拟合温度灵敏度、曲率灵敏度以及曲率与波长变化量的表达式得到6种情况下的曲率组合，再利用线性插值、二次函数插值或三次样条曲率插值算法对曲率进行插值，得到更多的离散曲率点。通过对曲率进行坐标变换得到薄板的坐标信息后，利用B样条曲面重构薄板的空间形状。【结果】实验测得薄板的曲率灵敏度分别为-0.154、-0.248、-0.257和-0.235 nm/mm，经温度修正显著降低了曲面重构误差，线性插值、二次函数插值和三次样条插值的平均相对误差R_(mean)分别为2.47%、2.60%和2.21%，其中三次样条插值在单曲率（1.86%）和变曲率（2.04%）曲面重构中误差最小，表现最优。【结论】该方法通过温度修正可有效削弱环境干扰，结合三次样条插值算法能有效提升曲面重构精度，实现薄板结构位移、曲率和形状的同步预测。

  2025年05期 No.251 96-101页 [查看摘要][在线阅读][下载 1927K]
  

• 分布式光纤声波传感及其进展研究

  王龙生;谢欣;姚猛;邹辉;

  分布式光纤传感技术以光纤作为传感传输媒介，通过在光纤沿线位置获取声波振幅和相位并进行处理得到其相应信息，具有体积小巧、灵敏度高、本征绝缘、抗电磁干扰和可多路复用等明显优势，因此在声波探测领域得到了广泛应用。文章首先概述了分布式光纤声波传感（DAS）系统的结构及其解调方法，对空间分辨率与传感距离、响应频率和信噪比提升层面发展进程进行了论述。接着介绍了DAS系统在周界安全、地震波探测、铁路监测和电力监测应用领域的发展。最后，对DAS系统的未来进行展望，首先需要注意在保持优良信噪比的情况下尽可能延长距离以及提高精度；其次，需要解决不同场景下应用的适应性问题，以确保工作时具有良好的稳定性；最后，需要探索光纤传感与其他学科多领域结合的方法。

  2025年05期 No.251 102-111页 [查看摘要][在线阅读][下载 1829K]
  

• 基于DAS探测的动态缆紧固状态监测研究

  孙红军;郭诗然;蒋雪蕾;安博文;陈元林;王庆松;

  【目的】深远海浮式风机的动态缆从海面入海直至敷埋于海床，动态缆的可靠性对于浮式风机的安全稳定运行至关重要。文章针对动态缆紧固点的监控难题，提出了一种有效的解决方案，并验证了其在实际应用中的效果。【方法】为了实现这一目标，采用分布式光纤测温和声波探测技术，以获取动态缆沿线的温度和扰动信息，这些数据为后续的分析和处理提供了基础；利用沿线温度特征实现了监测点的空间定位，将浮式风机上弯点、浮筒点和锚链点确定为重点监测位置；对这些监测点的频域特征进行分析和识别，结果显示，3个监测点之间相互识别率达到91%；最终，基于训练得到的识别模型提出了一种利用识别率进行紧固状态异常监测的方法。【结果】文章所提方法能够有效地监测动态缆紧固点的状态变化，并在发现异常情况时及时反应，从而保障了浮式风机的安全稳定运行。【结论】文章所提方法可用于动态缆扰动状态的分析和紧固点状态的在线监测，为深远海浮式风机的运维提供重要的数据支持。通过此方法，运维人员可以及时发现并处理紧固点的故障，保障浮式风机的稳定性和安全性。这为深远海浮式风机的运维提供了重要的技术支持，具有一定的实用价值和推广意义。

  2025年05期 No.251 112-117页 [查看摘要][在线阅读][下载 1860K]
  
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