南邮团队构建空天海一体化全光通信网络，开拓无线通信新领域

从某种意义上讲，现代无线通信技术的发展史，便是通信频率由低向高进化的历程。

然而，随着技术的进步与普及，原有的射频通信频谱逐渐饱和，而极高频及至高频等高频率射频技术的开发尚面临众多挑战。

于是，另一种频率更高、频谱更宽的技术路线无线光通信，便吸引了学界更广泛的关注。

事实上，无线光通信并非新兴技术，对我们而言也并不陌生。从中国古代的烽火台，到第一次世界大战时期的光电电报，其应用历史远比射频通信悠久。

然而，受限于光的穿透性弱、衰减速度快等缺陷，这项技术长期以来并未成为主流的通信技术。

尽管近年来，半导体光源、光电检测与信号处理等相关技术在不断地进步，但高速无线光通信的研究仍主要停留在模拟阶段，与实际应用脱节。

即便某些研究已经实现实时传输，但它们通常只适用于特定场景，而无法与其他通信系统互通。

基于此，南京邮电大学王永进教授带领的团队与苏州亮芯单片光电科技有限公司合作，提出并构建了一种空天海一体化全光通信网络（All-Light Communication Network，ALCN）技术。

图丨ALCN 概览（来源：Optic Express）

为适应不同应用场景，该技术整合了四种特定波长的光通信技术建立其通信链路。

考虑到纯净海水对蓝绿光的低吸收率使其能在水下实现远距离通信，课题组成员在水下采用了蓝光通信（Blue Light Communication，BLC），用于控制无人水下航行器或在水下设备与浮标间建立通信。

在中性密度（Neutral Density，ND）因子为 256、浊度为 1.7 的游泳池中，BLC 链路的传输距离可达 12 米，并能在 20 度角度范围内建立通信连接。

但浊度的增加和水流的加剧可能会导致接收信号减弱和光学自干扰，需通过调整光学和电学增益来解决这些问题。

在海面之上的部分，研究人员首先使用的是无线白光通信（White Light Communication，WLC），这一技术能在陆地上实现 150 米范围内的通信，适用于海面信标、浮标与船只之间，以准确报告海洋状况。

其次，为了避免阳光的干扰，该课题组选择了日盲深紫外通信（Deep Ultraviolet Communication，DUVC）与无人机等机载设备建立连接。在强光环境下，DUVC 链路能在最大 7 米范围内实现日盲通信。

需要注意的是，尽管这些基于 LED 的通信技术发散角更宽，但也存在接收光功率较低的缺陷。

因此，针对在自由空间进行的点对点远距离通信，研究团队选择了高光功率定向光为基础的激光二极管通信（Laser Diode-based Communication，LC）。

由于激光二极管发散角较小，LC 链路需借助稳定器和姿态传感器保持通信过程中的精确对准。

该网络利用以太网交换机（Ethernet Switches）和 Wi-Fi 技术连接不同的光通信链路，实现不同网络节点间的信息共享。

这种灵活的接入方式极大拓宽了 ALCN 的应用范围，从传感器到个人计算机，再到移动设备，有线与无线设备均可通过这种网络交换数据。

并且，所有的无线光通信链路均采用注册插座（RJ-45）网络接口，统一了传输模式，使网络的部署和维护过程得以简化。

为满足更广泛的终端接入需求，ALCN 网络通过串联多个以太网交换机扩展接口数量，确保在多终端部署情况下，网络的连通性和稳定性不受影响。

图丨ALCN 框架示意图（来源：Optic Express）

在实验中，ALCN 展现了优异性能。整体平均功耗为 155 瓦，其中四个光通信链路占总功耗的 77.42%。

通过持续 3.5 小时测试，光链路功率保持稳定，显示出足够的稳定性与可靠性。

使用伪随机二进制序列（Pseudorandom Binary Sequence，PRBS）信号测试时，BLC 链路和 DUVC 链路均展现清晰的眼图，表明信号质量良好，传输效果显著。

在各链路中，DUVC 和 LC 链路表现突出，通过偏置模块，两种链路可实现 10Mbps 的传输速率，在满足 Xilinx Spartan-6 现场可编程门阵列的时序限制的同时，还能容纳更大的节点数据负载。

由于蓝光与白光 LED 的 3-dB 带宽较低和电流需求较高，BLC 和 WLC 链路的吞吐量则相对较低，最大传输速率为 2Mbps。

另一方面，ALCN 在数据包丢失率（Packet Loss Ratio，PLR）、延迟和抖动等关键量化指标方面也表现出色。

当使用最大传输单位 1514 字节进行测量时，整个 ALCN 的 PLR 为 2.78%，最大 PLR 为 5.80%（除自检点外），其传输延迟低于 74 毫秒，最大抖动为 15 毫秒。

（来源：Optic Express）

显而易见，ALCN 为未来实现多终端、多服务应用的空天海互联提供了一种前景广阔的方案。

近日，相关论文以《用于空天海一体互联的全光通信网络》（All-Light Communication Network for Space-Air-Sea Integrated Interconnection）为题发表于 Optic Express[1]。

南京邮电大学博士研究生王林宁为第一作者，王永进教授担任通讯作者。

图丨相关论文（来源：Optic Express）

接下来，研究人员计划通过波分复用技术解决 LED 引起的瓶颈问题，弥补 BLC 和 WLC 链路的传输速率较低的不足，从而提升全光通信网络的整体吞吐量。

参考资料：

1.Linning Wang, Yingze Liang, Ziqian Qi, Pengzhan Liu, Zheng Shi, Hongbo Zhu, and Yongjin Wang, "All-light communication network for space-air-sea integrated interconnection," Opt. Express 32, 9219-9226 (2024).https://doi.org/10.1364/OE.514930

支持：邹名之

运营/排版：何晨龙

科学家造出全谱段白光激光器，或催生新型光谱学检测手段

近日，华南理工大学教授李志远团队成功造出一台全谱段白光激光器，其具备光斑明亮、光谱光滑且平坦、大脉冲能量的特点，能覆盖 300-5000nm 的紫外-可见-红外全光谱，单脉冲能量达到 0.54mJ。

这样一台全谱段白光激光器的面世，可用于构建全谱段的超快光谱学探测技术，有望将激光技术推至世界领先水平，从而更好地服务于前沿研究。

图 | 李志远（来源：李志远）

基于本次成果，课题组将进一步构建全谱段的超快光谱学探测设备，届时有望对物质内部多个波段中的物理、化学和生命过程开展超快的精密探测，从而实现高速摄谱的技术能力，进而用于开展二维材料、锂离子电池、化学催化等领域的研究。

本次研究中所涉及的光谱学技术，可以覆盖深紫外-可见波段的原子以及分子的电子跃迁吸收谱，也能覆盖近红外波段的半导体带间电子跃迁吸收谱、以及中红外波段的分子振动等。

借此可以打造一种崭新的光谱学检测手段，对于那些使用传统手段所无法揭示的新现象和新规律，本次新手段很有希望填补相关空白。

（来源：Light: Science & Applications）

鉴于光学波段的光子和物质的电磁相互作用强度以及灵敏度，远远超过 X 射线光子与物质原子核、以及内壳层电子的电磁相互作用。而且，即便是 1mJ 量级的全谱段白光飞秒脉冲激光的光子亮度，也远远超过目前同步辐射 X 射线光源的亮度。

“因此，全谱段白光激光器在物质科学和生命科学中所发挥的作用，也有望超过传统的同步辐射 X 射线光源。”李志远表示。

日前，相关论文以《强紫外-可见-红外全谱段激光器》 （Intense ultraviolet–visible–infrared full-spectrum laser）为题发在 Light: Science & Applications，华南理工大学博士生洪丽红是第一作者，华南理工大学李志远教授、中国科学院上海光学精密机械研究所（上海光机所）李儒新院士担任共同通讯 [7]。

图 | 相关论文（来源：Light: Science & Applications）

助力解决 Science 125 个待解难题之一

据介绍，作为一种崭新的激光光源，超宽带白光激光具有极宽带宽、高光谱平坦度、大脉冲能量、高峰值功率、高时空相干性等五大优点，能极大拓展激光技术的发展和应用范围。

而如何构建一台覆盖紫外-可见-红外波段的全谱段白光激光器，同时拥有高峰值功率和高脉冲能量，是一个极具挑战的宏大目标。

2020 年，Science 杂志将其列为 125 个前沿重大科学问题之一。主要原因在于，基于目前纯粹单一的激光器技术、二阶非线性变频技术、以及三阶非线性频率展宽技术，远不足以解决这一问题。

过去十年，李志远团队基于自主开发的啁啾结构非线性铌酸锂晶体，结合大脉冲能量、高峰值功率的飞秒脉冲激光泵浦，利用二阶和三阶非线性协同作用的原创性物理机制，提升了白光飞秒激光的转换效率、频谱带宽、脉冲能量、光谱平坦度等指标。

要想产生全谱段白光飞秒激光，需要达到两个先决条件：带宽超过一个光学倍频程的强泵浦飞秒激光光源，以及具有极大非线性频率上转换带宽的非线性晶体。

不过，要想同时满足上述两个条件并非易事。为此，课题组使用光学参量啁啾脉冲放大技术，以及使用由充气空心光纤、纯铌酸锂晶体材料和啁啾极化铌酸锂晶体组成的极宽带非线性变频模块，将飞秒激光技术、二阶非线性变频技术、三阶非线性频率展宽技术加以综合，研制了这款全谱段白光激光器。

其中，二阶和三阶非线性效应协同作用的原创性物理机制，是打造本次全谱段白光激光器的秘密。

上述机制的好处在于，能够清除二阶非线性或三阶非线性方案中所存在的输出光谱性能不佳的限制。

李志远表示：“全谱段白光激光有望成为激光技术发展历史上的一个里程碑，并能很好地回答 Science 杂志 2020 年的 125 个最前沿的科学问题，即人类能否造出与太阳光相似的非相干强激光。”

（来源：Light: Science & Applications）

让中国学界真正拥有属于自己的实验设备

多年来，学界一直渴望产生像太阳光一样的白光激光。紫外-可见-红外全谱段白光激光的产生，则一直是激光技术等待攻克的堡垒，也是李志远团队努力追求的目标。

十年来，该课题组历经 8 次阶段性成果的积累，才造出了上述全谱段白光激光器。

2014 年，该团队将啁啾调制的概念引入一维铌酸锂晶体的周期设计中。在可调谐近红外光源的帮助之下，设计出多个不同啁啾度的准相位匹配晶体，让二次、三次谐波产生的非线性过程的相位失配，能够在单个晶体中得到补偿，借此实现宽带可调谐三基色光源的同时输出，也拉开了课题组“白光激光”之梦的序幕。

2015 年，李志远让学生陈宝琴开展啁啾结构铌酸锂晶体中六次谐波产生的研究。在实验的关键阶段，李志远去现场看学生做实验，结果发现了又圆又白的激光束产生，这完全出乎意料之外。李志远觉察到这是一个“好东西”。

仔细分析之后，确定啁啾结构铌酸锂晶体产生了二到八次谐波。在一个固体材料中产生高次谐波，这是一个前所未有的科学发现，也让课题组开始树立“白光激光”的梦想。

随后，他们设计了啁啾结构非线性光子晶体，以中红外飞秒脉冲激光为泵浦源，在单块晶体中同时产生了超宽带二到八次谐波。其中，四到八次谐波形成 400-900nm 超宽带可见白光激光，其转换效率达到 18%。

2014 年和 2015 年的这两项工作表明：该团队自主研发的铌酸锂晶体二阶非线性方案，可以支持宽带二次谐波产生。同时，也能支持宽带二次谐波和三次谐波产生，甚至支持基于级联三波混频的高次谐波产生，最终可以实现超宽带可见白光激光的产生。

而要想产生全谱段白光飞秒激光，就需要继续深挖上述方案的潜能，以便满足产生全谱段激光所需要的苛刻条件：即泵浦激光脉冲带宽要足够宽，非线性晶体材料的准相位匹配带宽要足够大。

2018 年，课题组选用更高能量的近红外飞秒脉冲激光作为泵浦源，针对相关泵浦条件设计出一款啁啾结构铌酸锂晶体，这块晶体在不同偏振状态之下，均能同时产生二次谐波和三次谐波。

通过此他们首次发现了二阶和三阶非线性协同作用的新物理机制，并证明这一机制能够显著提升相关性能的指标。利用级联二次谐波和三次谐波方案，他们生成了 400-900nm 可见-近红外波段的可调谐白光激光，转换效率达到 30％。

这一发现，也促使他们去发现产生白光激光的更优路线，即基于二阶和三阶非线性协同作用产生超连续白光激光的方案。

在新路线的指导之下，他们设计出一块能同时产生二到十次谐波的宽带白光非线性晶体材料。针对这款白光非线性晶体材料，他们又采取 45μJ 脉冲能量的 3.6μm 中红外飞秒脉冲激光泵浦的设计方案，借此产生 25dB 带宽、覆盖 350-2500nm 的紫外-可见-红外超连续白光飞秒激光，单脉冲能量为 17μJ，转换效率为 37%。

在此基础之上，他们继续优化二阶非线性和三阶非线性协同效应。期间，该团队发现石英玻璃的三阶非线性效应远远优于铌酸锂晶体，而特殊设计的铌酸锂啁啾非线性光子晶体可以同时使用高达十二阶次的准相位匹配。

后来，他们利用 0.5mJ 的钛宝石飞秒脉冲激光器泵浦，来对熔融石英-啁啾极化铌酸锂晶体进行泵浦，最终实现 10dB 带宽覆盖 375-1200nm、20dB 带宽覆盖 350-1500nm 的超连续激光，单脉冲能量为 0.17mJ，转换效率为 34%。

前面提到，课题组期望实现的白光飞秒激光具有五个高指标。因此，在追求极宽带宽范围的同时，他们还得实现更大的脉冲能量、更高的光谱平坦度。

于是，该团队以高能量钛宝石主激光作为泵浦源，针对由熔融石英和啁啾极化铌酸锂晶体组成的级联光模块，对其整体非线性响应进行进一步的操纵，从而显著提高了白光飞秒激光的综合性能。

期间，他们利用 3mJ 脉冲能量的钛宝石飞秒激光泵浦，对石英-超宽带白光非线性晶体级联模块进行熔融，基于二阶和三阶非线性协同作用的高效超宽带二次谐波产生方案，实现了 mJ 量级、3dB 带宽覆盖 385-1080nm 的超宽带白光飞秒激光。

此外，自 2018 年起课题组联合一家外部公司研制了 3mJ/50 fs/1 kHz 钛宝石飞秒激光器，实现了相关仪器的国产替代。并以此作为泵浦源，和白光非线性变频模块加以结合，从而形成了成熟高效的白光飞秒激光生成方案，借此造出一款白光飞秒激光整机设备。

以上成果也促使他们进一步思考：如何产生覆盖一到十次谐波的全谱段白光激光？

为此，他们与上海光机所李儒新院士团队合作，提出一款非线性级联装置。这种装置可以满足以下两个条件：一个较强的带宽达到光学倍频的中红外泵浦激光光源；以及一个具有极大非线性频率上转换带宽的非线性晶体。

随后，他们基于光学参量啁啾脉冲放大技术，研制出一种中红外飞秒脉冲激光器，它具有 3.5mJ、3.9μm 中心波长，可以起到泵浦激光光源的作用。

接着，基于宽带二阶和三阶非线性变频模块，他们获得了光谱范围 25dB 带宽、覆盖 300-5000nm 的全谱段超连续白光飞秒激光。

“至此，我们欣喜地发现借助强中红外飞秒激光作为泵浦源已经成功走通了全谱段白光激光产生的道路。”李志远表示。

（来源：Light: Science & Applications）

总的来说，课题组已经实现了“三高”型白光飞秒激光：大单脉冲能量（第一高）、300-5000nm 的频谱宽度（第二高）、高光谱的平坦度（第三高），基本涵盖了铌酸锂晶体的全部透光范围。

接下来，他们将继续与李儒新院士团队合作，朝向更高目标前进，力争实现深紫外-紫外-可见-近红外-中红外-远红外的“三高”全谱段白光飞秒激光。

假如可以实现，就能建造比拟同步辐射光源、以及自由电子激光光学波段的全谱段超连续激光光源。“届时，相信我们中国科学界将拥有属于真正自己的研究物质科学和生命科学的实验设备。”李志远最后表示。

参考资料：

1.Baoqin Chen, Mingliang Ren, Rongjuan Liu, Yan Sheng, Boqin Ma, Chao Zhang, and Zhi-Yuan Li*, Simultaneous broadband generation of second and third harmonics from chirped nonlinear photonic crystals, Light Sci. Appl. 3, e189（2014）.

2.Baoqin Chen, Chao Zhang, Chenyang Hu, Rongjuan Liu, and Zhi-Yuan Li*, High-Efficiency Broadband High-Harmonic Generation from a Single Quasi-Phase-Matching Nonlinear Crystal, Phys. Rev. Lett. 115, 083502（2015）.

3.Baoqin Chen, Lihong Hong, Chenyang Hu, and Zhi-Yuan Li*, White laser realized via synergic second- and third-order nonlinearities, Research 2021, 1539730（2021）.

4.Lihong Hong, Chenyang Hu, Yuanyuan Liu, Huijun He, Liqiang Liu, Zhiyi Wei, and Zhi-Yuan Li*, 350-2500 nm supercontinuum white laser enabled by synergic high-harmonic generation and self-phase modulation, PhotoniX 4, 11（2023）.

5.Mingzhou Li, Lihong Hong, and Zhi-Yuan Li*, Intense two-octave ultraviolet-visible-infrared supercontinuum laser via high-efficiency one-octave second-harmonic generation, Research 2022, 9871729（2022）.

6.Lihong Hong, Haiyao Yang, Liqiang Liu, Mingzhou Li, Yuanyuan Liu, Baoqin Chen, Huakang Yu, Wenbo Ju, and Zhi-Yuan Li*, Intense and superflat white laser with 700 nm 3dB bandwidth and 1 mJ pulse energy enabling single-shot femtosecond-pulse-laser spectroscopy, Research 6, 0210（2023）.

7.Lihong Hong, Liqiang Liu, Yuanyuan Liu, Junyu Qian, Renyu Feng, Wenkai Li, Yanyan Li, Yujie Peng, Yuxin Leng, Ruxin Li*, and Zhi-Yuan Li*, Intense ultraviolet-visible-infrared full-spectrum laser, Light Sci. Appl. 12, 199（2023）.

相关问答

无线光通信白光led闪烁传递的是模拟信号?

不是单纯的数字或者模拟信号。但是光信号可以传输数字或者模拟信号中包含的信息,具体由发送端和接收端的调制设备决定。光纤只是一种载体.用在通讯上现在大...

未来网络用灯光  ①未来，网络或许是这样：只要有灯光的地...

[回答](1)划线句中“几乎就在英国做出产品的同一时期,我们中国团队也研发出了样机”运用了作比较的说明方法,第二句运用了列数字的说明方法.故选B.(2)D项...

手机屏边有一节白光咋回事?

幕质量问题,触摸层与显示层之间的贴合层开...2、手机排线松动/故障,建议更换排线处理;3、屏幕质量问题,触摸层与显示层之间的贴合层开胶了,建议送修或更换...

为什么光纤通信不能用白光?

激光的单向传播性能好,不容易发散,能量散失少,不会相互干扰白光是复色光,是由多种频率不同的光组成的,成分复杂,在传播过程中各种颜色的光会互相干扰。激光的...

2009年诺贝尔物理学奖由三位物理学家分享．其中，英国华裔科...

[回答]A、用透明的标准平面样板检查光学平面的平整程度是利用光的干涉现象.故A错误.B、用三棱镜观察白光看到的彩色图样是利用光的色散现象.故B正确.C、在...

什么是汽车vlc技术?

可见光通信技术(VisibleLightCommunication,VLC)是指利用可见光波段的光作为信息载体,不使用光纤等有线信道的传输介质,而在空气中直接传输光信号的通信方式...

光电小黄管能干嘛?

光电小黄管具有以下功能。1.光电小黄管可以用于信号传输和通信。它可以将光信号转换为电信号或将电信号转换为光信号,实现信号的传输和通信功能。2.光电小黄...

lyc20摄像头是什么公司的?

1lyc20摄像头是联想出品的。2仔细查看产品介绍和评价可以发现,这款摄像头是来自联想集团下属的品牌联想增值业务事业部。3此外,联想集团是全球知名的电子产...

美推销MQ-9，周边会有引进的吗?

图注:MQ-9,我们最熟悉的就是察打一体型周边来说的话,潜在购买国应该就是印度了。目前也是有消息称,印度会引进MQ-9“捕食者”,印度海军引进海上侦察型的MQ-9...

你听过、看过、写过、经历过哪些暖心的，震撼心灵的，民间传说的小故事?

2008年汶川地震后,广州一名乞丐将自己一分一角乞讨来的钱分4次为灾区一共捐款185元。这位乞丐叫龚忠诚,河南驻马店人。龚忠诚因高烧未及时治疗而导致小儿麻痹...