[0001] 本发明属于水下无线光通信技术领域，尤其涉及一种密集波分复用水下无线光通信系统。

[0002] 由于从450nm到550nm的蓝绿色波长具有相对较低的衰减窗口，水下无线光通信(Under water optical communication,UWOC)在清水和大洋水中表现出了高速和低延迟的特性。然而，不同波长的光在同一水质中具有不同的衰减系数，即不同波长的光对于不同水质的通信效果是不一样的。因此，使用单一波长或稀疏蓝绿波分复用技术的传统UWOC难以容忍水浊度的变化。

[0031] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0032] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

[0033] 实施例1：

[0034] 如图1所示，本发明实施例提供一种密集波分复用水下无线光通信系统包括：发射机、水下信道、接收机和数字信号处理(DSP)模块；其中，发射机用于在波长范围为450nm到550nm的低衰减“窗口”内，实现波长范围为450nm到520nm的密集波分复用性能；发射机集成
14种不同波长的蓝绿激光二极管(Laser diodes,LD)用于WDM；每个LD都加载了由任意信号发生器(Arbitrary Waveform Generator,AWG)生成的一系列伪随机二进制序列(Pseudo‑random binary sequence,PRBS)；水下信道使用一个长50米、宽5米的水槽来构建光通信传输信道。放置在两侧短边的两个反射镜使光能够在水下传输200米的距离；接收机包含准直器和衍射光栅，光在水下传播200米后散射成一个不规则的光斑，该光斑由接收透镜收集并在准直器中压缩，衍射光栅用于解复用和分离不同波长的光；DSP模块利用光电倍增管(PMT，Hamamatsu‑H14447，1Gbps带宽)捕捉光信号并将其转换为电信号，然后，电信号由示波器(Tektronix，MSO58B)捕捉，并在计算机上执行信号同步、解码和信道均衡。

[0035] 进一步，实例中发射机的波分复用通过一个14×1合束器实现，如图3所示。该14×1合束器基于自由空间光合束技术制造。14个端面出射的半导体激光二极管，经过空间光整形和合束后形成一个光束。输出光束耦合进纤芯为300μm出射光纤，这可以确保合束光束的传播。

[0036] 进一步，14种不同波长激光二极管(LD)的光谱，其峰值波长为451.7nm、464nm、467.2nm、470.1nm、478.2nm、483.1nm、486.5nm、491.9nm、494nm、496.2nm、506.1nm、
508.2nm、517.1nm和520.5nm，分别对应14个WDM通道的452nm、464nm、467nm、570nm、478nm、
483nm、486nm、492nm、494nm、496nm、506nm、508nm、517nm和520nm。WDM最小信道间隔为2nm。
在波长范围450nm到520nm内，当水质从清水变为近大洋水时，这14个代表波长为450nm到
520nm的密集WDM提供了足够的通道。

[0037] 实施例2：

[0038] 如图2所示，本发明实施例提供一种密集波分复用水下无线光通信系统包括：发射机、水下信道、接收机和数字信号处理(DSP)模块；其中，发射机用于在波长范围为450nm到550nm的低衰减“窗口”内，实现波长范围为490nm到520nm的密集波分复用性能；发射机集成
7种不同波长的蓝绿激光二极管(Laser diodes,LD)用于WDM；每个LD都加载了由任意信号发生器(Arbitrary Waveform Generator,AWG)生成的一系列伪随机二进制序列(Pseudo‑random binary sequence,PRBS)；水下信道使用一个长2米、宽1米的水槽来构建光通信传输信道。放置在两侧短边的两个反射镜使光能够在水下传输20米的距离；接收机包含准直器和衍射光栅，光在水下传播20米后散射成一个不规则的光斑，该光斑由接收透镜收集并在准直器中压缩，衍射光栅用于解复用和分离不同波长的光；DSP模块利用光电倍增管(PMT，Hamamatsu‑H14447，1Gbps带宽)捕捉光信号并将其转换为电信号，然后，电信号由示波器(Tektronix，MSO58B)捕捉，并在计算机上执行信号同步、解码和信道均衡。

[0039] 进一步，实例中发射机的波分复用通过一个7×1光纤合束器实现，如图4的a所示。该7×1光纤合波器基于光纤拉锥(Tapered‑Fiberbundle,TFB)技术制造。七根单模光纤(纤芯：3μm，涂层：125μm)被插入毛细管中，然后经过锥形处理并与输出光纤熔接。输入光纤与毛细管之间的孔隙通常在锥形处理和输出多模光纤纤芯的覆盖下闭合。输出光纤纤芯为
200μm，这可以确保合束光束的传播。可以通过光强的叠加原理来解释合束过程，其描述如下：假设每束光的相干长度短于传输距离，输出光场的强度I可以认为是每个输入光场强度的叠加，可以表示为：

[0040]

[0041] 其中，Im和Em分别是第m束输入光束的强度和光场。然后，第m束高斯光束在zm＝0处的光场可以描述为：

[0042]

[0043] 其中，Am是第m阶高斯光束的振幅，wm是光束腰半径，xm和ym是第m阶高斯光束的中心坐标，w是光的角频率。如果光束一起输入并且具有相同的光场，那么振幅Am和角频率wm可以视为相同。光场组合前后的传输模拟如图4的b和c所示。

[0044] 图5展示了7路不同波长通信通道的解复用(De‑Mutiplexing,DeMUX)过程。在实际案例中，复用后的合束激光通过一个空间光准直器输出组合激光束。组合光束的直径为5毫米，通过准直器扩展到25毫米。然后，准直光束进入水下信道。光束扩展的目的是减少光在水中传播时的发散角。在20米的水下信道传输后，接收透镜、准直器和衍射光栅用于解复用。在20米的水下信道中没有观察到明显的波长分离，证明复用光束在20米水中传播后仍保持合束状态。接收的光束直径为30毫米，通过准直器收集并准直为6毫米直径的平行光束。然后，使用一个衍射光栅(12.7毫米×12.7毫米×6毫米，1200线/毫米)分离所有7个波长。需要设置一个合理的两个通道光束之间的角度β′和衍射屏接收距离L，以实现蓝绿色光的2nm通道间距的光空间分离，如图3的a所示。实例中使用模拟软件Zemax来仿真光的分离过程，模拟结果显示七个波长在理论上的清晰分离。根据仿真结果，为了在距离衍射屏1米处创建2nm的光间隔，理论计算表明光应以‑51.2°角照射在光栅上,仿真结果如图3的b所示。使用此计算参数获得的实际分光结果如图3的c和d所示。组合光可以清晰地分为7束。值得注意的是，因为光以‑51.2°的倾斜角度照射在光栅孔径上，衍射屏上的光具有长条形状，如图3的c所示。在光栅后使用一个柱面透镜进一步压缩光束以集中能量密度。衍射屏上的7束光清晰分离，没个波长的光斑大约是35毫米×55毫米的矩形光斑，如图3的d所示。这种光束尺寸满足PMT(PhotomultiplierTube)接收光信号进行通信。

[0045] 图6是图5中的通信系统不同区域光路的实现原理图。图6的a是合束光束扩束的原理图，首先使用一个准直器(Thorlabs‑F220FC‑532,f＝10.9mm,NA＝0,25)对七合束光进行空间准直，形成一个出射光斑5mm直径，发散角0.24rad的准直光束。该光束无法满足远场传播，设计了一个5倍放大准直器来进一步扩大光斑尺寸。它是一个伽利略望远镜系统，由一个焦距为125毫米的正透镜和一个焦距为‑25毫米的负透镜组成。这两个透镜的直径分别为25.4毫米和12.5毫米。两透镜之间的距离为100毫米。放大倍率为M＝‑fp/fn＝5，输出光斑的直径大约为25毫米。图6的b所示是系统收集端的缩束装置，该装置同样采用伽利略准直结构来收集在20米水下传播后的发散光斑，包括一个凸透镜和一个凹透镜，焦距分别为100mm和–12.5mm。凸透镜的直径为50mm，以确保所有光线在接收器处被收集，而凹透镜的直径为
25mm。图6的c是在收集装置后面的光栅分光原理。本发明中的光栅分光利用光栅的高级次衍射方程和几何关系，光栅方程的公式为：

[0046] d(sinα±sinβ)＝mλ

[0047] 其中，d是光栅常数，α是入射光与法线的夹角，β是衍射光与法线的夹角，β的正负值取决于衍射角与法线的位置关系，m是光栅的衍射级次，λ是入射光的波长。其次，合成光通过光栅衍射后，不同波长的光以不同角度分离，并投射到接收屏上。使用如下几何方程描述这种现象：

[0048] Δ＝2Ltan[(β2‑β1)/2]

[0049] 其中，Δ是两个相邻光斑中心点之间的距离，β1和β2是相邻波长通道的衍射角，L是光栅到接收屏的距离。可以推导出sinβ2–sinβ1等于(mΔλ)/d，其中，Δλ是相邻通道的波长差，m是衍射级次，d是光栅常数。要完全分离相邻通道的光斑，可以增加相邻通道的中心间距或光栅与接收屏之间的距离，后者会相应增加每个通道的光斑大小。因此，分离相邻通道的最佳方法是选择适当的Δ。根据上述方程，当光栅常数d无法进一步减小时，更高的光栅衍射级次m可以有效增加中心距离Δ，对此本发明利用光栅方程的高级次衍射来达到相邻通道分离的效果。这是本发明对于解决该水下部分复用系统解复用过程的巧妙简便的设计。图6的d展示了本发明实施例中对于相邻通道间串扰的验证过程，通过测量正常工作波分复用(WDM)时接收光功率(Received Optical Power,ROP)与信道信号关闭且其他六个信道正常工作时噪声水平的比值(以10log(ROP/NOISE)表示)来衡量相邻通道间的串扰(inter‑channel interference,ICI)。

[0050] 图7的a显示了七种不同波长激光二极管(LD)的光谱，其峰值波长为491.9nm、494nm、496.2nm、506.1nm、508.2nm、517.1nm和520.5nm，分别对应七个WDM通道的492nm、
494nm、496nm、506nm、508nm、517nm和520nm。WDM最小信道间隔为2nm。在波长范围490nm到
520nm内，当水质从清水变为近大洋水时，这些波长的衰减变化相对较小。这七个代表波长为490nm到520nm的密集WDM提供了足够的通道。图7的b显示了494nm、508nm和520nm通道的三个典型响应。对于‑20dB的响应，所有LD的截止频率高达约1GHz。图7的c显示了三种典型激光器(494nm、508nm和517nm)的电压‑电流(U‑I)和光功率‑电流(P‑I)测量曲线。一个OOK(On‑OffKeying)调制的伪随机二进制序列(PRBS)信号被加载到任意波形发生器(AWG，RIGOL‑DG70000)中以生成射频(RF)信号。RF信号通过偏置电路(Mini‑Circuits，ZFBT‑
4R2GW+)叠加在直流偏置(Direct Current,DC)上，生成的RF+DC信号直接注入LD。优化RF和DC值以获得最低的误码率(BER),从而使每路LD都工作在最佳工作状态。如图7的d所示，当在6‑6.5V DC范围内工作且RF为3Vpp时，494nm LD在1Gbit/s数据速率下具有最低的BER。随着蓝绿色LD的注入电流被调制，波长会发生漂移。图7的e说明了494nm、508nm和517nm LD的波长漂移。当注入电流从60mA增加到200mA时，出现1‑1.5nm的波长漂移，这对应于这些LD的最佳RF+DC值。

[0051] 为了验证该WDM通信系统的浊度耐受性，测量了从清水到大洋水浊度变化时的通信性能。图8的a到c显示了清水的通信结果，图8的d到f显示大洋水1的结果，图8的g到j显示大洋水2的结果。如图8的a、d和g所示，从清水到大洋水2，每个波长的衰减明显增加，导致每个波长的最大数据速率降低。对于图8的b、e和h中的数据，PMT在不同的数据速率和调制格式下收集了十个PRBS数据包进行数据分析。每个数据包包含16383个OOK符号。使用3.8×‑310 的硬判决前向纠错门限来确定每个信道的最大数据速率。然而，由于PMT固有的高斯噪声，每个信道未表现出最佳数据速率，因此通过均衡算法来缓解这种噪声。未均衡的结果如图8的b、e和h所示，相应的递归最小二乘(RLS)均衡后的结果如图8的c、f和j所示。比较图8的e和f底角的插图可以发现，经过RLS均衡后噪声信号被滤除，导致每个信道的数据速率得到改善。例如，517nm最大数据速率的眼图插图显示在2Gbit/s左右有明显打开的眼图。

[0052] 相邻通道的串扰通信测试结果如图9的a和b所示。可以看出，在HD‑FEC阈值条件下，每个信道的通信数据速率几乎保持不变。例如，在HD‑FEC阈值条件下，494nm信道的数据速率在有相邻通道通信工作和没有工作时的速率均为1.8Gbit/s。图9的a和b插图中的眼图张开程度对比进一步验证了该通道在两种情况下的工作状态一致，串扰的影响可以忽略。

[0053] 本发明实施例蓝绿光波段中具有成本效益的耐水浑度的密集波分复用(WDM)系统，能够实现最小2nm的蓝绿光通道间隔，比之前报道的WDM UWOC通道间距小一个数量级以上。使用492nm、494nm、496nm、506nm、508nm、517nm和520nm的七种不同波长的激光器，通过SBC(Spectralbeam combination)技术将其复用成单束光，然后在20米的水下通道中可靠传输。在接收端使用衍射光栅进行密集波长的解复用。这七路波长的信道能够被成功分离和探测。针对不同水体浊度，对这一通信链路的总通信速率在从清水到大洋水的不同浊度水平下都可以超过10Gbit/s。

[0054] 本发明实施例通过密集的蓝绿WDM，能够同时在清水和大洋水中稳定实现高速UWOC通信的方案。在发射机端，设计具有低成本的直接调制的蓝绿激光二极管。在490nm至520nm的20米水下通道中实现了密集波长组合的光束的合束和准直。在接收机端，使用了光束收集透镜组合完全收集在水下传播20米后的准直光束，并通过光栅实现了最小通道间距为2nm的解复用。本发明在不同的水浊度条件下，总通信数据速率可以超过10Gbit/s；同时没有通道间的串扰影响。

[0055] 本发明实施例能同时保证在大洋海水中对蓝光的高质量通信，在近岸海水中对绿‑3光的高质量通信。在3.8×10 的通信(HD‑FEC,Hard‑Decision Forward‑Error‑Correction)判决门限下，总数据传输速率超过10Gbit/s。该WDM UWOC实现了蓝绿波段2nm的波长通道间隔和7路的波长通道的同时复用。在UWOC的实际应用中，这些密集复用的波长信道可以有效地容忍大洋海水和近岸海水的浑浊度的变化，并提供可靠和高速的水下通信。

[0056] 本发明实施例蓝绿光波段中具有成本效益的耐水浑度的密集波分复用(WDM)系统，能够实现最小3nm的蓝绿光通道间隔，比之前报道的WDM UWOC通道间距小一个数量级以上。使用452nm、464nm、467nm、570nm、478nm、483nm、486nm、492nm、494nm、496nm、506nm、508nm、517nm和520nm的14种不同波长的激光器，通过SBC(Spectralbeam combination)技术将其复用成单束光，然后在200米的水下通道中可靠传输。在接收端使用投射式衍射光栅进行密集波长的解复用。这14路波长的信道能够被成功分离和探测。针对不同水体浊度，对这一通信链路的总通信速率在从清水到大洋水的不同浊度水平下都可以超过20Gbit/s。

[0057] 本发明实施例通过密集的蓝绿WDM，能够同时在清水和大洋水中稳定实现高速UWOC通信的方案。在发射机端，设计具有低成本的直接调制的蓝绿激光二极管。在450nm至520nm的200米水下通道中实现了密集波长组合的光束的合束和准直。在接收机端，使用了光束收集透镜组合完全收集在水下传播200米后的准直光束，并通过光栅实现了最小通道间距为3nm的解复用。本发明在不同的水浊度条件下，总通信数据速率可以超过20Gbit/s；
同时没有通道间的串扰影响。

[0058] 本发明实施例能同时保证在大洋海水中对蓝光的高质量通信，在近岸海水中对绿‑3光的高质量通信。在3.8×10 的通信(HD‑FEC,Hard‑Decision Forward‑Error‑Correction)判决门限下，总数据传输速率超过20Gbit/s。该WDM UWOC实现了蓝绿波段3nm的波长通道间隔和14路的波长通道的同时复用。在UWOC的实际应用中，这些密集复用的波长信道可以有效地容忍大洋海水和近岸海水的浑浊度的变化，并提供可靠和高速的水下通信。

[0059] 以上所述的实施例仅是对本发明优选方式进行的描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。