基于单光子探测的水下无线光通信应用基础研究

In recent years, as the communication requirements of underwater sensor networks, submarines and all kinds of underwater vehicles become increasingly strong, underwater wireless optical communication has drawn much attention in the world. In the program, we put forward a new underwater wireless optical communication (UWOC) scheme based on the quantum techniques, such as single photon detection and quantum state modulation. Using the scheme, the distance of the communication will be improved under the condition of high data-rate transmission. Through the theoretical and experimental studies, the UWOC scheme established in the program is expected to include high-efficiency optical transmission, effective quantum state modulation and robust error correction design. The start of the program will lay the foundation for the development of high-performance UWOC system used in the field experiments, and is of great significance both for the application in the fields of ocean and military affairs etc., and for the academic development of optical communication, ocean optics and quantum information etc.

近年来随着水下传感网络、潜艇、各种水下潜器等水下系统之间的无线通信需求日益强烈，水下无线光通信在国际上受到了很大关注。本项目提出在水下光通信中引入量子技术，借助量子密钥分发中的单光子探测和量子态调制等技术，在保证高传输速率情况下提升通信距离；期望通过单光子探测的水下光传输、光量子态影响和系统噪声的理论和实验研究，建立一套包含高效光传输、有效量子态调制和可靠纠错方案的单光子探测和调制的水下光通信技术。本项目的开展将为现场的高性能水下光通信实验系统的设计开发打下基础，对于海洋、军事等领域具有重要的应用价值，对于光通信、海洋光学和量子信息等学科的发展具有重要的科学意义。

本项目为了提升通信距离，提出引入量子技术，开展利用单光子探测和光量子态调制的水下无线光通信的相关研究。主要研究内容包括：海水信道的光子传输规律和海洋环境中的背景光子数；不同调制时的单光子探测光通信误码率计算方法及纠错；光子偏振和轨道角动量在水信道中的传输规律；偏振、轨道角动量等调制的单光子探测水下无线光通信性能；偏振调制光通信的近海现场测试等。. A. 通过蒙特卡洛仿真，分析了高斯光束中的光子在水信道中传输的衰减、时空展宽、散射等特性；借助Hydrolight软件，分析了海洋中不同时段的背景光子数特征。建立了单光子探测情况下不同调制方式的误码率计算方法，开发了纠错程序，仿真分析了纠错前后的水下无线光通信性能。为实验系统的设计开发提供理论支持。. B. 针对光子偏振和轨道角动量受海水信道的影响，通过Muller矩阵测量，分析了偏振光子在海水信道中传输的保偏特性，并测试了光子偏振受水中温盐度梯度变化的影响；测量了轨道角动量光子经海水信道传输后的光斑变化，并借助深度学习方法做了识别分析，还仿真分析了光子轨道角动量受海洋湍流的影响。论证了偏振和轨道角动量应用于水下无线光通信的可行性。. C. 为了分析单光子探测水下无线光通信性能，分别设计并开发了偏振-OOK联合调制及光子轨道角动量调制的光子计数水下光通信实验系统，分析了误码率特性，以及纠错性能。在近海海域开展了偏振调制水下光通信的现场测试。. 本课题成功将单光子探测与光子态调制技术引入到水下无线光通信中，形成了光子计数与调制的水下无线光通信技术，给出了理论和实验分析结果，和面向应用的技术方案，为水下无线光通信技术的提升提供原理保障。