全光通信网络：实现太空、空气、海洋环境的“无缝连接”

当今世界，数据传输是信息社会的支柱，对于通信、导航、应急响应、研究和商业活动都产生了深远的影响。它已经深刻地融入我们的日常生活和各个行业，成为社会运作和发展不可或缺的动力。

为了推进不同场景下网路节点之间的双向数据实时传输，实现太空、空气、海洋环境的无缝连接，来自南京邮电大学的研究团队结合不同类型的光源，开发了一种全光通信网络，相关研究成果发表在Optics Express上。负责人王永进表示：“全光通信可用于海洋和湖泊，例如：传感器收集生态数据并于水面浮标通信，数据通过水面或城市之间的长距离传输链路无线发送，然后通过调制解调器连接到互联网，这允许位于远离海洋位置的人们访问骨干网络（Backbone Network）以共享信息。”

来源：

https://www.optica.org/about/newsroom/news_releases/2024/february/all-light_communication_network_bridges_space_air_and_sea_for_seamless_connectivity/

图1 横跨太空、空中和海洋的 全光通信网络概述

构建综合光通信网络，实现定制化应用场景

全光通信网络通常是为特定场景而设计的，缺乏与其他通信系统的互操作性。创建太空-空气-海洋环境的互联是一项艰巨的任务，需要将多种技术结合起来，以创建无线通信网络。为了实现这一目标，研究人员使用四种光谱来建立四种不同环境的全光通信链路。

在水下通信中，研究人员使用蓝光光源，这是因为海水会减小蓝绿光的吸收窗口。与其他波长的光相比，蓝光可以在水下传播得更远，这允许该系统用于控制无人潜水器或者其他水下设备与浮标之间建立通信。白色LED光源用于水面上的浮标或者船只等物体之间的信息传输。而在与无人机等空中机载设备连接时，深紫外光成为首选，该范围的光谱可以有效防止太阳的干扰。最后，对于自由空间中的点对点通信，选择近红外激光二极管，因为近红外激光二极管能发射高功率的定向光。在此基础上，研究人员还设计了一种基于TCP/IP方案的有线或者无线访问互联网的方式，这对物联网的应用非常重要。“从蓝光、白光、深紫外波长和激光二极管的通信中建立统一的传输模式非常重要，这样我们就可以使用以太网交换机将他们集成在一起”王永进表示，“为了使这项工作成为可能，LED和调制方案决定了网络吞吐量，而雪崩光电二极管限制了传输范围，光学带通滤波器则将所需的光信号与其他光谱中的光信号隔离开来。”

研究人员表明，全光通信网络可以通过有线或无线的方式接入，实现传感器数据、图像和音频文件的传输，以及全双工实时视频通信。这里的全双工是指可以同时发送和接收视频，对于视频会议等应用是非常必要的。当利用该系统以每秒22帧的速度将2560px×1440px和1920px×1080 px的实时视频输入网络时，视频依然清晰，几乎不存在延迟。使用网络数据包分析工具测试该系统的丢包率最大为5.80%，传输延迟低于74 ms。

全光通信网络的未来发展与应用

虽然已有的全光通信网络系统能够实现低丢包率和低延迟的太空-空气-海洋一体化通信，但仍存在一些影响系统性能的因素。未来，研究人员的目标是利用波分复用来消除LED引起的问题，从而提高全光通信网络的吞吐量。这将有助于提高网络的整体效率和性能。他们还致力于允许移动节点，而不仅仅是固定节点，以解决光对准的问题。这对于水下设备和无人机的使用至关重要。

全光通信网络为未来的太空-空气-海洋互联提供了一个极具前景的解决方案，为实现多终端、多业务的广泛应用奠定了基础。这一创新性的网络设计不仅突破了空中、水下通信的限制，还为各种应用场景带来了更灵活、高效的通信解决方案。未来，全光通信网络有望成为跨领域、跨终端通信的关键技术，推动全球通信技术的发展与演进。

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来源：爱光学