水下无线光通信：应用、挑战与基于OAM模式的快速自动对准系统

这段文字总结了关于水下无线光通信应用和挑战的内容，包括了基于OAM模式的快速自动对准水下无线光链路的概念和原理。还介绍了具有快速自动对准系统的水下无线光通信实验设置和实验结果。总体而言，此研究为实现实用的水下无线光通信系统提供了重要的基础，并展示了OAM多路复用和快速自动对准系统的有效性。这些结果对于解决水下通信中的挑战，提高传输容量和稳定性具有重要意义。

在过去的几年中，地面、太空和水下无线光通信已被广泛研究。与地面和太空通信相比，水下无线光通信由于水下环境的复杂性而相对较少被探索。然而，由于其巨大的商业、军事和科学价值，对水下无线光通信的兴趣不断增加。水声通信是水下通信的主流技术，但其受到低带宽、高时延、低能效、时变多径传播和多普勒扩频等限制。水下无线光通信（UWOC）作为一种无这些限制的选择，对于短距离高带宽的水下通信非常有用。然而，水下无线光通信仍面临着吸收、散射、湍流等问题带来的信号衰减、延迟扩散和衰落等挑战。解决这些问题的研究包括增加发散角、快速自动对准系统以及空分复用和轨道角动量模式等技术。自适应光学（AO）技术和纵向轨道角动量复用（LOAMM）系统也被提出来应对湍流效应和提高安全性能。本文演示了一种基于OAM的快速自动对准的水下无线光链路，并探讨了正交相移键控（QPSK）信号的OAM多路复用。

基于OAM模式的快速自动对准水下无线光链路的概念和原理。该系统通过发射端向接收端发送光信号，并采用具有OAM模式的MDM技术来增加传输容量。光束波动是水下传输环节信号损失的主要因素，为了克服光束波动并保持稳定的输出，建立了快速自动对准系统。快速自动对准系统包括两个对准阶段，通过象限检测器、位置传感检测器（PSD）自动对准器、压电控制器、分光镜和压电镜支架等组件来实现自动对准过程。通过调整驱动电压，将光束固定在探测器阵列的中心，从而实现高精度的闭环操作。计算机用于控制和监视整个反馈系统。该系统的响应时间主要受压电驱动器的充电和放电过程影响。实验结果显示了光束的位移和驱动电压之间的关系，以及系统的响应时间。该系统可用于实现快速、自动和稳定的水下无线光通信链路。

具有快速自动对准系统的水下无线光通信的实验设置。实验使用任意波形发生器生成具有QPSK调制格式的1-Gbaud电信号，并通过电放大器进行放大。两个520 nm单模尾纤半导体激光管直接调制信号。准直器将光纤的高斯模式信号耦合到自由空间。两个相位空间光调制器通过加载复杂的相位模板将高斯模光束转换为OAM光束。分束器将两个空间正交的OAM光束组合在一起，使用针孔作为空间过滤器选择所需的输出。为了减小光束尺寸，使用透镜作为逆向望远镜系统。为了模拟振动条件，将镜子与电机连接。实验在不同的振动条件下进行，并模拟了水下条件。快速自动对准系统之后，接收到的光束由接收侧的SLM解调，并通过高灵敏度硅雪崩光电二极管检测器接收。检测到的信号经过放大，并使用示波器进行误码率性能测量。为了记录光束的强度分布，使用相机辅助。这个实验设置用于评估水下无线光通信系统的性能。

一个具有快速自动对准系统的水下无线光通信实验。实验采用OAM模式多路复用光进行传输，并记录了传输前后的OAM模式状态。实验设置包括任意波形发生器、电放大器、单模尾纤半导体激光管、准直器、相位空间光调制器、分束器等组件。通过模拟振动条件，使用带有振动电机的镜子来产生光束的散射分布，记录了光束的轨迹。实验结果显示，在快速自动对准系统的作用下，光束的散射分布得到有效压缩，系统性能得到显著改善。实验还评估了在不同振动条件下的误码率性能，并观察到自动对准系统对光路稳定性的重要性。最后，研究提出了进一步改进的方向，以实现更多的OAM模式和更快的自动对准系统，以进一步提高容量和鲁棒性。总体而言，该实验为实现实用的水下无线光通信铺平了道路，并通过OAM多路复用和快速自动对准系统提供了有效的解决方案。