Nature：海底光纤通信将推动深海观测网络的构建 - 海洋观测网络

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2023年9月18日，《自然》（Nature）刊登了一项由阿卜杜拉国王科技大学（King Abdullah University of Science & Technology）研究人员完成的新研究，提出了一种基于光纤的通信和传感综合技术，旨在减少海洋噪声污染，同时提供与各种水下应用之间的连接。新方法将显著降低监测海洋生态系统的成本和影响，且能确保数据传输和海洋监测应用，并为水下 IoUT设备持续提供动力。

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研究人员提出了一种将通信、分布式天线系统（DAS）、基于光纤光栅（FBG）的温度传感器和光纤传能(PWoF)系统相结合的设计方案，可搭载于多芯光纤（MCF）中，为正在发展中的全球海洋传感网络奠定基础，该方案无需做出重大调整，或在网络中部署其他传感器。在概念验证过程中，该方案以3.2Gbps的速度成功完成了FD通信，同时监测能够获取海洋声学组成部分的声音场景，如海洋哺乳动物的声音和船只运动，并监测环境温度。此外，在实现上述应用的同时，研究人员利用连续波（CW）和充电电路实现了PWoF，因此可实现双向数据传输。

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就该研究提出的额外功能对通信性能的影响而言，在将报告的传感器和PWoF方案与通信相结合方面存在2个主要方案。第1种方案是引入MCF暗芯，未使用的芯不携带任何通信信号，并作为已经使用的芯的备份。通过使用暗芯，可避免与其它核通信信号的串扰。当通信信号占用所有MCF芯时，可采用第2种方案。在第2种方案中，可利用成熟的波分复用(WDM)技术对基于MCF的通信系统进行加/降传感和PWoF信号处理。波分复用包括使用不同波长将多个光信号复用到单个光纤芯上。通过波分复用技术，可将传感和PWF信号从通信信号中分离出来，并发送到其他设备上。因此，该研究提出的基于MCF的多功能技术不应影响MCF的主要目的，即通信。相反，可通过启用其他应用提高光纤的功能和效率。

海洋中包含数百万公里的光纤以满足全球传输需求。因此，采用MCF暗芯的概念表明，水下光纤可成为不同海洋之间的传感器网络，无需修改已经规划的MCF部署，从而在不增加社会成本的情况下填补深海观测方面的空白。鉴于此，该研究提出的设计方案将为在同一光纤网络上整合通信和海洋传感奠定基础。基于MCF的综合传感方法在数据实时交换、分布式声学传感和温度监测能力方面表现出色，因此在远程实时海洋监测方面具有很好的应用前景。该系统还可用于在海岸线附近开展安全监视和非法划船和捕鱼活动监测。此外，光波形式的能量传输有许多好处，包括在恶劣的水下环境中为设备提供连续的电力，以及无需将导电铜线接入高处的电位上升区。所传输的电力可由其他系统存储和自用。

在提供全球深海持续观测能力方面取得突破是向联合国“海洋十年”迈进的一个关键目标。海底光通信系统为实现这一目标提供了一个尚未实现的可能性，尤其在MCFs逐渐取代单模光纤（SMF）和多模光纤（MMF）电缆方面。未来应利用MCF中的暗芯，或者使用波分复用WDM传递传感信号和功率，以实现这一潜力。

转载本文请注明来源及作者：中国科学院西北生态环境资源研究院文献情报中心《资源环境动态监测快报》2023第18期 薛明媚 王金平 编译。

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