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2022年第45卷第3期刊出日期：2022-06-28 上一期下一期

综述

Ⅲ-Ⅴ族纳米线及其异质结构:生长与应用
颜鑫, 张霞, 任晓敏
北京邮电大学学报. 2022, 45(3): 1-6,25. DOI:10.13190/j.jbupt.2021-201
摘要 ( 664 ) PDF ( 424 ) HTML( 424 ) 　　
由于独特的结构特征和新颖的物理特性,Ⅲ-Ⅴ族纳米线一直是半导体光电子学领域的研究热点。近年来,Ⅲ-Ⅴ族纳米线及其异质结构的制备取得了长足的进步,并在新一代激光器、探测器、太阳能电池等光电子器件中展现出巨大的应用潜力。归纳了近期Ⅲ-Ⅴ族纳米线的主要研究进展,包括Ⅲ-Ⅴ族纳米线的可控生长技术、Ⅲ-Ⅴ族纳米线异质结构的制备途径与物理特性、Ⅲ-Ⅴ族纳米线光电子器件的主要进展等,并展望了就该领域的主要挑战和发展方向。
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表面等离激元与激子的强耦合作用
梁琨, 于丽
北京邮电大学学报. 2022, 45(3): 7-12. DOI:10.13190/j.jbupt.2021-257
摘要 ( 998 ) PDF ( 1003 ) HTML( 1003 ) 　　
金属纳米结构中高度局域的表面等离激元模式给光与物质的强相互作用带来了新的研究机遇。在特定条件下,二者的相干能量交换速率会超越各自的能量耗散速率,进入强耦合范畴,该过程可形成光子-激子杂化的准粒子。针对近年来飞速发展的量子光学调控,特别是基于表面等离激元体系的强耦合研究展开综述,介绍了如金属纳腔与手性J聚体强耦合,在零失谐点对耦合系统进行精细调控,通过微流技术实现可控的表面等离激元纳腔-少激子强耦合等。在亚波长尺度下研究强耦合系统中的光场调控技术,有助于光电子器件的小型化。强耦合体系在片上集成的量子信息处理、手性光学器件和超灵敏生化传感器等领域有广阔的应用前景。
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紫外光通信:原理、技术与展望
彭木根, 袁仁智, 王志峰, 王思明
北京邮电大学学报. 2022, 45(3): 13-18. DOI:10.13190/j.jbupt.2022-022
摘要 ( 2021 ) PDF ( 1388 ) HTML( 1388 ) 　　
与传统视距光通信不同,紫外光通信能够实现非视距通信,广泛地应用于视距链路受阻的场景,近年来工业互联网的高速发展催生了工业设备间大容量灵活组网通信的需求,这给紫外光通信带来了新机遇。为推动紫外光通信的实用化研究,阐明了紫外光通信的主要应用场景,概述了紫外光通信的研究现状,介绍了硬件试验、信道模型、信道估计与检测、空间分集技术等关键技术,展望了紫外光中继与双工通信、紫外光传感网络和非视距定位技术等未来发展方向和相应挑战。
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论文

流谱理论及其在网络防御中的应用
郭世泽, 吕仁健, 何明枢, 张杰, 俞赛赛
北京邮电大学学报. 2022, 45(3): 19-25. DOI:10.13190/j.jbupt.2021-271
摘要 ( 928 ) PDF ( 374 ) HTML( 374 ) 　　
在网络数据处理和分析过程中,针对传统方法存在的观测量大、可解释性差、特征分离难度高等问题,提出了将网络流数据从原始"流"空间映射至"流谱"空间基本方法,满足网络行为的可解释性、可观测、可表达、可处置要求,从而能够更好地完成下游任务。基于高维目标低秩化的矩阵压缩原理,实现了对数据的低维描述,完成了原始网络流从"流"到数据特征矩阵的映射。通过矩阵论、信息论、度量空间相关理论,建立了多个尽可能同构表达的基底谱空间,完成特征矩阵在"谱"空间的可分离同构映射。通过"流谱"对背景网络流、网络威胁、恶意攻击、异常行为进行刻画,应用在网络防御中,提升了网络空间的防御能力,为网络空间防御体系提供了新的思路。
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碳纳米纤维的气流纺丝制备及电磁屏蔽应用
崔柄元, 温习, 吴宇峰, 雷鸣
北京邮电大学学报. 2022, 45(3): 26-31,63. DOI:10.13190/j.jbupt.2021-279
摘要 ( 456 ) PDF ( 427 ) HTML( 427 ) 　　
设计了一种气流纺丝制备碳纳米纤维的工艺,以聚丙烯腈为原料纺制出纤维状前体,通过预氧化和高温退火,成功制备了碳纳米纤维。调整退火温度,制备了多种不同退火温度的碳纳米纤维。利用扫描电子显微镜等表征方法明确了几种碳纳米纤维的微观结构和特性,讨论了几种纤维的化学成分、连续度和石墨化程度等方面与电磁屏蔽效能的内在关联。经测量得出结论,当退火温度达到800℃时,碳纳米纤维具备约10dB的电磁屏蔽效能,能够实现电磁屏蔽效果。总的说来,气流纺丝制备碳纳米纤维的技术工艺在电磁屏蔽领域具有应用潜力,宏观规模的生产是未来该技术领域发展的关键。
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面向电力OPGW光缆的故障精准快速定位方法
李灿, 王颖, 宁云潇, 张书林
北京邮电大学学报. 2022, 45(3): 32-37. DOI:10.13190/j.jbupt.2021-238
摘要 ( 606 ) PDF ( 546 ) HTML( 546 ) 　　
电力光纤复合架空地线(OPGW)兼具电力通信网的地线和通信功能,对其故障精准快速的定位是确保电力通信网及电网安全稳定运行的重要前提。为解决电力OPGW光缆实际运维工作中故障定位难的痛点问题,提出了一种基于分布式传感技术的OPGW光缆故障精准快速定位方法,利用光纤的分布式布里渊频移特性,准确地识别线路光缆接续盒,标定线路接续杆塔位置,并以接续杆塔为新坐标,实现故障的精准快速定位,有效地提高了光缆运维水平。现场实验结果表明,与传统的光时域反射仪测试结合人工巡线的定位方法相比,所提方法将故障定位时长由天级缩减至小时级,故障定位精度由千米级缩减至米级。
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分布反馈光纤激光传感阵列结构优化
徐丹, 黄俊斌, 吴俊, 刘文, 顾宏灿
北京邮电大学学报. 2022, 45(3): 38-43. DOI:10.13190/j.jbupt.2022-085
摘要 ( 374 ) PDF ( 223 ) HTML( 223 ) 　　
为解决分布反馈光纤激光传感阵列功率一致性的问题,建立了分布反馈光纤激光波分复用阵列输出功率预测模型,采用差值寻优法对激光器进行排序,并通过在阵列尾部增加980nm反射镜进一步提高了阵列的功率均衡水平,实现了阵列结构优化。实验结果表明,优化后的阵列功率波动水平明显改善,有效地解决了阵列末端信号解调效果差的问题,扩大了阵列实际复用容量,提高了组阵效率。上述方法对大规模分布反馈光纤激光器传感器阵列的结构设计具有借鉴价值。
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ε-Ga₂O₃/SiC异质结自驱动型日盲光电探测器
王月晖, 张清怡, 申佳颖, 甘明丰, 吴真平
北京邮电大学学报. 2022, 45(3): 44-49. DOI:10.13190/j.jbupt.2021-282
摘要 ( 804 ) PDF ( 461 ) HTML( 461 ) 　　
构建合适的异质结是改善光电探测器性能的一种有效方法,为了提升超宽禁带半导体Ga₂O₃薄膜日盲光电探测器的光电性能,采用金属有机化学气相沉积技术在SiC单晶衬底上成功异质外延了高质量的ε-Ga₂O₃薄膜,并制备了ε-Ga₂O₃/SiC异质结光电探测器。探究外延薄膜的晶体结构和吸收光谱可知,单一取向的ε-Ga₂O₃薄膜对日盲区紫外光表现出强烈的吸收特性。得益于较强的内建电场,制备的异质结光电探测器件具有出色的自驱动光电响应特性。在无外置电场条件下具有稳定的深紫外光响应,其具有暗电流低、灵敏度高的特点。在0V偏压、254nm紫外光辐照下,探测器光暗电流比高达10⁴,光响应度达到0.3mA/W,比探测率达到1.45×10¹⁰cm·√Hz/W。ε-Ga₂O₃/SiC自驱动光电探测器的成功研制可为实现零能耗探测器件的制备提供理论思路和实验指导。
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云边协同光量子物联网架构及资源分配
郁小松, 朱青橙, 顾佳明, 赵永利, 张杰
北京邮电大学学报. 2022, 45(3): 50-56. DOI:10.13190/j.jbupt.2021-261
摘要 ( 489 ) PDF ( 313 ) HTML( 313 ) 　　
在物联网(IoT)技术领域,通过云计算与边缘计算的协同,构建云边协同IoT可以显著减少核心网络中的流量负载以及IoT业务的服务时延。然而,传统密码学技术无法抗衡量子计算机的攻击,IoT的数据传输安全倍受威胁。量子密钥分发技术的应用,能够增强云边协同IoT安全能力。为了提升云边协同IoT的安全,基于量子密钥分发设计了一种云边协同光量子IoT安全体系架构,以及内嵌量子密钥服务的IoT网关模型与工作流程。同时,在该架构下,为了承载IoT业务并为其分发密钥,提出了面向业务密钥需求的节点密钥供应能力属性,以及节点密钥供应能力感知的密钥资源分配方法。仿真实验结果在密钥供应成功率、业务平均密钥消耗量和网络密钥利用率方面验证了所提方法的性能。与对比方法相比,所提方法能够显著提升密钥供应成功率。
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基于离散小波变换的O-OFDM-DIM
王惠琴, 杨丽荣, 彭清斌, 曹明华, 陈丹
北京邮电大学学报. 2022, 45(3): 57-63. DOI:10.13190/j.jbupt.2022-027
摘要 ( 658 ) PDF ( 324 ) HTML( 324 ) 　　
光正交频分复用索引调制技术具有良好的误码性能,但其传输速率不够理想。因此,利用离散小波变换并结合差分脉冲位置调制的思想,提出了一种基于离散小波变换的光正交频分复用差分索引调制(O-OFDM-DIM)。通过小波变换和移除每个子载波块末端的静默子载波实现传输速率的大幅提升;利用小波变换的正交性和子载波分配算法有效抵御大气湍流效应。详细介绍了所提方案的映射原理,推导了其理论误比特率,并与现有的非对称限幅光正交频分复用索引调制(ACO-OFDM-IM)方案进行了对比。结果表明,在大信噪比时,所提方案能获得比ACO-OFDM-IM更高的传输速率和更好的误码性能,而且前者的传输速率提高了近3倍。在误比特率为1×10^-4的强湍流条件下,其信噪比改善了约2dB。
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基于QSA的量子密钥协商协议内部攻击分析
吕博宇, 张劼
北京邮电大学学报. 2022, 45(3): 64-68,80. DOI:10.13190/j.jbupt.2021-232
摘要 ( 389 ) PDF ( 241 ) HTML( 241 ) 　　
量子密钥协商(QKA)是量子密码学的一个重要分支,公平性和安全性是其需要满足的两个关键要求。然而在QKA协议的设计过程中,公平性并没有引起足够的重视。近期有学者提出了一种基于量子搜索算法(QSA)的QKA协议。通过利用贝尔态的纠缠性质对该协议进行内部攻击分析,发现第1个参与者可以在不被接收者检测到的前提下操控最终的共享密钥,即该协议不满足QKA协议公平性的要求。为设计更加安全、公平的QKA协议提供思路。
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一种通信波段强度比灵活可调的SPP分束器
王海源, 李俊强, 于丽
北京邮电大学学报. 2022, 45(3): 69-73. DOI:10.13190/j.jbupt.2021-266
摘要 ( 362 ) PDF ( 172 ) HTML( 172 ) 　　
提出了一种基于金属纳米线结构的等离子体分束器。该分束器由3条直纳米线和1条环形纳米线组成,具有1个输入端和2个输出端。在输入端注入圆偏振光,所激发的表面等离子体激元(SPP)沿纳米线向前传播。采用时域有限差分法分析了分束器两端光强度的辐射比值,结果表明,2个输出端的光强度之比受输入端与输出端及2个输出端之间夹角的调控效果较为明显。可以改变输出端与输入端的夹角,或者2个输出端之间的夹角来调节2个输出端的光强度之比。通过对结构参数的优化,在通信波长1310nm和1550nm实现了分束比可宽范围调整的等离子体分束器。这些特性显示了在未来光子器件集成和传感设备中的潜在应用。
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降噪载波索引差分混沌键控通信系统
阎昕宇, 杨华, 徐思远, 蒋国平, 林庚辰
北京邮电大学学报. 2022, 45(3): 74-80. DOI:10.13190/j.jbupt.2021-250
摘要 ( 403 ) PDF ( 218 ) HTML( 218 ) 　　
为降低载波索引差分混沌键控系统中接收到的参考信号和信息信号中噪声的不利影响,提出了一种降噪载波索引差分混沌键控通信系统。该系统对发射端的混沌信号进行多次复制操作,并借助对接收到的信号分段取平均以实现降噪。分析推导了该系统在加性高斯白噪声信道和多径Rayleigh衰落信道下的理论误码率公式并进行了蒙特卡洛仿真。理论分析和仿真结果表明,所提系统在能量效率、传输速率和载波利用率相同的情况下,可以显著地改善载波索引差分混沌键控系统的误码性能。
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强度调制直接检测非正交光时域重叠复用系统
刘金权, 刘海丹, 王君健, 王道斌, 高冠军
北京邮电大学学报. 2022, 45(3): 81-85. DOI:10.13190/j.jbupt.2021-263
摘要 ( 375 ) PDF ( 305 ) HTML( 305 ) 　　
时域重叠复用是提升通信系统频谱效率和性能的有效方式,设计了基于强度调制直接检测的非正交光时域重叠复用系统,并进行实验验证。论文比较了非正交光时域重叠复用系统与同速率脉冲振幅调制系统的性能。实验结果表明,在矩形成型条件下经2重,3重,4重非正交光时域重叠复用系统调制的信号与相同比特速率的4电平,8电平,16电平脉冲振幅调制系统的信号相比,达到硬判决前向纠错门限所需的最小接收光功率分别降低了2.5dB,4.5dB和8.5dB。
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研究报告

基于光子灯笼的星地湍流链路耦合效率实验
孙浩瀚, 边奕铭, 李立, 黄永梅, 伍剑
北京邮电大学学报. 2022, 45(3): 86-89. DOI:10.13190/j.jbupt.2021-274
摘要 ( 335 ) PDF ( 221 ) HTML( 221 ) 　　
为了研究基于光子灯笼的模式分集接收系统在星地链路中对大气湍流的补偿作用。采用平行光管模拟星地下行链路的平行光,使用30cm口径的接收望远镜进行了演示验证实验。实验结果表明,采用光子灯笼的接收系统的基模比单模光纤的接收功率大4dB左右,而光子灯笼的3个模式总接收功率比单模光纤的接收功率大5dB左右。采用光子灯笼接收之后,中断概率下降39%以上。
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带残余频偏的QPSK-DSSS信号伪码序列盲估计
陈显露, 张天骐, 孟莹, 王晓烨
北京邮电大学学报. 2022, 45(3): 90-95. DOI:10.13190/j.jbupt.2021-181
摘要 ( 432 ) PDF ( 239 ) HTML( 239 ) 　　
针对正交相移键控(QPSK)调制的带残余频偏直接序列扩频(DSSS)信号伪码序列难以估计的问题,提出信号相关矩阵特征分解结合全数字锁相环(DPLL)进行伪码序列估计的方法。首先对接收信号进行采样和分段得到数据矩阵;根据最大化信号相关矩阵的谱范数估计出伪码序列的同步点;在同步基础上再计算信号相关矩阵的特征子空间;针对其主分量特征向量带有残余频偏且相位存在π/2跳变的问题,采用全数字锁相环跟踪和消除其残余频偏进而恢复伪码序列。研究结果表明,针对QPSK-DSSS信号,所提方法能够实现负信噪比下伪码序列的盲估计。
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基于全光模式匹配的光包过滤系统
石子成, 李新, 唐颖, 黄善国
北京邮电大学学报. 2022, 45(3): 96-101. DOI:10.13190/j.jbupt.2021-260
摘要 ( 340 ) PDF ( 220 ) HTML( 220 ) 　　
为了在维护光网络安全的同时,满足当前数据通信大容量、高带宽和低功耗的需求,提出了一种基于全光模式匹配的光包过滤系统,在全光条件下识别并滤除含有指定地址序列的光包。该系统首先通过全光模式匹配模块对光包地址序列与目标序列进行匹配,然后通过匹配结果生成控制信号进而控制光包的通过或滤除。使用VPItransmissionMaker软件进行了仿真验证,结果表明,所提系统可以在100Gbit/s的传输速率下实现对含有指定地址序列光包的过滤功能。
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噪声光下的水下无线光通信理论与实验验证
张家梁, 高冠军, 王君健
北京邮电大学学报. 2022, 45(3): 102-106. DOI:10.13190/j.jbupt.2021-264
摘要 ( 551 ) PDF ( 367 ) HTML( 367 ) 　　
环境光噪声干扰下的水下无线光通信是水下无线光通信研究中的一个重要场景。提出了环境光噪声干扰条件下的水下无线光通信性能理论模型,搭建了环境光噪声干扰下的基于852nm波长的水下无线光通信实验平台,并进行了实验验证。结果显示,实验结果与理论结果一致,证明使用滤光器可以有效地提升环境光噪声干扰下的水下无线光通信的通信性能和链路长度。实验中使用干涉滤光片可得到5.21dB的Q因子增益。理论结果表明,在正交相移键控调制下通过使用干涉滤光片可使传输链路长度延长34.8%。理论分析模型可为环境光噪声影响下的多种通信波长多种调制格式的水下光通信链路的设计提供设计指导。
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基于张量域降噪的宽带DOA估计
韦娟, 郑伟哲, 李润宇
北京邮电大学学报. 2022, 45(3): 107-111,116. DOI:10.13190/j.jbupt.2021-223
摘要 ( 445 ) PDF ( 300 ) HTML( 300 ) 　　
针对低信噪比条件下远场宽带信号波达方向(DOA)估计精度低的问题,提出了一种基于张量域降噪的宽带DOA估计算法。首先,联合各子频带数据构造张量信号;然后进行高阶奇异值分解,并利用最小描述长度准则分离信号与噪声;其次,改进协方差矩阵拟合算法,利用L1范数对信号功率进行约束,获得L1约束问题模型并求解;最后,对所有窄带估计结果进行融合得到宽带信号DOA。仿真结果表明,该算法可有效地降噪,同时较求根多重信号分类算法和旋转不变子空间参数估计算法,该算法对DOA估计无需预知信源数目,且在低信噪比条件下具有较小的均方根误差。
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基于神经网络的纳米光子结构逆设计
田亮, 潘鹏, 刘玉敏
北京邮电大学学报. 2022, 45(3): 112-116. DOI:10.13190/j.jbupt.2021-281
摘要 ( 508 ) PDF ( 425 ) HTML( 425 ) 　　
同扫描参数优化的方法相比,神经网络模型可以在设计误差很小的情况下大大提高结构逆设计的效率。在模拟器与发生器串联的复合模型基础上,提出了2种有效的神经网络复合模型:基于生成对抗思想引入评价模块的复合模型和基于多任务学习增加模拟器模块的复合模型。在传输矩阵法模拟的数据集上进行有效训练后,将2个模型应用于多层薄膜吸收光谱的逆设计,并用具有特殊形状的目标光谱验证了2个模型的逆设计结果。最后,利用多任务串联网络模型设计了多层太阳能吸收器结构参数,在300~1500nm范围内,平均吸收率可达96%。
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