近日，厦门大学海洋与地球学院光学海洋学实验室（OOL）、海洋生物地球化学全国重点实验室（MEL）、鹭江创新实验室（Fujian-OI）上官明佳教授团队以“Single-pixel single-photon underwater laser communication with a coiled-fiber receiver”为题，在国际期刊 Optics Letters 上发表最新研究结果。该研究创新性地提出一种单光子水下激光通信方法，有效解决了单光子探测在弱光通信中面临的两大核心挑战——探测器死时间限制与收发端严格对准要求。

图1.单像素单光子水下激光通信系统。（a-1）发射端示意图；（a-2）接收端示意图；（b-1）水下发射端；（b-2）水下接收端；（c-1）、（c-2）水槽实验；（d）游泳池实验

研究背景

水下无线光通信具有传输速率高、通信时延低和可用带宽大等优势，是水声通信的重要补充。然而，激光在水中传播时受到吸收、散射及水体湍流的共同影响，随着通信距离增加或水体浑浊程度提高，接收端光信号迅速衰减，严重制约系统的传输距离和链路稳定性。

单光子探测技术具备极高的探测灵敏度，能够在光子匮乏条件下实现极微弱信号的探测，是拓展水下光通信距离的重要技术手段。但单光子探测仍面临两项关键瓶颈：其一，单光子探测器存在探测死时间，难以分辨短时间内近乎同时到达的多个光子，导致探测效率下降，误码率随之升高；其二，激光束高度准直，水下平台运动、水体湍流及机械振动易引起光束偏移和入射角波动，增加收发端持续精准对准的难度。

采用光子数分辨探测器、探测器阵列或多输入多输出架构，虽能提高光子接收能力，但通常需要多通道读出、通道间同步、增益标定或信道匹配，增加了接收端结构和数据处理流程的复杂度。因此，亟需发展一种结构紧凑、对准容差较大、同时能提高单像素探测器有效光子处理能力的新型水下光通信接收方案。

研究结果

本研究构建了由激光发射端、水下无线光信道和盘绕光纤接收端组成的单像素单光子水下激光通信系统。发射端采用自主研制的FPGA调制模块和开关键控（OOK）调制方式，调制频率为0.8 MHz；1064 nm脉冲激光经放大和二次谐波产生后转换为532 nm绿色脉冲激光，平均功率为7.28 W，脉冲宽度约为3 ns，光束发散角约为1 mrad。

接收端采用长度为200 m的裸多模光纤，其数值孔径为0.22、纤芯直径为62.5 μm。光纤紧密盘绕于直径约15 cm的光纤盘上，形成宽约7 cm的紧凑型接收区域。入射光无需经过传统接收透镜，可直接由裸光纤侧表面耦合进入光纤，从而增大有效接收面积，降低系统对光束位置偏移和入射角度变化的敏感性。

图2. 光纤接收器的时间分辨光子计数结果。（a）以激光触发信号为参考，在1 s内累积得到的光子到达时间直方图；（b）连续四个发射脉冲对应的光子到达时间分布。

光纤不仅承担光子收集功能，还能利用位置相关的传播时延实现空间——时间光子映射。不同位置耦合进入光纤的光子具有不同的传播路径长度，因此会在不同时间到达单光子探测器。由此，原本集中在短脉冲内、可能受探测器死时间限制的多个光子被分散至更长的时间范围，使一个单像素单光子雪崩二极管也能够分辨多个光子事件，形成类似光子数分辨探测的响应。对于0.8 Mbps的OOK信号，每个码元周期为1.25 μs。实验测得200 m多模光纤引入的最大时延展宽约为0.98 μs，并保留约0.27 μs的保护间隔有效避免了相邻码元的码间干扰。

为验证系统性能，研究团队分别开展了实验水池远距离实验和高衰减水槽实验。实验水池尺寸为50 m × 25 m × 1.8 m，实验测试了衰减长度分别为3.08 m和4.65 m的两种水体条件。

图3. 游泳池实验中1秒内累积的每发射脉冲所接收光子计数的直方图。传播距离分别为52 m、56 m、85 m和100 m；随着距离增加，光子计数分布逐渐向低光子数方向移动。

实验水池结果表明，尽管接收光子数随着传播距离增加而不断减少，系统在长距离条件下仍能够获得可区分的光子计数分布。在衰减长度为3.08 m的水体中，系统在52 m和56 m传播距离下的误码率低于3.8 × 10^-3的前向纠错阈值；在衰减长度为4.65 m的水体中，通信距离进一步拓展至85 m。

图4. 游泳池实验中误码率与每脉冲检测到的平均光子数及传播距离之间的关系。灰色方块和红色圆点分别对应衰减长度3.08 m和4.65 m；点划线表示3.8 × 10^-3的前向纠错阈值。

为进一步评价系统在强衰减水体中的通信性能，研究团队在尺寸为12 m × 1 m × 0.6 m的水槽中开展实验，并通过向水中加入细小尘埃颗粒调节水体浑浊程度，构建衰减长度分别为0.89 m和0.50 m的两种高衰减水体环境。

与游泳池实验相比，高衰减水体中的光子计数分布随距离增加而下降得更快。但即使传播距离接近20个衰减长度，系统仍能够获得较为清晰的光子计数分布。

在衰减长度为0.89 m的高衰减水体中，系统在9.6 m传播距离下的误码率仍低于前向纠错阈值，验证了盘绕光纤的光子收集和时间展宽能力能够有效提升单像素单光子水下通信系统在强衰减水体中的通信性能。

研究意义及展望

本研究提出的盘绕光纤接收器可通过两种机制改善单像素单光子水下无线光通信性能：一是利用裸光纤侧表面直接接收激光光子，形成无透镜光学耦合结构，降低系统对发射端与接收端精确对准的依赖；二是利用不同耦合位置对应的传播路径差异，实现空间—时间光子映射，使单像素探测器能够分辨一个发射脉冲内的多个光子事件。

该方法仅需一个单像素单光子雪崩二极管和一个时间数字转换通道，无需使用光子数分辨探测器、探测器阵列、SiPM阵列或MIMO接收结构，避免了复杂的多通道读出、通道间同步、增益标定和信道匹配，在提高有效光子利用率的同时简化了接收端架构。

目前，系统传输速率主要受到200 m盘绕光纤所引入时间展宽的限制。未来，通过采用计数率更高、探测死时间更短的单光子探测器，可缩短盘绕光纤长度，减小时延展宽并进一步提高通信速率。此外，裸光纤接收单元还可与水下有线光纤网络结合，在更大空间范围内收集无线激光通信信号，为构建灵活、稳健和可扩展的水下光通信网络提供新的技术路径。

研究团队及资助

论文共同第一作者为欧阳明权和冯波华，通讯作者为厦门大学上官明佳教授。本研究得到国家自然科学基金项目（42476184）、福建省海洋与渔业产业高质量发展专项资金项目（FTHYF-L-2025-07-016）以及福建省自然科学基金杰出青年科学基金项目（2026J010006）的资助。

论文来源及链接

Ouyang M., Feng B., Shangguan M. Single-pixel single-photon underwater laser communication with a coiled-fiber receiver. Optics Letters, 2026.DOI：https://doi.org/10.1364/OL.605000.

供稿：上官明佳课题组

编辑：苏颖

审核：余小龙 曹知勉