南京大学物理学院刘辉、盛冲课题组提出一种兼具保密通信与高精度测距的新型声光转换器

随着“空天地海一体化”信息网络的发展，不同环境中的信息传输方式正在逐渐融合。在陆地和空中，光纤和无线电磁波构成了现代通信网络的基础；而在海洋环境中，由于电磁波在水中的衰减极快，声波仍然是最主要的信息载体。因此，如何实现声波与光信号之间的高效转换，成为构建未来海洋信息网络的重要课题。

近日，来自南京大学、南京师范大学和山西大学的研究团队在《Science Advances》发表题为“Dual-function acoustic-to-optical transducers for underwater encrypted communication and subwavelength distance measurement”的研究成果。他们提出并实验验证了一种兼具通信与感知功能的声光转换器，不仅能够将水下声信号转换为单光子信号并通过光纤远距离传输，还能实现亚波长精度的距离测量以及加密通信。

如图1所示，研究团队设计的核心器件是一种光机械光纤法布里–珀罗腔（Optomechanical Fiber Fabry–Pérot Cavity，OMFPC）。该器件由光纤端面与镀银PET薄膜构成微型法布里–珀罗腔。当水中的声波作用于薄膜时，会引起薄膜振动并改变腔长，进而导致腔内干涉谱发生变化，从而实现声信号到光信号的转换。

图1：把水下声波转换成单光子

实验结果表明，如图2，该器件在约7 kHz附近具有明显共振峰，灵敏度达到约1.7 rad/Pa，噪声等效声压低至1.713 mPa/√Hz，信噪比超过60 dB，展现出优异的声学探测能力。

图2：OMFPC的声学响应特性

仅仅实现声光转换并不足以满足未来网络需求。研究团队进一步引入纠缠光子对，通过参量下转换产生具有频率反关联特性的信号光子和闲置光子，并利用量子关联效应处理声学信息。

如图3所示，水下声波调制后的信息被加载到单光子上，并通过波分复用技术在多个通信信道中进行传输。研究人员成功实现了单光子级别声学信息在10 km和50 km光纤中的稳定传输。实验结果显示，即使经过50 km光纤传播后，声信号仍能够从背景噪声中清晰恢复出来。

这意味着未来海洋中的声学信息可以直接接入现有光纤通信网络，实现海洋与陆地信息系统的无缝连接。

图3：利用量子关联实现声信息远距离传输

除了通信功能外，该系统还具备高精度测距能力。

如图4所示，研究人员利用时间相关单光子计数（TCSPC）技术，通过分析声波相位变化来确定声源位置。系统将声源与参考光信号同步，通过单光子到达时间记录和量子辅助信号重构算法，精确提取声波相位延迟信息。

实验中，研究团队对不同位置的声源进行了测量。结果表明，系统测距分辨率约为0.5 mm，而对应声波波长约为125 mm。换言之，该系统实现了约为声波波长1/250的定位精度。

这种亚波长测距能力远超传统声学定位方法，对于水下目标跟踪、海洋机器人导航以及复杂环境感知具有重要意义。

信息安全是未来通信网络不可回避的问题。研究团队进一步展示了基于符合计数（coincidence counting）的加密通信方案。

如图5所示，研究人员故意向光纤网络中加入经典光噪声。对于窃听者而言，仅能检测到被噪声淹没的单光子信号，因此无法恢复真实声学信息。

而合法用户则利用参考光子与信号光子之间的时间关联，通过符合计数从噪声背景中提取有效信息，实现声学数据的正确解码。研究团队还利用Fisher信息分析证明，在强背景噪声环境下，符合探测仍能够有效保留目标信息。

图5：噪声光纤网络中的加密信息传输

传统水下声学系统往往只能完成通信或探测中的单一任务，而这项工作首次将声光转换、远距离通信、高精度测距以及信息加密集成到同一个平台之中。

研究人员认为，该技术未来有望应用于海洋观测网络、水下机器人协同、海底资源开发以及空天地海一体化通信系统等场景。特别是在量子通信和智能海洋建设快速发展的背景下，这种兼具感知与通信能力的声光转换器，为不同物理载体之间的信息互联提供了一种全新的解决方案。

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adj6963