封面解析
封面呈现了光纤通信传感一体化的两种核心工作方式，即前向通信与前向传感（通过解析前向传输光信号实现）以及前向通信与后向传感（通过解析后向散射光信号实现）。所设计的光纤同时承担通信传输和外界参量传感的双重功能：光纤下方的图像表示光纤传输的多业务通信数据流，涵盖图像、文字及多媒体业务等；光纤上方的声波装置产生模拟道路车辆、环境噪声等物理扰动的振动波纹，既可通过前向光信号调制进行特征解调（前向传感，实现长距离振动监测），也可通过解析后向散射实现光重构（后向传感，获取高精度振动时空分布）。这一设计以城市基础设施为应用背景，为构建智慧城市感知通信融合网络提供理论和技术支撑。
文章来源：2025年第13期内封底文章 |
导读
光纤通信传感一体化（F-ISAC）技术具有实现高速数据传输和实时环境感知的双重功能，近年来受到学术界和产业界的高度关注。西南交通大学闫连山教授团队特邀综述根据前传通感一体化和散射通感一体化两种主要技术类型，总结了F-ISAC系统架构和复用技术的研究进展，并从F-ISAC系统的关键技术原理、最新研究现状以及典型应用案例等方面分析和探讨了不同系统架构和复用技术（波分复用、频分复用、空分复用以及时频复用）的优缺点，为高速F-ISAC技术的发展和应用提供了参考。文章被选为内封底文章。
01
研究背景
光网络是现代信息传输的核心载体，下一代通信技术对光网络提出了超大容量传输与实时智能感知的双重需求，融合光纤通信和光纤传感的新型一体化光网络技术对突破传统通信传感分立系统的应用局限至关重要。基于光缆可以同时作为超高速信息传输载体和外界物理量（如温度、应变、振动等）感知媒介的物理属性，探索高效复用光网络资源，深度协同通信与传感功能的光纤通信传感一体化（F-ISAC）技术为交通监测、管网维护、地质灾害预警以及海洋监测等重大应用场景提供了高效可靠的技术储备。
面向多场景的传感需求，在既有通信架构和系统的基础上，探索在通信无弱损伤的前提下实现高性能全链路精准感知的融合一体化技术是当前光纤通感一体化技术亟需突破的重难点。此外，如何利用通信和传感的优势实现更深度融合，突破现有通信传感系统的性能瓶颈也是通感一体化技术需要发展的方向。
02
光纤通信传感一体化系统研究
F-ISAC系统通过复用既有光网络资源（光缆和光电器件），形成前传通感一体化和散射通感一体化两大技术路线，并在两大技术路线的基础上利用通信技术中的多种复用技术实现通信和传感一体化耦合和解耦，具体包括：空分复用（SDM）、波分复用（WDM）、频分复用（FDM）、数字子载波复用（DSCM）以及新型时频复用（TFM）和全系统复用（RS）等，如图1所示。
图1 光纤通感一体化现有技术类型
前传通感一体化通过解析前传通信信号的偏振态或相位变化实现环境感知，在系统实现时仅需修改通信接收端的数字信号处理模块。如图2左图所示，发送端光信号保持稳定的偏振态输出，信号在光缆中传输时受链路扰动影响，其偏振态发生旋转，接收端通过解析偏振态变化即可感知链路扰动。此外，解析前传信号的相位变化也可实现扰动测量，且光信号相位具有比偏振态更高的传感灵敏度。前传信号参量解析结合双向对称光缆（如同一光缆的不同纤芯）可实现扰动位置的准确定位。如图2右图所示，根据收发两侧光信号的相对传输时延与扰动位置的数理关系可准确定位扰动。
前传通感一体化技术能复用系统的所有光电器件和光缆（RS型），具有高集成度和成本效益，但该技术难以获取完整的全链路感知信息，在传感应用方面存在一定局限性。
图2 前传信号偏振态传感原理图（左）；传统双向传感和双向F-ISAC示意图（右）
散射通感一体化通过在发送端将传感信号与通信信号耦合发送实现传输。通信接收端（远端）解耦解调前传通信信号以完成通信业务，发送端则解调散射信号实现环境感知。常用技术方法包括SDM、WDM、FDM等。
图3（a）展示了SDM中的模分复用技术方案，利用多模光纤的不同模式分别承载通信和传感功能；该方案采用同波长光源以提高光谱效率。图3（b）为典型WDM方案，使用不同波长信道分别实现通信和传感功能。此方案信号分离度高，无需改动现有通信与传感系统，可提供数十Tbit/s通信容量及m级传感分辨率，工程应用成熟度较高，但系统集成度较低。图3（c）为典型FDM方案，采用同一波长信道内的不同频率信道实现通信和传感功能。相比WDM系统，该方案具有更高的频谱效率和集成度，且能兼容WDM系统；但其通感信号参数需优化从而实现更优的综合性能。
图3 不同技术方法的F-ISAC系统方案。（a）模分复用；（b）WDM；（c）DSCM
研究团队提出时频复用F-ISAC系统以更高效利用时频资源。该系统通过开发幅度调制（如脉冲幅度调制PAM）通信系统中未充分利用的相位频率维度，采用基于线性调频载波的强度调制直接探测（IMDD）一体化架构，同时实现高速通信和分布式声波传感（DAS）。
该方案利用调频载波的受激布里渊散射抑制特性，突破了常规IMDD系统的功率限制，提升了系统发射功率与自相位调制（SPM）强度，进而缓解了色散引起的功率衰落，提升了通信性能。图4的实验结果表明，该系统可有效增强通信性能，且其传感性能相比单独DAS系统仅出现轻微下降（精度降低1.25 dB）。
图4 时频复用F-ISAC方案。时频复用一体化系统原理（上）；（a）不同发送功率下，传统通信系统与F-ISAC系统的信号误码率对比；（b）不同接收功率下，传统通信系统与F-ISAC系统中信号误码率对比；（c）传统传感系统与F-ISAC系统的传感精度及信噪比对比；（d）通信码率对传感精度的影响
03
总结与展望
由于通信和传感在信号格式、功率需求等多方面的区别和矛盾，当前F-ISAC系统面临高效一体化信号协同设计缺失（超越简单信号叠加）、通感相互干扰（性能优化）、多功能高兼容光电器件缺失（兼顾通感需求）、通感协同机制空白以及标准化部署不足等核心挑战。
未来需要重点发展前向与散射融合一体化架构（如：双向相干网络与区域聚焦分布式传感协同），突破通信-感知双向赋能（如：利用传感数据动态优化信道参数，联合通信信号特征提升事件检测精度等），并进一步拓展至通感算一体、空天地海一体化网络等场景，推动光网络从“传输管道”向“智能感知体”跃迁，为智慧城市、智慧交通、智慧管网、灾害预警等领域提供关键技术支撑。
团队简介
西南交通大学信息光子与通信研究团队聚集国家重大需求和学科前沿，重点开展高速光纤通信、光电信息处理、光电融合集成、高铁网络安全等领域的创新研究。团队主持承担国家重点研发计划项目、国家自然科学基金重点项目等国家级重大科研项目，累计在Phys. Rev. Lett.、 Light: S&A.、 Laser Photon. Rev.等国际期刊发表高水平学术论文300余篇。研究成果获得教育部技术发明奖、自然科学奖，中国交通运输协会科技进步奖，中国电子学会自然科学奖，中国通信学会技术发明奖等；主持建设国家级一流本科课程，获国家级教学成果二等奖、省级教学成果奖等；培养博士硕士研究生200余人，学生获IEEE光子学会十佳研究生奖、SPIE光学与光子学教育奖学金、中国光学工程学会创新论文奖等多项荣誉。
科学编辑 | 何海军
编辑 | 杨晨
