该文档属于类型a，即报告了一项原始研究。以下是对该研究的学术报告：
作者及研究机构
本研究的主要作者包括Yujian Guo、Juan M. Marin、Islam Ashry、Abderrahmen Trichili、Michelle-Nicole Havlik、Tien Khee Ng、Carlos M. Duarte和Boon S. Ooi。研究机构为沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学（King Abdullah University of Science and Technology, KAUST）的计算机、电气与数学科学与工程学院（Computer, Electrical and Mathematical Sciences and Engineering）以及红海研究中心与计算生物科学研究中心（Red Sea Research Center and Computational Biosciences Research Center）。该研究于2023年发表在《Scientific Reports》期刊上。
学术背景
海洋对人类生存至关重要，提供了自然资源和全球大部分的氧气供应，并在全球经济发展中占据重要地位。然而，尽管海洋被认为是“寂静的世界”，实际上它充满了由海洋生物和地质过程产生的自然声音。人类活动产生的水下声音，如主动声呐、海上交通和近海石油与矿产勘探，显著影响了水下声景和物种。本研究旨在开发一种基于光纤的联合通信与传感技术，以减少海洋噪声污染，同时为多种水下应用提供连接。该多功能光纤系统能够实现双向数据传输，监测海底部署光纤附近的海洋生物和船舶运动，并感知温度。此外，部署的光纤还可用于传输能量，供水下物联网（Internet of Underwater Things, IoUTs）设备使用。
研究流程
1. 系统设计
研究设计了一种基于多芯光纤（Multicore Fiber, MCF）的混合系统，能够同时实现多功能通信、声学传感、温度传感和光纤能量传输（Power-over-Fiber, PoWF）。该系统利用MCF的特性，减少了信号之间的串扰，实现了多参数传感和通信的集成。
实验部署
实验在红海的一个港口运河中部署了一段约1公里长的MCF。在高速通信的同时，系统能够监测运河中摩托艇的运动、感知光纤附近的海洋生物活动，并传输能量。温度传感功能也在用户端进行了演示。
分布式声学传感（Distributed Acoustic Sensing, DAS）
DAS系统用于检测声学事件的位置和频率，以监测光纤附近的海洋生物活动和船舶运动。实验中使用水下扬声器生成预定的1000 Hz单频声音，并通过归一化差分法和快速傅里叶变换（FFT）确定声源位置和频率。
全双工通信（Full-Duplex Communication, FD）
系统在MCF的两个核心上实现了3.2 Gbps的全双工通信，使用开关键控（On-Off Keying, OOK）调制方案。通过比特误码率（Bit Error Rate, BER）测试，验证了通信质量。
光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating, FBG）温度传感
FBG传感器用于监测环境温度。实验中，FBG被放置在可控制温度的水浴中，通过监测FBG透射光谱的偏移来测量温度变化。
光纤能量传输（Power-over-Fiber, PoWF）
PoWF功能通过MCF的一个核心传输连续波（Continuous Wave, CW）光信号，使用铟镓砷（InGaAs）光电二极管将光信号转换为电流，为超级电容器充电。
主要结果
1. DAS系统成功检测到摩托艇的运动和海洋生物的声音，并准确提取了声源位置和频率。例如，摩托艇的声音峰值频率为1341 Hz，与小型船舶的特征频率范围一致。 2. 全双工通信系统在两个核心上的BER分别保持在7.4×10^-7和7.6×10^-7，远低于前向纠错（Forward Error Correction, FEC）的限值3.8×10^-3，表明通信质量良好。 3. FBG温度传感系统能够准确测量环境温度，与商用温度计的测量结果一致。FBG的温度灵敏度为9.4 pm/°C。 4. PoWF系统成功将12 mW的光功率转换为电流，为超级电容器充电，验证了光纤能量传输的可行性。
结论
该研究提出了一种基于MCF的混合通信、传感和能量传输系统，为全球海洋观测网络提供了一种无需显著修改或额外部署传感器的解决方案。该系统能够同时实现高速通信、声学传感、温度传感和能量传输，具有广泛的应用潜力，如海洋科学、海岸线监测和水下设备供电。该设计为通信与海洋传感的融合铺平了道路，特别是在MCF逐渐取代单模光纤（Single-Mode Fiber, SMF）和多模光纤（Multimode Fiber, MMF）的背景下。
研究亮点
1. 多功能集成：首次在单一MCF上实现了通信、声学传感、温度传感和能量传输的多功能集成。 2. 高效通信：在3.2 Gbps的全双工通信中，BER保持在极低水平，验证了通信系统的高效性。 3. 精准传感：DAS系统能够精确定位声源并提取频率，FBG温度传感系统具有高灵敏度。 4. 能量传输：PoWF技术为水下设备提供了连续供电的解决方案，减少了电池更换的需求。
其他价值
该研究不仅为海洋科学提供了新的观测工具，还为水下物联网设备的发展提供了技术支持。通过利用现有的海底光纤网络，该设计能够以低成本实现全球海洋观测，填补了深海观测的空白。此外，光纤能量传输技术为水下设备的长期运行提供了可持续的能源解决方案，具有重要的应用价值。