江輝明

（中通服咨詢(xún)?cè)O(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 南京 210019）

0 引 言

可見(jiàn)光通信技術(shù)（Visible Light communication，VLC）是一種以發(fā)光二極管自身性能為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)高效率數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N信息技術(shù)。這一技術(shù)最早由德國(guó)物理學(xué)家提出，到現(xiàn)在已經(jīng)得到極為廣泛的應(yīng)用，相對(duì)傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)接入方式來(lái)說(shuō)，可見(jiàn)光通信技術(shù)有著更強(qiáng)的可移動(dòng)性和環(huán)保性，同時(shí)可以拓寬頻譜資源，進(jìn)一步優(yōu)化接入網(wǎng)技術(shù)。運(yùn)用LED光源可同時(shí)達(dá)到照明與通信的目的。下文分別從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、發(fā)展現(xiàn)狀以及所面臨的問(wèn)題3個(gè)方面進(jìn)行介紹，深入分析與探討可見(jiàn)光通信技術(shù)。

1 系統(tǒng)架構(gòu)特點(diǎn)

可見(jiàn)光通信技術(shù)在系統(tǒng)構(gòu)造方面，與傳統(tǒng)無(wú)線通信技術(shù)有著較高的相似度，其系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示?？梢?jiàn)光通系統(tǒng)主要可分為自由空間可見(jiàn)光傳輸裝置、可見(jiàn)光信號(hào)發(fā)射裝置以及可見(jiàn)光信號(hào)接收裝置3個(gè)部分。在可見(jiàn)光通信系統(tǒng)的使用階段，一般會(huì)在LED燈頭部位增設(shè)聚光杯和光學(xué)透鏡，以減小光束發(fā)射的角度，從而達(dá)到增大傳輸距離和增強(qiáng)接收端光源強(qiáng)度的效果。

圖1 可見(jiàn)光通信系統(tǒng)架構(gòu)

可見(jiàn)光信號(hào)進(jìn)入自由空間信道后，繼續(xù)完成傳輸過(guò)程。自由空間信道可分為兩種，一種為室內(nèi)信道，另一種為室外信道。前者可保證光信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，后者在這方面的性能較弱，容易受到外界因素的影響?？梢?jiàn)光傳輸多以直射方式達(dá)到接收端間，漫射信號(hào)和散射信號(hào)的數(shù)量較少。在經(jīng)過(guò)自由空間信道之后，可見(jiàn)光信號(hào)會(huì)直接到達(dá)接收模塊。

可見(jiàn)光信號(hào)以直射路徑達(dá)到光電探測(cè)裝置，但現(xiàn)實(shí)中為提高接收端的光照強(qiáng)度，增加信號(hào)信噪比等，會(huì)通過(guò)加設(shè)聚光透鏡等設(shè)備以滿(mǎn)足實(shí)際的聚焦要求。此后，光電探測(cè)器會(huì)接收可見(jiàn)光信號(hào)，順利完成光信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。最后，電信號(hào)會(huì)進(jìn)入系統(tǒng)接收端的信號(hào)恢復(fù)模塊和信號(hào)處理模塊，利用數(shù)字信號(hào)恢復(fù)技術(shù)和均衡算法對(duì)其作出一系列處理，修復(fù)系統(tǒng)損傷，消除噪聲影響，完成接收信號(hào)的解調(diào)和解碼，恢復(fù)原始發(fā)射信號(hào)。

2 可見(jiàn)光通信技術(shù)現(xiàn)狀概述

2.1 材料器件現(xiàn)狀

2.1.1 新型光發(fā)射器件

基于LED的可見(jiàn)光通信技術(shù)運(yùn)行效率高、使用壽命長(zhǎng)、系統(tǒng)發(fā)熱少且開(kāi)啟速度快，同時(shí)可以避免電磁干擾，具有極強(qiáng)的穩(wěn)定性。但站在另一角度來(lái)分析，LED的發(fā)光效率容易受到某些不良效應(yīng)的限制，導(dǎo)致發(fā)光效果并不十分理想[1]。將InGaN運(yùn)用到高速可見(jiàn)光激光器中，主動(dòng)元件和被動(dòng)元件可以更好集成，最大化呈現(xiàn)出光學(xué)吸收和增益等優(yōu)質(zhì)性能。即便LED的調(diào)制帶寬較大，但也會(huì)受到噪聲的影響，導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中存在較多的安全隱患，這是急需解決的一項(xiàng)問(wèn)題。超輻射發(fā)光二極管是一種新型固態(tài)照明光源，有著無(wú)散斑和高亮度的特點(diǎn)。和LED相對(duì)比，超輻射發(fā)光二極管幾乎不存在載流子泄露和俄歇復(fù)合泄露的情況，同時(shí)在電流密度越強(qiáng)的運(yùn)行環(huán)境中，其外量子效率也會(huì)越大。此外，與高速可見(jiàn)光激光器相對(duì)比，超輻射發(fā)光二極管的白光具有良好的顯色性能[2]。

2.1.2 新型光探測(cè)器

（1）3×3集成PIN陣列。PIN陣列探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間短，具有較高的靈敏性，并且光電轉(zhuǎn)換線性度良好，后端處理電路的構(gòu)造簡(jiǎn)單。一般來(lái)講，PIN發(fā)光二極管主要利用快速熱化學(xué)氣相沉積技術(shù)來(lái)設(shè)計(jì)和制作，讓接收光功率與結(jié)電容之間形成一種制約關(guān)系，利用引線鍵合技術(shù)集成PIN陣列與PCB，同時(shí)將電路與光電檢測(cè)器集成到PCB上，重新封裝光路系統(tǒng)，從而提高系統(tǒng)器件的散熱性能，促進(jìn)電路解碼與通信協(xié)議的高效集成[3]。

（2）納米材料。柔性納米材料可見(jiàn)光接收器和基于納米圖案雙曲線超材料的有機(jī)顏色轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用較為廣泛。柔性納米材料可見(jiàn)光接收器運(yùn)用于可見(jiàn)光通信系統(tǒng)中，能夠促進(jìn)光通信效率的提高，實(shí)現(xiàn)高速的數(shù)據(jù)通信效果；基于納米圖案雙曲線超材料的有機(jī)顏色轉(zhuǎn)換器，在極大程度上提升了帶寬，降低了分子結(jié)構(gòu)的限制。

2.2 系統(tǒng)現(xiàn)狀

想要進(jìn)一步增加可見(jiàn)光傳輸距離，需合理化調(diào)整系統(tǒng)的收發(fā)器件和調(diào)制技術(shù)等。國(guó)內(nèi)外在這方面做出了研究，對(duì)系統(tǒng)傳輸速率等方面做出了改進(jìn)，最終利用均衡技術(shù)開(kāi)發(fā)出在1 m傳輸距離內(nèi)，傳輸速度可達(dá)10.72 Gb/s的可見(jiàn)光傳輸系統(tǒng)。截止到目前為止，這是當(dāng)今世界上傳輸速率最高的可見(jiàn)光通信系統(tǒng)。

3 未來(lái)發(fā)展需要解決的問(wèn)題以及發(fā)展展望

3.1 需要解決的問(wèn)題

3.1.1 頻率響應(yīng)問(wèn)題

現(xiàn)階段來(lái)看，可見(jiàn)光通信技術(shù)在頻率響應(yīng)方面仍存在一些問(wèn)題，導(dǎo)致高頻部分的耗損較為嚴(yán)重，LED帶寬比較窄，一般會(huì)將其限制在10 MHz的范圍內(nèi)。針對(duì)這項(xiàng)問(wèn)題，可采用集成封裝照明通信LED芯片，利用均衡技術(shù)將帶寬提高到80 MHz，利用表面等離子體LED和微結(jié)構(gòu)LED等，以上途徑都可以有效解決帶寬過(guò)窄的問(wèn)題[4]。此外，對(duì)于這一問(wèn)題，我國(guó)中山大學(xué)和復(fù)旦大學(xué)曾合作做出研究，研制出一種直徑在30～60 μm的微結(jié)構(gòu)LED。這種LED使得電流密度獲得大幅度提升，大大簡(jiǎn)短載流子壽命，無(wú)均衡帶寬最高可以達(dá)到600 MHz，極大程度縮短了頻率響應(yīng)時(shí)間。

3.1.2 藍(lán)光效率問(wèn)題

由于硅基探測(cè)器對(duì)紅外波的敏感度更高，藍(lán)光效率有待提升，致使探測(cè)器不能很好接收藍(lán)光LED。針對(duì)藍(lán)光效率問(wèn)題，可將AlGaAs材料運(yùn)用于硅基探測(cè)器的設(shè)計(jì)中提高藍(lán)光效率，開(kāi)發(fā)和使用專(zhuān)用探測(cè)芯片，以探測(cè)器陣列與LED陣列相結(jié)合的設(shè)計(jì)模式優(yōu)化對(duì)可見(jiàn)光通信系統(tǒng)的性能，從而提高藍(lán)光效率[5]。在2015年，我國(guó)復(fù)旦大學(xué)已經(jīng)研制出3×3集成PIN陣列，這是國(guó)際范圍內(nèi)第一個(gè)集成探測(cè)器陣列與LED陣列的偉大發(fā)明，促使可見(jiàn)光通信系統(tǒng)的傳輸性能得到了進(jìn)一步優(yōu)化。而在2017年，基于納米圖形熒光材料可見(jiàn)光吸收器的橫空問(wèn)世，使得可見(jiàn)光通信系統(tǒng)獲得又一次升級(jí)，其柔性曲面接收信號(hào)速度最高達(dá)到400 Mb/s。

3.1.3 大規(guī)模用戶(hù)無(wú)線接入問(wèn)題

接入困難主要是因?yàn)榘l(fā)射天線和接收天線對(duì)透鏡組的要求較高。若在系統(tǒng)上安裝透鏡組，則會(huì)大大增加整個(gè)系統(tǒng)的體積和質(zhì)量，很難在短時(shí)間內(nèi)完成集成。對(duì)此，可利用菲涅爾透鏡，同時(shí)添加藍(lán)光濾膜，為系統(tǒng)集成創(chuàng)造有利條件[6]。

3.2 發(fā)展展望

根據(jù)可見(jiàn)光通信技術(shù)的全球研究結(jié)果表明，我國(guó)在技術(shù)開(kāi)發(fā)和創(chuàng)新等方面正面臨著千載難逢的機(jī)遇。可見(jiàn)光通信技術(shù)將會(huì)迎來(lái)一個(gè)嶄新的LED信息化時(shí)代，而各種不同類(lèi)型的攝像頭和光感二極管等光電器件也會(huì)陸續(xù)被植入終端設(shè)備中，并將隨著時(shí)代變遷得到更加廣泛的運(yùn)用[7]。現(xiàn)如今，我國(guó)應(yīng)積極對(duì)戰(zhàn)略部署做出科學(xué)全面的規(guī)劃，以確?？梢?jiàn)光通信技術(shù)的研究與應(yīng)用得到快速穩(wěn)步的發(fā)展，同時(shí)帶動(dòng)我國(guó)LED產(chǎn)業(yè)的不斷優(yōu)化。通過(guò)對(duì)可見(jiàn)光通信系統(tǒng)進(jìn)行深入分析，對(duì)其系統(tǒng)構(gòu)造、特點(diǎn)以及發(fā)展現(xiàn)狀有了一個(gè)深入了解。根據(jù)這些內(nèi)容可知，高速LED可見(jiàn)光通信系統(tǒng)的發(fā)展中還存在很多障礙，需要國(guó)內(nèi)外科研人員共同攜手解決眼下的難題。

對(duì)于可見(jiàn)光通信技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，需將關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)與網(wǎng)絡(luò)大數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)相結(jié)合，進(jìn)一步提升通信網(wǎng)絡(luò)的寬帶利用率和網(wǎng)絡(luò)傳輸容量，滿(mǎn)足當(dāng)前大數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)以及多媒體業(yè)務(wù)的多項(xiàng)需求。加強(qiáng)可見(jiàn)光通信芯片的開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)光通信技術(shù)在光電芯片上的功能集成，降低功率損耗，改善當(dāng)前可見(jiàn)光通信技術(shù)在知識(shí)產(chǎn)權(quán)風(fēng)險(xiǎn)方面的問(wèn)題，以保證可見(jiàn)光寬帶無(wú)線接入產(chǎn)業(yè)的發(fā)展環(huán)境安全[8]。

在未來(lái)，5G通信技術(shù)必將大規(guī)模普及，而6G時(shí)代也正緩步走來(lái)。將高速LED可見(jiàn)光通信技術(shù)與通用系統(tǒng)設(shè)計(jì)有機(jī)結(jié)合，協(xié)調(diào)好毫米波和射頻通信各個(gè)波段之間的關(guān)系，可促進(jìn)資源的多樣化和集中化。在此基礎(chǔ)上，需進(jìn)一步調(diào)整系統(tǒng)運(yùn)行、信號(hào)分析以及頻段分布等內(nèi)容，全面優(yōu)化系統(tǒng)性能。

4 結(jié) 論

可見(jiàn)光通信技術(shù)是一種新型無(wú)線技術(shù)，具有高速率、大容量以及高安全性等優(yōu)勢(shì)，在當(dāng)今社會(huì)具有相當(dāng)高的應(yīng)用價(jià)值。通過(guò)分析可見(jiàn)光通信技術(shù)，發(fā)現(xiàn)其仍存在很多急需改進(jìn)和創(chuàng)新的方面，這就需要國(guó)內(nèi)外的科研機(jī)構(gòu)共同攜手，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)配置與性能的最優(yōu)化，從而推動(dòng)可見(jiàn)光通信技術(shù)的健康發(fā)展。