可見光通信技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與展望

江輝明

（中通服咨詢設(shè)計研究院有限公司，江蘇 南京 210019）

0 引 言

可見光通信技術(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，相對傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)接入方式來說，可見光通信技術(shù)有著更強的可移動性和環(huán)保性，同時可以拓寬頻譜資源，進一步優(yōu)化接入網(wǎng)技術(shù)。運用LED光源可同時達到照明與通信的目的。下文分別從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點、發(fā)展現(xiàn)狀以及所面臨的問題3個方面進行介紹，深入分析與探討可見光通信技術(shù)。

1 系統(tǒng)架構(gòu)特點

可見光通信技術(shù)在系統(tǒng)構(gòu)造方面，與傳統(tǒng)無線通信技術(shù)有著較高的相似度，其系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。可見光通系統(tǒng)主要可分為自由空間可見光傳輸裝置、可見光信號發(fā)射裝置以及可見光信號接收裝置3個部分。在可見光通信系統(tǒng)的使用階段，一般會在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，從而達到增大傳輸距離和增強接收端光源強度的效果。

圖1 可見光通信系統(tǒng)架構(gòu)

可見光信號進入自由空間信道后，繼續(xù)完成傳輸過程。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。可見光傳輸多以直射方式達到接收端間，漫射信號和散射信號的數(shù)量較少。在經(jīng)過自由空間信道之后，可見光信號會直接到達接收模塊。

可見光信號以直射路徑達到光電探測裝置，但現(xiàn)實中為提高接收端的光照強度，增加信號信噪比等，會通過加設(shè)聚光透鏡等設(shè)備以滿足實際的聚焦要求。此后，光電探測器會接收可見光信號，順利完成光信號到電信號的轉(zhuǎn)換。最后，電信號會進入系統(tǒng)接收端的信號恢復(fù)模塊和信號處理模塊，利用數(shù)字信號恢復(fù)技術(shù)和均衡算法對其作出一系列處理，修復(fù)系統(tǒng)損傷，消除噪聲影響，完成接收信號的解調(diào)和解碼，恢復(fù)原始發(fā)射信號。

2 可見光通信技術(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的可見光通信技術(shù)運行效率高、使用壽命長、系統(tǒng)發(fā)熱少且開啟速度快，同時可以避免電磁干擾，具有極強的穩(wěn)定性。但站在另一角度來分析，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運用到高速可見光激光器中，主動元件和被動元件可以更好集成，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，但也會受到噪聲的影響，導(dǎo)致系統(tǒng)運行過程中存在較多的安全隱患，這是急需解決的一項問題。超輻射發(fā)光二極管是一種新型固態(tài)照明光源，有著無散斑和高亮度的特點。和LED相對比，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，同時在電流密度越強的運行環(huán)境中，其外量子效率也會越大。此外，與高速可見光激光器相對比，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 新型光探測器

（1）3×3集成PIN陣列。PIN陣列探測器的響應(yīng)時間短，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)造簡單。一般來講，PIN發(fā)光二極管主要利用快速熱化學(xué)氣相沉積技術(shù)來設(shè)計和制作，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，同時將電路與光電檢測器集成到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。柔性納米材料可見光接收器和基于納米圖案雙曲線超材料的有機顏色轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用較為廣泛。柔性納米材料可見光接收器運用于可見光通信系統(tǒng)中，能夠促進光通信效率的提高，實現(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

想要進一步增加可見光傳輸距離，需合理化調(diào)整系統(tǒng)的收發(fā)器件和調(diào)制技術(shù)等。國內(nèi)外在這方面做出了研究，對系統(tǒng)傳輸速率等方面做出了改進，最終利用均衡技術(shù)開發(fā)出在1 m傳輸距離內(nèi)，傳輸速度可達10.72 Gb/s的可見光傳輸系統(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光通信系統(tǒng)。

3 未來發(fā)展需要解決的問題以及發(fā)展展望

3.1 需要解決的問題

3.1.1 頻率響應(yīng)問題

現(xiàn)階段來看，可見光通信技術(shù)在頻率響應(yīng)方面仍存在一些問題，導(dǎo)致高頻部分的耗損較為嚴重，LED帶寬比較窄，一般會將其限制在10 MHz的范圍內(nèi)。針對這項問題，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窄的問題[4]。此外，對于這一問題，我國中山大學(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，大大簡短載流子壽命，無均衡帶寬最高可以達到600 MHz，極大程度縮短了頻率響應(yīng)時間。

3.1.2 藍光效率問題

由于硅基探測器對紅外波的敏感度更高，藍光效率有待提升，致使探測器不能很好接收藍光LED。針對藍光效率問題，可將AlGaAs材料運用于硅基探測器的設(shè)計中提高藍光效率，開發(fā)和使用專用探測芯片，以探測器陣列與LED陣列相結(jié)合的設(shè)計模式優(yōu)化對可見光通信系統(tǒng)的性能，從而提高藍光效率[5]。在2015年，我國復(fù)旦大學(xué)已經(jīng)研制出3×3集成PIN陣列，這是國際范圍內(nèi)第一個集成探測器陣列與LED陣列的偉大發(fā)明，促使可見光通信系統(tǒng)的傳輸性能得到了進一步優(yōu)化。而在2017年，基于納米圖形熒光材料可見光吸收器的橫空問世，使得可見光通信系統(tǒng)獲得又一次升級，其柔性曲面接收信號速度最高達到400 Mb/s。

3.1.3 大規(guī)模用戶無線接入問題

接入困難主要是因為發(fā)射天線和接收天線對透鏡組的要求較高。若在系統(tǒng)上安裝透鏡組，則會大大增加整個系統(tǒng)的體積和質(zhì)量，很難在短時間內(nèi)完成集成。對此，可利用菲涅爾透鏡，同時添加藍光濾膜，為系統(tǒng)集成創(chuàng)造有利條件[6]。

3.2 發(fā)展展望

根據(jù)可見光通信技術(shù)的全球研究結(jié)果表明，我國在技術(shù)開發(fā)和創(chuàng)新等方面正面臨著千載難逢的機遇。可見光通信技術(shù)將會迎來一個嶄新的LED信息化時代，而各種不同類型的攝像頭和光感二極管等光電器件也會陸續(xù)被植入終端設(shè)備中，并將隨著時代變遷得到更加廣泛的運用[7]。現(xiàn)如今，我國應(yīng)積極對戰(zhàn)略部署做出科學(xué)全面的規(guī)劃，以確保可見光通信技術(shù)的研究與應(yīng)用得到快速穩(wěn)步的發(fā)展，同時帶動我國LED產(chǎn)業(yè)的不斷優(yōu)化。通過對可見光通信系統(tǒng)進行深入分析，對其系統(tǒng)構(gòu)造、特點以及發(fā)展現(xiàn)狀有了一個深入了解。根據(jù)這些內(nèi)容可知，高速LED可見光通信系統(tǒng)的發(fā)展中還存在很多障礙，需要國內(nèi)外科研人員共同攜手解決眼下的難題。

對于可見光通信技術(shù)的發(fā)展趨勢，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)的多項需求。加強可見光通信芯片的開發(fā)，實現(xiàn)可見光通信技術(shù)在光電芯片上的功能集成，降低功率損耗，改善當(dāng)前可見光通信技術(shù)在知識產(chǎn)權(quán)風(fēng)險方面的問題，以保證可見光寬帶無線接入產(chǎn)業(yè)的發(fā)展環(huán)境安全[8]。

在未來，5G通信技術(shù)必將大規(guī)模普及，而6G時代也正緩步走來。將高速LED可見光通信技術(shù)與通用系統(tǒng)設(shè)計有機結(jié)合，協(xié)調(diào)好毫米波和射頻通信各個波段之間的關(guān)系，可促進資源的多樣化和集中化。在此基礎(chǔ)上，需進一步調(diào)整系統(tǒng)運行、信號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

可見光通信技術(shù)是一種新型無線技術(shù)，具有高速率、大容量以及高安全性等優(yōu)勢，在當(dāng)今社會具有相當(dāng)高的應(yīng)用價值。通過分析可見光通信技術(shù)，發(fā)現(xiàn)其仍存在很多急需改進和創(chuàng)新的方面，這就需要國內(nèi)外的科研機構(gòu)共同攜手，實現(xiàn)系統(tǒng)配置與性能的最優(yōu)化，從而推動可見光通信技術(shù)的健康發(fā)展。