可見光通信技術發展現狀與展望

江輝明

（中通服咨詢設計研究院有限公司，江蘇 南京 210019）

0 引 言

可見光通信技術（Visible Light communication，VLC）是一種以發光二極管自身性能為基礎，實現高效率數據傳輸的一種信息技術。這一技術最早由德國物理學家提出，到現在已經得到極為廣泛的應用，相對傳統網絡接入方式來說，可見光通信技術有著更強的可移動性和環保性，同時可以拓寬頻譜資源，進一步優化接入網技術。運用LED光源可同時達到照明與通信的目的。下文分別從系統結構特點、發展現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。

1 系統架構特點

可見光通信技術在系統構造方面，與傳統無線通信技術有著較高的相似度，其系統架構如圖1所示。可見光通系統主要可分為自由空間可見光傳輸裝置、可見光信號發射裝置以及可見光信號接收裝置3個部分。在可見光通信系統的使用階段，一般會在LED燈頭部位增設聚光杯和光學透鏡，以減小光束發射的角度，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 可見光通信系統架構

可見光信號進入自由空間信道后，繼續完成傳輸過程。自由空間信道可分為兩種，一種為室內信道，另一種為室外信道。前者可保證光信號傳輸的穩定性，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量較少。在經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，會通過加設聚光透鏡等設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換。最后，電信號會進入系統接收端的信號恢復模塊和信號處理模塊，利用數字信號恢復技術和均衡算法對其作出一系列處理，修復系統損傷，消除噪聲影響，完成接收信號的解調和解碼，恢復原始發射信號。

2 可見光通信技術現狀概述

2.1 材料器件現狀

2.1.1 新型光發射器件

基于LED的可見光通信技術運行效率高、使用壽命長、系統發熱少且開啟速度快，同時可以避免電磁干擾，具有極強的穩定性。但站在另一角度來分析，LED的發光效率容易受到某些不良效應的限制，導致發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，最大化呈現出光學吸收和增益等優質性能。即便LED的調制帶寬較大，但也會受到噪聲的影響，導致系統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。超輻射發光二極管是一種新型固態照明光源，有著無散斑和高亮度的特點。和LED相對比，超輻射發光二極管幾乎不存在載流子泄露和俄歇復合泄露的情況，同時在電流密度越強的運行環境中，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陣列探測器的響應時間短，具有較高的靈敏性，并且光電轉換線性度良好，后端處理電路的構造簡單。一般來講，PIN發光二極管主要利用快速熱化學氣相沉積技術來設計和制作，讓接收光功率與結電容之間形成一種制約關系，利用引線鍵合技術集成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，從而提高系統器件的散熱性能，促進電路解碼與通信協議的高效集成[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換器的應用較為廣泛。柔性納米材料可見光接收器運用于可見光通信系統中，能夠促進光通信效率的提高，實現高速的數據通信效果；基于納米圖案雙曲線超材料的有機顏色轉換器，在極大程度上提升了帶寬，降低了分子結構的限制。

2.2 系統現狀

想要進一步增加可見光傳輸距離，需合理化調整系統的收發器件和調制技術等。國內外在這方面做出了研究，對系統傳輸速率等方面做出了改進，最終利用均衡技術開發出在1 m傳輸距離內，傳輸速度可達10.72 Gb/s的可見光傳輸系統。截止到目前為止，這是當今世界上傳輸速率最高的可見光通信系統。

3 未來發展需要解決的問題以及發展展望

3.1 需要解決的問題

3.1.1 頻率響應問題

現階段來看，可見光通信技術在頻率響應方面仍存在一些問題，導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。針對這項問題，可采用集成封裝照明通信LED芯片，利用均衡技術將帶寬提高到80 MHz，利用表面等離子體LED和微結構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，我國中山大學和復旦大學曾合作做出研究，研制出一種直徑在30～60 μm的微結構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計中提高藍光效率，開發和使用專用探測芯片，以探測器陣列與LED陣列相結合的設計模式優化對可見光通信系統的性能，從而提高藍光效率[5]。在2015年，我國復旦大學已經研制出3×3集成PIN陣列，這是國際范圍內第一個集成探測器陣列與LED陣列的偉大發明，促使可見光通信系統的傳輸性能得到了進一步優化。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 大規模用戶無線接入問題

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

3.2 發展展望

根據可見光通信技術的全球研究結果表明，我國在技術開發和創新等方面正面臨著千載難逢的機遇。可見光通信技術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被植入終端設備中，并將隨著時代變遷得到更加廣泛的運用[7]。現如今，我國應積極對戰略部署做出科學全面的規劃，以確保可見光通信技術的研究與應用得到快速穩步的發展，同時帶動我國LED產業的不斷優化。通過對可見光通信系統進行深入分析，對其系統構造、特點以及發展現狀有了一個深入了解。根據這些內容可知，高速LED可見光通信系統的發展中還存在很多障礙，需要國內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的發展趨勢，需將關鍵技術的研發與網絡大數據業務相結合，進一步提升通信網絡的寬帶利用率和網絡傳輸容量，滿足當前大數據業務以及多媒體業務的多項需求。加強可見光通信芯片的開發，實現可見光通信技術在光電芯片上的功能集成，降低功率損耗，改善當前可見光通信技術在知識產權風險方面的問題，以保證可見光寬帶無線接入產業的發展環境安全[8]。

在未來，5G通信技術必將大規模普及，而6G時代也正緩步走來。將高速LED可見光通信技術與通用系統設計有機結合，協調好毫米波和射頻通信各個波段之間的關系，可促進資源的多樣化和集中化。在此基礎上，需進一步調整系統運行、信號分析以及頻段分布等內容，全面優化系統性能。

4 結 論

可見光通信技術是一種新型無線技術，具有高速率、大容量以及高安全性等優勢，在當今社會具有相當高的應用價值。通過分析可見光通信技術，發現其仍存在很多急需改進和創新的方面，這就需要國內外的科研機構共同攜手，實現系統配置與性能的最優化，從而推動可見光通信技術的健康發展。