南邮团队构建空天海一体化全光通信网络，开拓无线通信新领域

从某种意义上讲，现代无线通信技术的发展史，便是通信频率由低向高进化的历程。

然而，随着技术的进步与普及，原有的射频通信频谱逐渐饱和，而极高频及至高频等高频率射频技术的开发尚面临众多挑战。

于是，另一种频率更高、频谱更宽的技术路线无线光通信，便吸引了学界更广泛的关注。

事实上，无线光通信并非新兴技术，对我们而言也并不陌生。从中国古代的烽火台，到第一次世界大战时期的光电电报，其应用历史远比射频通信悠久。

然而，受限于光的穿透性弱、衰减速度快等缺陷，这项技术长期以来并未成为主流的通信技术。

尽管近年来，半导体光源、光电检测与信号处理等相关技术在不断地进步，但高速无线光通信的研究仍主要停留在模拟阶段，与实际应用脱节。

即便某些研究已经实现实时传输，但它们通常只适用于特定场景，而无法与其他通信系统互通。

基于此，南京邮电大学王永进教授带领的团队与苏州亮芯单片光电科技有限公司合作，提出并构建了一种空天海一体化全光通信网络（All-Light Communication Network，ALCN）技术。

图丨ALCN 概览（来源：Optic Express）

为适应不同应用场景，该技术整合了四种特定波长的光通信技术建立其通信链路。

考虑到纯净海水对蓝绿光的低吸收率使其能在水下实现远距离通信，课题组成员在水下采用了蓝光通信（Blue Light Communication，BLC），用于控制无人水下航行器或在水下设备与浮标间建立通信。

在中性密度（Neutral Density，ND）因子为 256、浊度为 1.7 的游泳池中，BLC 链路的传输距离可达 12 米，并能在 20 度角度范围内建立通信连接。

但浊度的增加和水流的加剧可能会导致接收信号减弱和光学自干扰，需通过调整光学和电学增益来解决这些问题。

在海面之上的部分，研究人员首先使用的是无线白光通信（White Light Communication，WLC），这一技术能在陆地上实现 150 米范围内的通信，适用于海面信标、浮标与船只之间，以准确报告海洋状况。

其次，为了避免阳光的干扰，该课题组选择了日盲深紫外通信（Deep Ultraviolet Communication，DUVC）与无人机等机载设备建立连接。在强光环境下，DUVC 链路能在最大 7 米范围内实现日盲通信。

需要注意的是，尽管这些基于 LED 的通信技术发散角更宽，但也存在接收光功率较低的缺陷。

因此，针对在自由空间进行的点对点远距离通信，研究团队选择了高光功率定向光为基础的激光二极管通信（Laser Diode-based Communication，LC）。

由于激光二极管发散角较小，LC 链路需借助稳定器和姿态传感器保持通信过程中的精确对准。

该网络利用以太网交换机（Ethernet Switches）和 Wi-Fi 技术连接不同的光通信链路，实现不同网络节点间的信息共享。

这种灵活的接入方式极大拓宽了 ALCN 的应用范围，从传感器到个人计算机，再到移动设备，有线与无线设备均可通过这种网络交换数据。

并且，所有的无线光通信链路均采用注册插座（RJ-45）网络接口，统一了传输模式，使网络的部署和维护过程得以简化。

为满足更广泛的终端接入需求，ALCN 网络通过串联多个以太网交换机扩展接口数量，确保在多终端部署情况下，网络的连通性和稳定性不受影响。

图丨ALCN 框架示意图（来源：Optic Express）

在实验中，ALCN 展现了优异性能。整体平均功耗为 155 瓦，其中四个光通信链路占总功耗的 77.42%。

通过持续 3.5 小时测试，光链路功率保持稳定，显示出足够的稳定性与可靠性。

使用伪随机二进制序列（Pseudorandom Binary Sequence，PRBS）信号测试时，BLC 链路和 DUVC 链路均展现清晰的眼图，表明信号质量良好，传输效果显著。

在各链路中，DUVC 和 LC 链路表现突出，通过偏置模块，两种链路可实现 10Mbps 的传输速率，在满足 Xilinx Spartan-6 现场可编程门阵列的时序限制的同时，还能容纳更大的节点数据负载。

由于蓝光与白光 LED 的 3-dB 带宽较低和电流需求较高，BLC 和 WLC 链路的吞吐量则相对较低，最大传输速率为 2Mbps。

另一方面，ALCN 在数据包丢失率（Packet Loss Ratio，PLR）、延迟和抖动等关键量化指标方面也表现出色。

当使用最大传输单位 1514 字节进行测量时，整个 ALCN 的 PLR 为 2.78%，最大 PLR 为 5.80%（除自检点外），其传输延迟低于 74 毫秒，最大抖动为 15 毫秒。

（来源：Optic Express）

显而易见，ALCN 为未来实现多终端、多服务应用的空天海互联提供了一种前景广阔的方案。

近日，相关论文以《用于空天海一体互联的全光通信网络》（All-Light Communication Network for Space-Air-Sea Integrated Interconnection）为题发表于 Optic Express[1]。

南京邮电大学博士研究生王林宁为第一作者，王永进教授担任通讯作者。

图丨相关论文（来源：Optic Express）

接下来，研究人员计划通过波分复用技术解决 LED 引起的瓶颈问题，弥补 BLC 和 WLC 链路的传输速率较低的不足，从而提升全光通信网络的整体吞吐量。

参考资料：

1.Linning Wang, Yingze Liang, Ziqian Qi, Pengzhan Liu, Zheng Shi, Hongbo Zhu, and Yongjin Wang, "All-light communication network for space-air-sea integrated interconnection," Opt. Express 32, 9219-9226 (2024).https://doi.org/10.1364/OE.514930

支持：邹名之

运营/排版：何晨龙

基于荧光碳纳米材料的高带宽可见光通讯器件研究取得进展

发光碳纳米点是近十年发展起来的一类重要发光材料，但是其存在的聚集诱导荧光淬灭问题一直阻碍其在光电器件中发展，特别是碳纳米点在可见光通讯器件方面的应用更是鲜有报道。近日，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所曲松楠课题组与复旦大学郭睿倩课题组合作，提出一种新的方便快捷的处理方法制备出具有高荧光量子效率的纯碳纳米点荧光粉，利用合适浓度的过氧化氢溶液对原本固态下荧光猝灭的碳纳米点进行表面氧化处理，实现碳纳米点固态下的高效发光。同时利用该碳纳米点荧光粉较短荧光寿命的特点，与郭睿倩课题组合作，首次将所研制的碳纳米点荧光粉应用于可见光通讯器件。该工作对于研究解决碳纳米点的固态猝灭以及推动碳纳米点在照明及可见光通讯器件中的应用具有重要意义。该成果发表在国际期刊Advanced Science上(Adv. Sci.2018, 1800369)，第一作者为在读博士生周正杰，复旦大学田鹏飞为共同第一作者，通讯作者为曲松楠和郭睿倩。并申请了一项国家发明专利，已受理。

曲松楠课题组利用过氧化氢溶液对以柠檬酸与尿素为原材料，微波法合成的原本固态荧光猝灭的碳纳米点进行氧化处理，该方法不同于被较多报道的将碳纳米点掺杂进入例如PVA或无机盐等基质的方法，处理后的碳点获得宽带隙的表面能级结构，抑制了碳纳米点聚集态下表面态的无辐射跃迁过程，获得固态下荧光量子效率25%的黄绿光碳纳米点。以所研制的碳纳米点荧光粉作为颜色转换层，通过调节碳点荧光粉的比例，制备出不同色温的白光LEDs。所研制的碳点荧光寿命只有几个纳秒(~ 6ns)，将其作为光转换层，制备可见光通信领域器件，国际上首次实现了带宽为285MHz、信号传输速率为435 Mbps的基于碳纳米点的可见光通信。

此外，研究人员也将传统的量子点应用于制备高效发光粉，并将其应用于白光照明以及通讯中，显色指数可以达到90.3，而光通讯速率可以达到42 MHz。该成果发表在国际期刊ACS Applied Materials & Interfaces上(ACS Appl. Mater. Interfaces2018, 10, 27160-27170)，第一作者为助理研究员周鼎，通讯作者为曲松楠和郭睿倩。

以上工作得到长光-复旦合作基金项目、吉林省中青年科技创新领军人才及团队项目、吉林省科技厅自然科学基金等的支持。

(a，b)基于ox-CDs荧光粉制备的白光器件，(c)光通讯系统的光路示意图，(d)信号传输速率测试。

(a)白光光源的照片、(b)发光光谱以及(c)色坐标。(d)基于半导体量子点光通讯器件带宽测试曲线。

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