可见光通信：点亮世界 通联未来

可见光，作为生命最初的色彩，在其见证下，人类慢慢从愚昧走向开化，从野蛮走向文明。然而，随着科学技术的进步，人们惊奇地发现，可见光不仅可以照亮世界，而且还可以在一种颠覆传统观念的新技术支持下，实现通联整个世界的梦想。这种利用可见光来传输信息和数据的新技术就是可见光通信，又称“Li-Fi”。

畅想未来，可见光通信网络或许是这样的：在路灯下，借助LED光源就能在线阅读、下载电影；在飞机、高铁、医院等场所，只需借助座椅上的阅读灯，你就可以上网，甚至能看高清视频；在无线电波传播受限的特殊环境中，比如水下、水面舰艇或潜艇内部，我们也能借助定制的可见光通信设备实现通信畅通。可以预见，可见光通信有着广泛的应用前景，它的神秘面纱正在被逐渐揭开。

无线尖兵“青出于蓝”

从传播特性看，可见光通信仍属于无线通信的一种，只不过信息的传输载体不是传统的无线电波（频率范围3赫兹～3000吉赫兹），而是频率高达384～769太赫兹的可见光波。它是一种利用可见光波谱作为载体来传输数据的全新无线传输技术，通过给LED灯泡装上微芯片，可控制其每秒数百万次闪烁，其中灯亮代表“1”，灯灭代表“0”，二进制的数据被快速编码成灯光信号并进行有效传输。

而灯光下的手机、平板电脑等各类终端设备，通过集成特制的光敏传感器，就能读懂蕴藏在灯光中的“摩尔斯密码”，从而达成高速信息传输的目的。由此看来，与无线电波通信这位“老大哥”相比，可见光通信在基本原理上虽无特别不同，却有着“青出于蓝”的特殊优势。

传输带宽更大。当前，传统的无线电波通信正面临“频谱短缺”的窘境，10～60吉赫兹的可用频谱，抢占优先使用权的趋势更加明显。而可见光通信频谱宽度比现有无线电波可用带宽高4个数量级，完全不用担心频谱不够用的问题。

组网运用更活。传统的无线电波通信组网比较复杂，既需要安装大量辐射射频信号的信息基础设施和终端设备，又极易产生电磁兼容和相互干扰问题。而可见光通信无需建立基站，也无需频段许可授权，只需在LED灯泡中加装芯片，便可使其具有“通信基站”“无线路由器”“GPS卫星导航”等功能，从而实现有灯光的地方就有网络信号，真正实现“末端直通”“泛在互联”。这对于机舱内部、水面舰艇、潜艇、地下坑道等电波传播受限的环境，可极大弥补电磁覆盖的不足，并有效避免电磁兼容和相互干扰问题。

保密性能更好。由于可见光通信必须在LED光源开启时才能传输，灯光关闭时通信功能便会失效，因此只需加装遮光设备使光线透不出去，就能形成封闭式通信网络，其安全等级较其他无线传输技术更高。此外，由于可见光只能沿直线传播，且其上行和下行信道是独立运行的，黑客必须处在同一个房间之中，并同时侵入两个信道才能完成一次真正意义上的攻击，要想在光线传播线路之外进行信号窃取和干扰非常困难。

国际竞争日趋激烈

日本最先启动了可见光通信的相关研究。早在2000年，中川研究室就提出利用LED照明灯作为通信基站进行信息无线传输的室内通信系统试验。2014年，日本TAKAYA公司研发的汽车间可见光通信系统，速率达到每秒10兆比特；同年5月，日本东洋电机研发的水下可见光高速通信装置，峰值突破每秒50兆比特。

欧洲各国也不甘落后，其在可见光通信方面的工作，主要由欧洲的20多家大学、科研单位和企业组成的OMEGA计划来推进。2015年11月，爱沙尼亚Velmenni公司演示了一种原型灯泡，在实验室条件下其峰值数据传输速率达到每秒224吉比特。

美国作为世界头号科技强国，正力图谋求全球可见光通信技术及市场的主导权。以谷歌为代表的科技巨擘，以及波士顿大学ERC中心、加州大学UC-Light中心、宾州州立大学COWA中心等科研机构，正加紧开展可见光通信标准协议及相关系统的研发工作，并启动了抢占相关市场的机制及策略研究。

可见光通信的愿景虽然美好，但仍需突破一系列技术瓶颈，才有望大规模推广应用。比如，如何将可见光带宽潜力转化为宽带能力，目前囿于白光LED有限的调制带宽，亟待进一步的技术突破。又比如，无论LED灯的信号控制还是信号接收后的实时处理，都需要专用的集成芯片，目前这方面研究还很薄弱。再比如，可见光信号的波长很短，在传播介质中极易迅速衰减，直接导致其通信距离受限，要实现远距离高速传输难度不小。

对此，世界各国纷纷开展可见光通信的关键技术攻关，力争在这块蛋糕的切分上抢占先机。

未来战场大有可为

未来战场上，要满足与日俱增的军事领域无线通信需求可不容易：传输容量大、组网灵活、电磁兼容性好、保密要求高……使得传统的无线电波通信面临严峻挑战。而可见光通信所具有的特殊优势，使其不仅可与无线电波通信综合运用、相得益彰，更有望在通信以外领域大展身手。

“上天”“入地”“下海”的通信能手。在飞机、地下坑道、水面舰艇、潜艇等特殊场所内部通信中，为防止射频信号干扰，往往对无线电设备使用提出严格限制。1982年英阿马岛战争中，英“谢菲尔德”号就是因为舰载无线通信系统与舰载预警雷达之间难以兼容共用，从而使舰载雷达不能及时开机并发现来袭的“飞鱼”导弹，直接导致了舰毁人亡的灾难性后果。而有了可见光通信之后，只需在上述特殊场所加装中央控制器和一系列LED光源，就能在达成通信的同时有效规避电磁干扰，从而为作战平台内部实现快速通信、对潜通信、水下特种作战通信等提供高效安全的通信手段。

高精度导航定位的“专家”。可见光通信中央控制器是通过将导航信息传送给LED信息节点，再以可见光为载体传到光照范围之内的武器平台终端，该终端使用内嵌的光敏探测器就可以获取最及时的动态战场环境、最优路线和坐标位置等导航定位信息。有关研究表明，综合采取战场LED信息节点网络科学布局、算法设计和信号处理优化等措施，就能使可见光导航定位精度达到厘米级。

目标识别与战场防误伤的利器。通过为己方各类武器平台加装LED灯光识别设备，平台与平台、平台与LED信息节点之间就能依托特定的信号编码开展实时通信与身份识别，武器平台通过对接收的LED灯光信号闪烁规律进行识读，就能有效判定此信号的敌我属性，从而及时作出有效应对措施，最大程度确保自身安全。

图片由作者提供

2022年通信系统与光电子关键期刊论文评述（六）

2022年3月出版的JLT主要刊登了以下一些方向的文章，包括：自由空间光通信，相干接收机，可见光通信，多芯光纤，太赫兹光通信系统以及微波光子陷波滤波器等。笔者将逐一评析。

评述作者包含邵宇丰，王安蓉，杨骐铭，伊林芳，田青，于妮，袁杰，左仁杰，李彦霖，陈鹏，李冲，刘栓凡。

1. 自由空间光通信

日本东洋电机株式会社的Abdelmoula Bekkali等研究人员设计了一种全双工自由空间光通信（FSO）收发器，如图1所示。该器件采用三轴音圈马达（VCMs）驱动器来控制透镜移动以保证FSO系统中动态光束的稳定。研究人员利用测得的接收光功率和四象限光电探测器（QPD）中的传感数据，研究了VCM驱动器之间的智能协调算法；并通过上述算法对镜头3D位置进行了优化调整以提升光纤耦合效率[1]。研究人员在200米自由空间链路中对该器件进行了实验研究，结果表明：使用该收发器可支持10GbE局域网和10信道公共无线电接口（LTE-CPRI）中标准信号的无差错传输；在晴天条件下持续24小时信号传输时，误码率低至3×10-10。不难发现，该类收发器将是未来FSO系统中支持宽带数据传输的备选器件。

图1 FSO收发器设计方案；（a）系统布局、（b）VCM镜头、（c）收发器结构

2. 相干接收机

美国诺基亚贝尔实验室的Son Thai Le等研究人员设计了一种新型相干接收机，如图2所示。该方案采用了单端相干接收机（SER），并将平衡光电探测器（PDs）替换为单端PDs以降低因平方律检波而产生的信号间拍频干扰（SSBI）。研究人员还通过引入直接场重构（DFR）、剪切迭代SSBI抵消（CIC）和梯度下降（GD）技术来进一步降低SSBI影响。此外，他们还提出一种SERs自校准技术，用于表征传统平衡相干接收机（BR）的光电（O/E）响应[2]。研究人员在含100KM单模光纤链路的系统进行了实验研究，结果表明：使用上述接收机传输90GBaud概率星座整形64阶正交幅度调制（PCS-64QAM）信号， 净数据传输速率可达882Gbit/s；与传统平衡相干接收方式相比接收机灵敏度损失更低。综上所述，该类器件将在未来高速相干光通信系统中具有一定的潜在应用价值。

图2 双极化单端相干接收机

3. 可见光通信

美国加州SLD激光有限公司的Changmin Lee等研究人员设计了一种高速可见光（LiFi）通信系统，如图3所示。该系统集成在表面贴装设备（SMD）的封装平台上，采用超高亮度激光源提供450流明的白光输出（亮度为1000cd/mm2），并应用含蓝光和红外（IR）双波长的激光二极管。研究人员在3m长信道中对该系统进行了实验研究，结果表明：使用单个SMD中的蓝光和红外激光器可实现大于25Gbit/s的高速信息传输；研究人员基于侧发射光纤设计的双波长SMD光源支持高达2.8Gbit/s速率的信息传输[3]。毫无疑问，该方案证明了兼顾装饰性照明和宽带高质量可见光通信融合应用的可能性。

图3 双光源LiFi系统

4. 多芯光纤

日本情报通信研究机构的Benjamin J. Puttnam等研究人员对S、C和L波段光信号在四芯光纤中的循环传输进行了分析研究，如图4所示。他们将掺铥和掺铒光纤放大与分布式拉曼放大方式相结合，并使用包层直径为125um（与标准单模光纤相同）的多芯光纤（MCF）（其中单纤芯含552路波长（间隔为25GHz），可覆盖120nm以上的带宽）。研究人员采用了不同调制方式对系统中光信号的传输性能进行了研究，结果表明，24.5GBaud偏分复用16阶正交幅度调制（PDM-16QAM）信号经3001km距离长传输后，经广义互信息（GMI）估计后数据速率为342Tbit/s，经低密度奇偶校验（LDPC）译码后测算信息吞吐量为319Tbit/s；当传输距离为8027 km时，24.5GBaud PDM-QPSK调制信号的传输速率为83.7Gbit/s[4]。综上所述，通过采用多种放大方式结合的方式能进一步提升三种不同波段内宽带信号的吞吐量和光纤链路传输距离；且MCF技术可在增加系统传输容量的同时，实现空分复用（SDM）系统的资源共享和集成。

图4 支持光信号在MCF中传输的实验系统

5. 太赫兹光通信系统

瑞士苏黎世联邦理工学院的Yannik Horst等研究人员针对高速信号在太赫兹光通信系统中的传输性能进行了研究，其系统结构如图5所示。他们通过单行载流子光电二极管（UTC-PD）实现了信号从光域到太赫兹域的转换（即采用等离子体调制器将太赫兹信号映射到光载波上）。研究结果表明，当自由空间信道长度为5m（级联发射端6km和接收端4km的传输光纤）时，可实现200.25Gbit/s的数据传输速率；当自由空间信道增加到115m时，可实现114.9Gbit/s的数据传输速率；以上测试结果都是在无任何电信号域放大装置的情形下完成的。当自由空间信道为115m且采用THz放大器时，可实现164.4Gbit/s的数据传输速率[5]。综上所述，基于等离子体调制器实现的该方案为未来透明大容量光纤无线通信系统的应用提供了新思路。

图5 太赫兹光通信系统

6. 微波光子陷波滤波器

澳大利亚悉尼大学的Matthew Garrett等研究人员设计了一种微波光子（MWP）陷波滤波器（具有三个独立的频点可在20GHz范围内调谐），如图6所示。该方案通过级联多个氮化硅（Si3N4）微环谐振器（MRRs）实现相位反转，利用三硫化砷（As2S3）光子芯片上的布里渊散射效应使得射频（RF）信号陷波深度增加；该滤波器可实现的关键技术参数包括：8dB的低通频带损耗、峰值陷波深度大于40 dB、频谱分辨率为500 MHz。研究人员使用该滤波器在RF域进行了滤波模拟实验，研究结果表明，在相干通信接收系统射频下变频过程中，使用该器件后接收信号星座的误差矢量幅度（EVM）从59.8%大幅降低至14.9%[6]。综上所述，该滤波器设计方案有望在宽带射频系统中起到提升接收信号性能的作用。

图6 多频点微波光子陷波滤波器实验系统

参考文献：

[1] A. Bekkali, H. Fujita, and M. Hattori, “New Generation Free-Space Optical Communication Systems with Advanced Optical Beam Stabilizer,” J. Light. Technol., vol. 40, no. 5, pp. 1509–1518, 2022, doi: 10.1109/JLT.2022.3146252.

[2] S. T. Le, V. Aref, and J. Cho, “Single-ended coherent receiver,” J. Light. Technol., vol. 40, no. 5, pp. 1382–1399, 2022, doi: 10.1109/JLT.2021.3127347.

[3] C. Lee et al., “26 Gbit/s LiFi system with laser-based white light transmitter,” J. Light. Technol., vol. 40, no. 5, pp. 1432–1439, 2022, doi: 10.1109/JLT.2021.3124942.

[4] B. J. Puttnam, R. S. Luis, G. Rademacher, Y. Awaji, and H. Furukawa, “High-Throughput and Long-Distance Transmission With >120 nm S-, C- and L-Band Signal in a 125μm 4-Core Fiber,” J. Light. Technol., vol. 40, no. 6, pp. 1633–1639, 2021, doi: 10.1109/jlt.2021.3128725.

[5] Y. Horst et al., “Transparent Optical-THz-Optical Link at 240/192 Gbit/s over 5/115 m Enabled by Plasmonics,” J. Light. Technol., vol. 40, no. 6, pp. 1690–1697, 2022, doi: 10.1109/JLT.2022.3148534.

[6] M. Garrett et al., “Multi-Band and Frequency-Agile Chip-based RF Photonic Filter for Ultra-deep Interference Rejection,” J. Light. Technol., vol. 40, no. 6, pp. 1672–1680, 2021, doi: 10.1109/JLT.2021.3129509.

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