水下可见光通信：光通信领域中的“潜力股”
水下可见光通信：光通信领域中的“潜力股”
随着世界人口的不断增长，人类对于资源的需求量与日俱增，以陆地资源为主、海洋资源为辅的资源供应体系逐渐难以满足需求。而覆盖整个地球表面积大约70%的海洋蕴含着大量未开发的生物资源、矿藏资源以及可再生能源，因此加大海洋资源的开发利用对于缓解全球资源供应具有重要意义。在海洋资源的开发过程中，水下无线通信技术至关重要。
图1 水下通信技术示意图
水下无线通信技术目前分为水下电磁波通信(UEC)、水声通信(UAC)和水下可见光通信(UVLC)三种类型。水下可见光通信是一项以光波作为信息载体，通过水下信道来传输信息的一项新兴技术，相较于前两者具备通信速率高、容量大、时延短、安全性好的优势，因此近年来成为了全球的研究热点之一。水下可见光通信具有广阔的发展前景，随着研究的不断深入，水下可见光通信技术也逐渐成为国家海洋战略发展过程中的关键一环。
国内外UVLC研究现状及发展趋势
水下光通信的研究起源于1963年，S.A.Sullian和他的同事们在观察光波在海水中传播特性的实验时，发现450550 nm波段的蓝绿光在海水中的衰减程度远小于其它波段，其在100 m传播距离中的损耗仅为1%，该研究结果证明了水下可将光通信的可行性；1992年，美国海军的研究人员开发了一种基于绿光波段激光器的水下可见光通信系统，该系统中的绿光激光功率为150 mW，在9 m的传输距离内具有50 Mbps的传输速率；2020年，瑞士Hydromea公司推出了可实现额定深度为6,00012000米、50米内数据传输速率高达10 Mbit s–1的Luma 系列水下通信产品；2021年，日本Trimatiz公司成功完成1 Gbps × 100米的超高速率水下光通信试验；2021年，阿卜杜拉国王科技大学Boon Ooi团队制作了首款基于InGaN材料的分布式反馈光栅绿光激光器，可实现传感、原子钟和水下无线光通信等应用；2023年，冈山理科大学的Shintaro Arai所在的研究团队设计出了一种螺旋桨型旋转LED发射器，这是一种通过旋转闪烁的LED阵列来发送数据的设备，并利用相机作为接收器捕获其闪烁灯光作为多个后像，有效提高了水下通信速度，研究团队以3.24 Kbps的通信速度实现了3 m内的零差错通信，速度是传统方式72倍[1-2]。
由于多方因素的制约，中国在水下可见光通信领域的研究起步略晚，但经过十余年的努力，已经追赶上并达到了与世界发达国家同等的水平，更是在某些方向处于领先地位。在学术界，2021年，复旦大学田朋飞团队首次利用Micro-LED作为一体化集成芯片，实现了高性能双工水下无线光通信以及水下充电综合应用系统的构建，并采用OOK调制在2.3 m的水下信道中实现了最高660 Mbps的实时通信速率[3-4]；2022年，北京邮电大学张家梁等提出了噪声光环境干扰条件下的水下无线光通信性能理论模型，搭建了基于852 nm波长的水下无线光通信实验平台，并验证了在正交相移键控调制格式下通过使用干涉滤光片可使传输链路长度延长34.8%，大大增加了光学传输链路的距离[5]。在产业界，中国科学院西安光机所针对水下可见光通信的应用需求，开展攻关并完成了多个系列工程样机的研制，研发成果可支持20 Mbps的链路传输速率、清洁水质下50 m的传输距离，工作深度还可覆盖全海深环境；武汉六博光电有限责任公司于2022年成功完成了相关的无线光传输实验和产品；此外IMT-2030、CCSA等行业组织还设立了可见光通信相关的研究项目，尽管目前完全面向实际水下环境的原型商用光通信系统仍然不足，但相关的研究开发正在有序推进。
UVLC的工作和应用原理
如图2所示，水下可见光通信可分为六类模组，包括：数据发送、数据处理、发射模组、接收模组、数据处理和数据接收模组。
图2 水下可见光通信原理示意图
数据发送模组的作用是将需要发送的信息（如文字、图片及影像等），通过硬件传输或者线上传输的方式传输至数据处理模组。数据发送模组也有可能包含数据采集装置，在对数据进行采集后，发送模组会将第一手数据传送至数据处理模组进行下一步处理。
发射端的数据处理模组接收到数据后，会将数据进行信源编码、信道编码以及信息加密等。
信源编码的作用是将原始数据进行编码处理，在此过程中原始数据将被优化和压缩，提高了有效信息占比，提升了信息的传输效率；信道编码是为了将数据同信道进行匹配，在降低误码率的同时，使通信系统的抗干扰能力与信息勘误能力得到提高；信息加密处理可以有效提高数据的安全性，降低了数据被窃取的可能。发射模组将根据所选择的发射载体，将信息转换成适合在海水中传输的各个类型的光信号。
水下信道是利用海水作为通信媒介，性质是固定的，难以对其通信特性进行改善。接收模组一般是由光电采集检测仪器构成，用于采集海水中由发射模组发出的光信号。此外，接收模组还将进一步对采集到的光信号进行转换，光信号被转换成更易于计算机处理的电信号后，接收模组将其传输至接收端的数据处理模组。经过对电信号进行解调、解码等工作后，数据处理模组会将电信号还原成原始信息。在此过程中可能会出现信息传递错误与丢失的情况，而数据处理模组的译码操作可以在一定程度上对信息进行纠正与补全。信息的处理工作结束后，信息最终将被发送至数据接收模组，数据接收模组负责将信息通过原先设定的格式将信息呈现出来。
常见的UVLC光源：发光二极管和激光器
发光二极管与激光器是常用于水下可见光通信的光源，其性能优劣对于水下可见光通信过程中的信息传输的速率、准确性具有直接影响。由前人的研究可以得出，海水的透光窗口在450~580 nm这一波段，因此蓝绿光波段更适用于水下光通信[6]。因此，实际应用中通常采用的水下光通信发射端光源为蓝绿光波段的发光二极管或者激光器。
图3 发光二极管和激光器在水下可见光通信中的应用
（图源：讯石光通讯网、光粒网）
发光二极管通常是由砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）或者氮化镓（GaN）等半导体材料制成，该类材料形成PN结后具有特殊的电子能带结构，在外加正向电压的条件下，电子从N区注入P区，空穴由P区注入N区，进入到对应区域的少数载流子与原区域的多数载流子发生复合，并以光子的形式释放能量。发光二极管中通常产生的是非相干的宽波谱光波，其频率和相位呈分散状，尽管发光二极管具有制造成本低、寿命长、节能环保等优点，但其较低的发光效率和较小的光功率也限制其在部分场景的应用。激光是通过吸收辐射能量而放大的光，激光器的结构包括泵浦源、受激介质和谐振腔，其输出的相干光具有集中的频率和相位，并且具有较高的发光效率和较大的光功率，因此在较远距离的水下光通信中常有应用。激光器与发光二极管的性能比较如表1所示。
表1 发光二极管与激光器的性能比较
在水下可见光通信的实际应用中，选择发光二极管或激光器作为发射端光源通常取决于具体的需求和应用场景。考虑到水下环境的复杂性，包括水质、水下能见度等因素，选择发光二极管或激光器需要考虑环境对光传输的影响。如果水质较差或存在较强的散射，激光器将更容易受到影响，而发光二极管在这些情况下表现更好。此外，发光二极管在水下近距离通信中也能够提供足够的光功率，并且还具有成本低、能效高、高安全性的优点。相较于发光二极管，激光器在通信速率方面更占优，可以支持更高的通信速率。
总结与展望
尽管现阶段水下光通信领域的研究已在仿真设计、信号处理等方面实现突破，但仍需进一步开发形成闭环的硬件系统来实现高性能的实际工程应用。此外，由于紫外光的非视距性、高鲁棒性、高保密性和高可靠性等特点，因此在军事领域具有广阔的应用前景，可作为水下可见光通信的补充手段。在未来，通过对水下可见光通信的信道、光源、调制解调等方面进行研发和突破，将能够实现高速、远距离的水下可见光通信系统，进而为构筑一体化海洋通信网络奠定坚实的基础。
参考文献：
[1]. Uema H, Matsumura T, Saito S. Research & Development on Underwater Visible Light Communication Systems. IEEJ Transactions on Sensors & Micromachines, 133: 139-142, 2013.
[2] Underwater opportunities. Nat. Photon. 17, 733 (2023).
[3]Chen X, Jin M, Chen H, Wang Y, Qiu P, Cui X, Sun B and Tian P, Computational temporal ghost imaging for long-distance underwater wireless optical communication, Optics Letters, 46(8), 1938-1941 2021.
[4] Zhu S, Chen X, Liu X, Zhang G, Tian P. Recent Progress in and Perspectives of Underwater Wireless Optical Communication[J]. Progress in Quantum Electronics, 73: 100274, 2020.
[5] 张家梁，高冠军，王君健，噪声光下的水下无线光通信理论与实验验证，[J]南京邮电大学学报，2022。
[6].景涛，基于LED的水下光无线通信技术研究，[J]北京邮电大学学报，2020。