可见光通信：面向光互联时代的高保密、超高速数据传输技术

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可见光通信：面向光互联时代的高保密、超高速数据传输技术

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来源

https://www.opticsjournal.net/J/NewOptics/news/PT241210000081U1W3Z.html

可见光通信（Visible Light Communication，VLC）是一种利用可见光进行数据传输的技术，它同时具备照明和通信双重功能。这种技术能够提供高速、低成本且可靠的通信链路，具有绿色环保、实现简单、保密性好等优势。目前，可见光通信技术在医院、飞机机舱等电磁敏感场所，以及照明感应、控制、智能交通等领域展现出广阔的应用前景。

可见光通信的工作原理

可见光通信技术主要通过可见光光源的光强变化来实现信息传输。以二进制开关键控（On-Off Keying，OOK）信号传输为例，光强“亮”代表数字通信中的“1”，光强“暗”代表数字通信中的“0”。可见光通信系统的调制深度决定了灯光的“明”“暗”状态变化的大小。由于人眼存在视觉残留效应，对于50Hz的工频闪烁并不敏感，因此只要调制深度较浅、通信速率较高，通信时人眼就感觉不到光强的变化，但电子设备却能检测到这些微弱的光强变化，从而实现数字通信。

图1：波分复用可见光激光通信系统示意图

与传统的射频无线通信系统相比，可见光通信具有以下优势：

使用的频段免费且不受限制，全球通用
安全性更高
极高的极限容量速率
不易受到电磁干扰

可见光通信系统的基本结构包括可见光信号发射端、可见光信号传输信道和可见光信号接收端。

图2：可见光通信系统的基础结构

关键器件与技术

LED芯片在高速VLC中的应用

现有商用LED的3dB调制带宽通常小于100 MHz，这限制了传输速度。为了解决这一问题，研究人员开发了硅基LED（Si-LED）、微结构LED（micro-LED）和表面等离子体LED（SP-LED）三种LED芯片。

硅基LED芯片具有抗静电能力强、使用寿命长、生产效率高等特点，同时具备发射、透射、调制和探测的能力。南昌大学与复旦大学合作研制的基于GaN的共阳极硅衬底LED芯片，采用单面发光垂直结构，有效提高了LED的调制带宽。基于此芯片的五色RGBYC LED在实验中实现了15.17 Gbps的水下VLC高速通信。

图3：水下VLC高速通信实验设备图

Micro-LED具有寿命长、频率响应快等优点。由于有较小的有源区域，Micro-LED可实现电流高密度注入，从而将调制带宽驱动至数百兆赫兹。Mohamed等人研制的Micro-LED阵列，包含5个像素和10个像素的圆形Micro-LED，带宽可达655 MHz，在低于前向纠错（FEC）阈值的情况下，实现了7.91 Gbps的传输速率。
SP-LED能够提高LED发光的内量子效率和外量子效率，但目前尚未查询到其在可见光通信中的应用。

可见光通信的调制技术

为了进一步提高可见光通信的传输速率，学者们从先进调制技术、数据预均衡和后均衡等方面进行了大量研究。早期可见光通信技术主要采用单极性的脉冲调制方案，如开关键控调制和脉冲幅度调制（PAM）。随着需求的发展，可见光通信系统逐渐演进为更高速的宽带通信系统，采用正交频分复用（OFDM）、无载波幅度相位调制（CAP）和离散多音（DMT）等高速调制技术。

正交频分复用（OFDM）是一种多载波调制方案，可以有效抵抗多径效应对信号的干扰，保证信号的可靠传输。同时，OFDM信号使用多个载波在同一信道并行传输的思想，大大提高了频带利用率。近年来，由于OFDM调制能够有效减小时延产生的性能损失，可有效抵抗可见光系统的频率衰落，最大化利用系统的频谱资源，因而被广泛应用于可见光通信调制。

图4：多用户SPI安全框架的概念图

无载波幅度和相位（CAP）调制是一种多维多阶调制技术，可以在有限带宽的条件下实现高频谱效率的高速传输。Wu等人提出了一种称为N维DCO-CAP-MPPM的基于直流偏置（DCO）的多维CAP-MPPM混合调制方案，将频谱高效的多维CAP调制与功率高效的MPPM相结合，实现了兼具频谱高效、实现复杂度低及功耗低的特点。

图5：室内可见光CAP系统模型示意图