可见光通信技术发展现状与展望

江辉明

（中通服咨询设计研究院有限公司，江苏 南京 210019）

0 引 言

可见光通信技术（Visible Light communication，VLC）是一种以发光二极管自身性能为基础，实现高效率数据传输的一种信息技术。这一技术最早由德国物理学家提出，到现在已经得到极为广泛的应用，相对传统网络接入方式来说，可见光通信技术有着更强的可移动性和环保性，同时可以拓宽频谱资源，进一步优化接入网技术。运用LED光源可同时达到照明与通信的目的。下文分别从系统结构特点、发展现状以及所面临的问题3个方面进行介绍，深入分析与探讨可见光通信技术。

1 系统架构特点

可见光通信技术在系统构造方面，与传统无线通信技术有着较高的相似度，其系统架构如图1所示。可见光通系统主要可分为自由空间可见光传输装置、可见光信号发射装置以及可见光信号接收装置3个部分。在可见光通信系统的使用阶段，一般会在LED灯头部位增设聚光杯和光学透镜，以减小光束发射的角度，从而达到增大传输距离和增强接收端光源强度的效果。

图1 可见光通信系统架构

可见光信号进入自由空间信道后，继续完成传输过程。自由空间信道可分为两种，一种为室内信道，另一种为室外信道。前者可保证光信号传输的稳定性，后者在这方面的性能较弱，容易受到外界因素的影响。可见光传输多以直射方式达到接收端间，漫射信号和散射信号的数量较少。在经过自由空间信道之后，可见光信号会直接到达接收模块。

可见光信号以直射路径达到光电探测装置，但现实中为提高接收端的光照强度，增加信号信噪比等，会通过加设聚光透镜等设备以满足实际的聚焦要求。此后，光电探测器会接收可见光信号，顺利完成光信号到电信号的转换。最后，电信号会进入系统接收端的信号恢复模块和信号处理模块，利用数字信号恢复技术和均衡算法对其作出一系列处理，修复系统损伤，消除噪声影响，完成接收信号的解调和解码，恢复原始发射信号。

2 可见光通信技术现状概述

2.1 材料器件现状

2.1.1 新型光发射器件

基于LED的可见光通信技术运行效率高、使用寿命长、系统发热少且开启速度快，同时可以避免电磁干扰，具有极强的稳定性。但站在另一角度来分析，LED的发光效率容易受到某些不良效应的限制，导致发光效果并不十分理想[1]。将InGaN运用到高速可见光激光器中，主动元件和被动元件可以更好集成，最大化呈现出光学吸收和增益等优质性能。即便LED的调制带宽较大，但也会受到噪声的影响，导致系统运行过程中存在较多的安全隐患，这是急需解决的一项问题。超辐射发光二极管是一种新型固态照明光源，有着无散斑和高亮度的特点。和LED相对比，超辐射发光二极管几乎不存在载流子泄露和俄歇复合泄露的情况，同时在电流密度越强的运行环境中，其外量子效率也会越大。此外，与高速可见光激光器相对比，超辐射发光二极管的白光具有良好的显色性能[2]。

2.1.2 新型光探测器

（1）3×3集成PIN阵列。PIN阵列探测器的响应时间短，具有较高的灵敏性，并且光电转换线性度良好，后端处理电路的构造简单。一般来讲，PIN发光二极管主要利用快速热化学气相沉积技术来设计和制作，让接收光功率与结电容之间形成一种制约关系，利用引线键合技术集成PIN阵列与PCB，同时将电路与光电检测器集成到PCB上，重新封装光路系统，从而提高系统器件的散热性能，促进电路解码与通信协议的高效集成[3]。

（2）纳米材料。柔性纳米材料可见光接收器和基于纳米图案双曲线超材料的有机颜色转换器的应用较为广泛。柔性纳米材料可见光接收器运用于可见光通信系统中，能够促进光通信效率的提高，实现高速的数据通信效果；基于纳米图案双曲线超材料的有机颜色转换器，在极大程度上提升了带宽，降低了分子结构的限制。

2.2 系统现状

想要进一步增加可见光传输距离，需合理化调整系统的收发器件和调制技术等。国内外在这方面做出了研究，对系统传输速率等方面做出了改进，最终利用均衡技术开发出在1 m传输距离内，传输速度可达10.72 Gb/s的可见光传输系统。截止到目前为止，这是当今世界上传输速率最高的可见光通信系统。

3 未来发展需要解决的问题以及发展展望

3.1 需要解决的问题

3.1.1 频率响应问题

现阶段来看，可见光通信技术在频率响应方面仍存在一些问题，导致高频部分的耗损较为严重，LED带宽比较窄，一般会将其限制在10 MHz的范围内。针对这项问题，可采用集成封装照明通信LED芯片，利用均衡技术将带宽提高到80 MHz，利用表面等离子体LED和微结构LED等，以上途径都可以有效解决带宽过窄的问题[4]。此外，对于这一问题，我国中山大学和复旦大学曾合作做出研究，研制出一种直径在30～60 μm的微结构LED。这种LED使得电流密度获得大幅度提升，大大简短载流子寿命，无均衡带宽最高可以达到600 MHz，极大程度缩短了频率响应时间。

3.1.2 蓝光效率问题

由于硅基探测器对红外波的敏感度更高，蓝光效率有待提升，致使探测器不能很好接收蓝光LED。针对蓝光效率问题，可将AlGaAs材料运用于硅基探测器的设计中提高蓝光效率，开发和使用专用探测芯片，以探测器阵列与LED阵列相结合的设计模式优化对可见光通信系统的性能，从而提高蓝光效率[5]。在2015年，我国复旦大学已经研制出3×3集成PIN阵列，这是国际范围内第一个集成探测器阵列与LED阵列的伟大发明，促使可见光通信系统的传输性能得到了进一步优化。而在2017年，基于纳米图形荧光材料可见光吸收器的横空问世，使得可见光通信系统获得又一次升级，其柔性曲面接收信号速度最高达到400 Mb/s。

3.1.3 大规模用户无线接入问题

接入困难主要是因为发射天线和接收天线对透镜组的要求较高。若在系统上安装透镜组，则会大大增加整个系统的体积和质量，很难在短时间内完成集成。对此，可利用菲涅尔透镜，同时添加蓝光滤膜，为系统集成创造有利条件[6]。

3.2 发展展望

根据可见光通信技术的全球研究结果表明，我国在技术开发和创新等方面正面临着千载难逢的机遇。可见光通信技术将会迎来一个崭新的LED信息化时代，而各种不同类型的摄像头和光感二极管等光电器件也会陆续被植入终端设备中，并将随着时代变迁得到更加广泛的运用[7]。现如今，我国应积极对战略部署做出科学全面的规划，以确保可见光通信技术的研究与应用得到快速稳步的发展，同时带动我国LED产业的不断优化。通过对可见光通信系统进行深入分析，对其系统构造、特点以及发展现状有了一个深入了解。根据这些内容可知，高速LED可见光通信系统的发展中还存在很多障碍，需要国内外科研人员共同携手解决眼下的难题。

对于可见光通信技术的发展趋势，需将关键技术的研发与网络大数据业务相结合，进一步提升通信网络的宽带利用率和网络传输容量，满足当前大数据业务以及多媒体业务的多项需求。加强可见光通信芯片的开发，实现可见光通信技术在光电芯片上的功能集成，降低功率损耗，改善当前可见光通信技术在知识产权风险方面的问题，以保证可见光宽带无线接入产业的发展环境安全[8]。

在未来，5G通信技术必将大规模普及，而6G时代也正缓步走来。将高速LED可见光通信技术与通用系统设计有机结合，协调好毫米波和射频通信各个波段之间的关系，可促进资源的多样化和集中化。在此基础上，需进一步调整系统运行、信号分析以及频段分布等内容，全面优化系统性能。

4 结 论

可见光通信技术是一种新型无线技术，具有高速率、大容量以及高安全性等优势，在当今社会具有相当高的应用价值。通过分析可见光通信技术，发现其仍存在很多急需改进和创新的方面，这就需要国内外的科研机构共同携手，实现系统配置与性能的最优化，从而推动可见光通信技术的健康发展。