Page 24 - 网络电信2022年9/10月刊

光 通 信

图2 水下可见光通信系统框图

图3 亚波长理想蓝光LED 器件示意图
模块，输出至LED发射驱动电路，在这里经过功率器件等其他放
大器件的放大，将处理后的信号搭载至LED发射器件两端，后
再由光学系统发射出去。调制光信号通过水下信道，接收端将
光学系聚焦的光信号送入微弱信号处理电路，完成光电转换功
能。将转换后的电信号送入FPGA信号处理模块，由解调、解码
等处理后，在接收端可以进行音视频、传感器参数等数据的读
取。
面向水下高速无线通信的实际需求，高速、大功率氮化镓
LED器件是解决水下无线光通信系统“传得远、传得快”瓶颈难
题的关键器件。由于氮化镓材料和空气存在大的折射率差异，
LED器件的发射光大部分被约束在器件内部。同时，外延氮化物
的厚膜效应会使器件内部存在很多波导模式，使发射光耦合进
波导模式，最后被损耗掉。为提高器件的出光效率，传统 LED
通常采用表面粗化技术，在器件表面引入纳米结构，改变界面
态，破坏由材料折射率差异造成的全反射，使更多发射光逃逸
器件。2009年，飞利浦公司采用激光剥离和电子束曝光技术，
减薄外延氮化物薄膜厚度，研制出集成光子晶体结构、厚度
700nm、发光波长450nm的垂直结构LED，减少了器件内波导模式
的数量，提高了器件的出光效率 [15-16] 。 图4（a）为研制的水下无线光通信系统实物图。系统采用
南京邮电大学王永进团队提出亚波长理想LED模型，图3是 蓝光LED作为光发射器件，器件的发光谱如图4（b）所示，中心
器件的示意图。根据布拉格方程，当传输波长远远大于器件厚 发光波长为450nm，半高宽为22nm。
度时，波长效应出现，光线或其他任何东西都会直接无损地通 图5为该水下蓝光通信系统的水下实验图。该系统在水下
过材料。因此，当LED器件中心发光波长大于器件厚度时，器件 环境光传输损耗不大于0.4dB/m 的情况下，水下最大通信距离
内部的波导模式能够被抑制消除，集成底部金属电极反光镜， 不小于50m，单向通信速率不小于2Mbps，双向信息交换速率不
发射光逸出器件，实现接近完美的LED出光结构。由于器件厚 低于4Mbps，支持音视频和多路传感数据的水下双向无线蓝光通
度大幅减小，电阻效应出现，降低了电子传输产生的热效应， 信。
减小了生产缺陷引起的光、电损耗，提升了器件的注入效率和 本文针对水下可见光通信研制出成熟的硬件系统，并且
响应速率。此外，亚波长理想LED够抑制侧向光传输，降低片内 在可靠性、实用性等方面都得到了印证。然而，水下光通信依
光电子集成芯片带来的光串扰。他们通过金属键合工艺，将原 然面临着诸多待解决的难题，例如高阶调制方式，更高调制速
始晶圆和硅晶圆键合在一起，通过抛光减薄技术，去除原始晶 率、更高出光效率的光源的应用等。
圆衬底，随后通过无掩膜刻蚀技术进行外延氮化物薄膜减薄， 未来水下光通信的发展将主要从信道、光源、调制解调等
研制出厚度225nm、发光波长411nm的垂直结构LED，实验证明了 方面进行发展，以确保水下光通信能够实现高速、远距离的通
亚波长理想LED模型 [17] 。在此工作的基础上，研制出出光面积 信。在调制方式与信号处理算法等方面，复旦大学迟楠教授研
1mm×1mm的垂直结构LED器件，器件厚度580nm，发光中心波长 究团队，提出了AI赋能的可见光通信技术和多种调制方式，将
427.8nm，在比特加载 DMT调制下实现通信速率608Mbps的无线 信号数据处理与AI技术相结合并加以新型的适配调制方式，大
光通信 [18] ，为研制面向水下无线光通信的大功率、高效率、高 大改进了射端和接收端的数据信号处理能力，为未来实际应用
响应LED器件提供了一条可行的技术路线。 场景下复杂的高速水下光通信设备的调制解调提供理论支撑。

38 网络电信 二零二二年九，十月