單光路多通道可見光通信系統新進展

  近期，來自中國的研究人員成功設計出一種新型自由空間光通信系統，該系統在單一光路中能夠同時發送和接收兩組數據(Opt. Lett., doi: 10.1364/OL.470796)。相關研究人員表示，他們的研究方案基于量子阱二極管的發射和吸收特性，有效降低了光通道的空間和成本。

  多量子阱Ⅲ-氮化二極管是一種基于芯片的器件，它可同時發射并吸收一系列波長的光，且其發射光譜和吸收光譜有一個重疊區域。正是這種特性，使得它可以同時用作發射器和接收器。因為多量子阱 iii -氮化二極管能夠以光學編碼信息調制載波并檢測調制光以恢復另一端的信息，因此只需要兩個這種二極管就可以構建一個無線通信鏈路。

  圖 | 使用單通道的全雙工可見光通信系統

  在最新的研究中，南京郵電大學王永進帶領研究團隊就用到了多量子阱Ⅲ氮化二極管，其尺寸僅為5.5 mm × 4.1 mm × 0.22mm。二極管的底部被涂覆了一個 2.3 微米厚的布拉格反射涂層，其中包含36對二氧化硅和二氧化鈦薄膜層。該涂層可以控制藍光、綠光和可見光的反射或透射，起到了一個濾光片的作用，從而提高單一信道的容量。

  研究人員通過改變涂層內二氧化硅和二氧化鈦層的分布，制造了兩種略有不同的濾光片。用于“藍色”二極管的濾光片在其反射光譜中在 550 nm 附近有一個躍遷，因為它阻擋了藍光，但允許波長較長的綠光通過。另一個濾光片用于“綠色”二極管，其躍遷波長約為 590 nm，因此阻止了藍光和綠光兩個波長的傳輸。

  團隊意圖使用藍色和綠色發射的MQWⅢ -氮化二極管來創建一個單鏈路通信系統，可以在多個通道上傳輸和接收信息。這就需要弄清楚如何阻止不同光信號之間發生串擾。

  為此，他們將兩個發射藍光的MQWⅢ氮化二極管放置在單個光路中的兩個綠色二極管之間。藍色二極管可以交換傳輸和接收數據，同時綠光能夠在另一對二極管之間不受干擾地通過。

  通過分析系統的光學特性，研究人員發現，兩對二極管都能夠將電流的變化轉換為光強度的變化，反之亦然，從而證明了其傳輸信息的能力。同時，他們證明，在這兩種情況下，透射光譜和吸收光譜的某些區域重疊，這意味著通信通道可以由成對的相同二極管構成。

  研究人員隨后表明，該系統可以同時發送兩個數據流。他們改變藍色發射器的電壓，以每秒 100 個二進制位 (bps) 的速度發射一系列隨機的長短光脈沖，之后藍色接收器將其接收并轉換回電信號。而且，綠色二極管也可以以10 bps 的速度實現同樣的功能。盡管在這種情況下，藍色二極管的存在意味著他們必須使用所謂的包絡檢測來改善信號噪比。

  Wang 及其同事稱，他們可以沿同一信道同時發送兩組數據，而不需要在每一端都有單獨的發送器和接收器。這意味著單個自由空間鏈路足以進行雙工通信，有效降低了通信系統的成本。他們認為，鑒于每個二極管都結合了多種光發射、檢測和能量收集功能，該系統在物聯網等領域具有廣闊的應用前景。

  研究人員指出，在離他們的研究投入實際應用之前，還有很多技術障礙需要克服。比如需要更小的設備來提高數據傳輸率——從目前的數千平方微米到幾十平方微米。盡管如此，他們認為如果能夠完善這項技術，它有朝一日可能會應用于光子處理器，因為單一光路的通信方案更簡單，成本更低。

  信息來源：OSA