王林寧，劉鵬展，胡芳仁，王永進(jìn)**

（1.南京郵電大學(xué)Peter Grünberg研究中心，江蘇 南京 210003；2.南京郵電大學(xué)電子與光學(xué)工程學(xué)院、柔性電子（未來技術(shù)）學(xué)院，江蘇 南京 210003）

0 引言

目前，第五代移動通信（5G）規(guī)模商用實(shí)現(xiàn)了快速發(fā)展，各個國家和機(jī)構(gòu)也逐步開始了第六代移動通信（6G）的研究。6G 網(wǎng)絡(luò)整合了陸地、水下、空間和空中網(wǎng)絡(luò)[1]，將為人們提供極高的通信速率和信號覆蓋。然而由于這些場景的環(huán)境差異巨大，受限于緊張的無線通信頻譜資源，單一的傳統(tǒng)無線通信難以達(dá)到全面的高速覆蓋。因此，6G 網(wǎng)絡(luò)要實(shí)現(xiàn)一體化的網(wǎng)絡(luò)需要將各種無線通信方法融合到一起，發(fā)揮其各自優(yōu)勢，才能夠?qū)崿F(xiàn)全面的高速覆蓋。其中，可見光通信作為一種利用400～800 THz 無需授權(quán)頻段的高速通信技術(shù)[2]，將在6G網(wǎng)絡(luò)中擔(dān)任重要的角色。

2014 年度諾貝爾物理學(xué)獎授予日本名古屋大學(xué)的Isamu Akasaki、Hiroshi Amano 以及美國加州大學(xué)圣巴巴拉分校的Nakamura Shuji，以表彰他們在發(fā)明高效節(jié)能的藍(lán)光發(fā)光二極管（LED,Light Emitting Diode）方面的貢獻(xiàn)。他們制成了高質(zhì)量的氮化鎵晶體，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了藍(lán)光LED 器件。相比于其他光源，高效節(jié)能的LED 照明光源將有助于節(jié)約地球資源，同時LED 器件具有高的開關(guān)響應(yīng)速度[3-4]?？梢姽馔ㄐ攀腔贚ED 器件發(fā)展起來的無線光通信技術(shù)，利用其輸出光功率和驅(qū)動電流的高速響應(yīng)特性，以可見光作為信息載體，實(shí)現(xiàn)無線通信[5-7]?？梢姽馔ㄐ偶夹g(shù)擁有無需授權(quán)的豐富頻譜資源，可有效避免射頻電磁信號泄露等弱點(diǎn)[8]，是6G 通信、物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)中心、光互連、智慧顯示等領(lǐng)域的關(guān)鍵新興技術(shù)，在復(fù)雜電磁環(huán)境及水下等特殊場景具有廣闊的應(yīng)用前景?；诖耍疚膹乃鹿馔ㄐ牛║OWC,Underwater Optical Wireless Communication）的應(yīng)用需求出發(fā)，采用亞波長垂直結(jié)構(gòu)LED 器件實(shí)現(xiàn)高出光效率、高調(diào)制速率的兼容，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種面向6G 網(wǎng)絡(luò)的水下藍(lán)光通信系統(tǒng)。

1 UOWC的應(yīng)用與現(xiàn)狀

1.1 需求來源與應(yīng)用場景

近年來，人們大規(guī)模開發(fā)海洋資源，為了完成更嚴(yán)峻、更精準(zhǔn)的水下作業(yè)，對作業(yè)的通信需求越來越高，如圖1所示，對于如水下焊接、海洋風(fēng)電設(shè)備維護(hù)、無纜水下機(jī)器人（AUV,Autonomous Underwater Vehicle）等深海裝備高速信息傳輸?shù)膱鼍靶枨笕绾螌?shí)現(xiàn)通信，這對現(xiàn)如今主流的水下通信技術(shù)是極大的考驗(yàn)。

圖1 水下無線光通信典型應(yīng)用場景

傳統(tǒng)的水聲通信在水下傳播衰減極低（0.1～4 dB/km），因此它可以覆蓋長達(dá)幾十公里的距離。然而，聲波較低的傳播速度（1 500 m/s）、有限的帶寬（kHz）、容易導(dǎo)致多徑效應(yīng)、傳輸延遲大、設(shè)備體積大等特性，都阻礙了它應(yīng)用于高實(shí)時性、帶寬密集型場景。另外，高頻的射頻波雖然可以提供高數(shù)據(jù)率（Mbps）、高帶寬（MHz），但是由于海水的高導(dǎo)電性（3.5～5 dB/m）在水下會受到極大的衰減，限制了只有數(shù)米的傳輸距離[9]。

清澈的海水對藍(lán)綠波段（450～570 nm）的可見光吸收損耗極?。?.4 dB/m），同時光波傳輸速度快、通信速率高（Gbps）、延遲低以及擁有THz 級的可用帶寬[10-11]，因此藍(lán)綠無線光通信可以解決深海高速通信的瓶頸問題，是海洋裝備關(guān)鍵的水下高速、大容量通信技術(shù)手段。重要的是，與鋪設(shè)的有線光纖不同，水下無線光通信需考慮海水作為信道，大功率的激光器（LD,Laser Diode）不僅因海水湍流難以對準(zhǔn)，也更容易對精密光學(xué)探測器造成不可逆的飽和損害。相比激光器，LED 發(fā)散光束角大、功率小[12]，兼顧照明，更適合應(yīng)用于水下傳感器數(shù)據(jù)采集、水下無人潛航器（UUV,Unmanned Underwater Vehicle）等運(yùn)動平臺間高速信息傳輸，是各國競相研發(fā)的高速深海無線通信技術(shù)。

1.2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

國內(nèi)外的高校及科研院所從不同的研究角度與目標(biāo)，對水下無線光通信及其系統(tǒng)進(jìn)行了很多的研究，如通信系統(tǒng)的編碼與調(diào)制方式、水下通信信道的分析與建模、發(fā)送接收電路的軟硬件均衡等。國外利用其LED 器件方面的優(yōu)勢，較早開展基于LED 的水下光通信研究與產(chǎn)業(yè)化。2002年，日本Keio 大學(xué)Laux A 等分析了懸浮顆粒對水下通信信道的影響，證明了水下光學(xué)傳輸特性與水體雜質(zhì)的高相關(guān)性[13]。日本的中川實(shí)驗(yàn)室推出了水下潛水員之間使用的可見光語音通信裝置，通過手持通信設(shè)備、防水麥克風(fēng)與骨傳導(dǎo)揚(yáng)聲器進(jìn)行實(shí)時交流。2010 年，美國耶魯大學(xué)開發(fā)了雙工水下可見光通信系統(tǒng)AquaOptical II，該系統(tǒng)最遠(yuǎn)可以實(shí)現(xiàn)水下50 m、2.28 Mbit/s 的通信速率[14]。2016 年，阿卜杜拉國王科技大學(xué)沈超等利用450 nm 激光器與雪崩探測器，在12 m 距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)2 Gbps、20 m 距離實(shí)現(xiàn)1.5 Gbps 的高速通信[15]。2018 年，意大利圣安娜大學(xué)Giulio Cossu 等在拉斯佩齊亞港進(jìn)行了系統(tǒng)海試，該試驗(yàn)于高渾濁度的海水中，強(qiáng)烈光照的影響下成功在10 m 的距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)了10 Mbit/s 的傳輸[16]。

國內(nèi)課題組多采用離線處理模型，即發(fā)射機(jī)采用任意波形發(fā)生器，并由示波器顯示、存儲和接收數(shù)據(jù)，利用Matlab 對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，這種實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ教峁┝送ㄐ沛溌返目尚行耘c極限分析，但應(yīng)用于實(shí)際的海洋裝備尚有差距。2017 年，復(fù)旦大學(xué)劉曉燕等提出了基于低功率520 nm 激光器二極管的水下無線光通信系統(tǒng)，通過NRZ-OOK（Non-Return-to-Zero On-OFF Keying）調(diào)制方案實(shí)現(xiàn)了在34.5 m 的距離內(nèi)最高為2.7 Gbps 的通信速率[17]。2021 年，復(fù)旦大學(xué)田朋飛課題組首次利用Micro-LED 作為一體化集成芯片，實(shí)現(xiàn)了高性能雙工水下無線光通信以及水下充電綜合應(yīng)用系統(tǒng)的構(gòu)建，并采用OOK 調(diào)制在2.3 m 的水下信道中實(shí)現(xiàn)了最高660 Mbps 的實(shí)時通信速率[18]。2022 年，北京郵電大學(xué)張家梁等提出了噪聲光環(huán)境干擾條件下的水下無線光通信性能理論模型，搭建了基于852 nm 波長的水下無線光通信實(shí)驗(yàn)平臺，并驗(yàn)證了在正交相移鍵控調(diào)制格式下通過使用干涉濾光片可使傳輸鏈路長度延長34.8%，大大增加了光學(xué)傳輸鏈路的距離[19]。國內(nèi)高校與科研院所對水下光通信技術(shù)的研究工作大多聚焦在水下信道建模、光通信系統(tǒng)模型理論的研究，研究水平與國外有一定差距。其中，水下無線光通信系統(tǒng)的實(shí)時處理模型雖然能即時對信號進(jìn)行有效處理，更適用于實(shí)際的水下環(huán)境，但因這類設(shè)計(jì)通常要求更為復(fù)雜的調(diào)制、解調(diào)硬件結(jié)構(gòu)，故少有商用原型系統(tǒng)。

2 面向6G網(wǎng)絡(luò)的UOWC系統(tǒng)

實(shí)際6G 應(yīng)用場景要求無線光通信系統(tǒng)具有更遠(yuǎn)傳輸距離、更高傳輸速率，因此高出光效率、高調(diào)制帶寬的LED 器件是系統(tǒng)的關(guān)鍵痛點(diǎn)。圖2 為UOWC 系統(tǒng)原理框圖，本文融合亞波長藍(lán)光LED 陣列、收發(fā)光學(xué)、大功率高速驅(qū)動、高靈敏度探測與數(shù)字編碼調(diào)制等技術(shù)，獲得應(yīng)用于實(shí)際水下場景的藍(lán)光通信系統(tǒng)。

圖2 水下光通信系統(tǒng)收發(fā)端原理框圖

2.1 亞波長垂直結(jié)構(gòu)LED器件

傳統(tǒng)上，通過減小LED 器件的出光面積提高器件的調(diào)制速率，但是減小器件的出光面積將影響通信系統(tǒng)的傳輸距離。面向水下光通信系統(tǒng)對高出光效率、高調(diào)制帶寬LED 的迫切需求，本文探索先進(jìn)微納制造技術(shù)，基于器件厚度小于其發(fā)光波長的亞波長理想LED 模型，研制垂直結(jié)構(gòu)藍(lán)光LED 器件，通過減薄器件厚度、不減小器件出光面積來提高器件的調(diào)制速率和出光效率，用于水下藍(lán)光通信系統(tǒng)。如圖3 所示，亞波長垂直結(jié)構(gòu)LED器件厚度小于其發(fā)光波長，能抑制器件內(nèi)部波導(dǎo)模式提高器件出光效率，降低RC 時間常數(shù)提高調(diào)制帶寬，減小發(fā)射陣列單元之間的光串?dāng)_，是遠(yuǎn)距離、高速水下光通信系統(tǒng)的關(guān)鍵器件。

圖3 亞波長垂直結(jié)構(gòu)LED器件示意圖

基于硅襯底氮化鎵晶圓，筆者制備了垂直結(jié)構(gòu)藍(lán)光LED 器件。如圖4（a）所示，器件長為990 μm、寬為430 μm；LED 器件的橫斷面掃描電子顯微鏡圖如圖4（b）所示，器件的厚度約為1.27 μm。

圖4 垂直結(jié)構(gòu)LED的形貌圖（a）和器件橫斷面圖（b）

器件的I-V 特性采用Keithley 2636B 數(shù)字源表進(jìn)行表征。如圖5 所示，當(dāng)注入電流為0.52 A 時測得的電壓為3 V，可從線性區(qū)域的I-V 曲線斜率中提取出5.77 Ω的動態(tài)電阻。其中，插圖為器件注入電流0.52 A 時的發(fā)光圖。

圖5 垂直結(jié)構(gòu)LED的I-V曲線圖

使用Keithley 2636B 數(shù)字源表作為直流電源為LED提供恒定電流驅(qū)動，采用直徑200 μm 的多模光纖收集LED 發(fā)射光，通過USB4000 海洋光譜分析儀進(jìn)行表征。如圖6 所示，器件發(fā)光光譜的主峰在447 nm，發(fā)光強(qiáng)度隨注入電流增加而增強(qiáng)。通過改變注入電流調(diào)控LED 器件的發(fā)光強(qiáng)度，從而實(shí)現(xiàn)信號的光加載。

圖6 垂直結(jié)構(gòu)LED的電致發(fā)光譜

本文采用T 型偏置器為LED 提供信號與直流偏置，測試其3 dB 帶寬。信號由Agilent Technologies PNA-LN5203C網(wǎng)絡(luò)分析儀經(jīng)由放大器與衰減器發(fā)出，與PIN型光電二極管、放大器、衰減器流向網(wǎng)絡(luò)分析儀構(gòu)成的接收回路。如圖7所示，本文器件的3 dB 帶寬為13.6 MHz，此時信號幅度下降為峰值的0.707 倍。其中，插圖展示了器件在最佳工作點(diǎn)時采用16QAM 調(diào)制誤碼率千分之三的星座圖，最高通信速率為375 Mbit/s。

圖7 器件的3 dB帶寬與16QAM調(diào)制星座圖

本文采用垂直結(jié)構(gòu)LED 器件建立了光通信系統(tǒng)。系統(tǒng)發(fā)射端由Keysight 333600A 任意波形發(fā)生器以1 V 的峰值電壓和3 V 的偏置電壓驅(qū)動器件將偽隨機(jī)二進(jìn)制序列（PRBS,Pseudo-Random Binary Sequence）信號編碼為光信號。另一端，采用Hamamatsu C12702-11 探測器將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，發(fā)送到Keysight DSOS604A 數(shù)字存儲示波器。圖8 為數(shù)據(jù)通信速率為60 Mbps 時的眼圖，眼寬即“眼睛”空白部分在橫軸的長度約為10 ns，說明信號總體較穩(wěn)定但伴隨一定的時域抖動。器件在高頻的最佳抽樣時刻為“眼睛”睜開最大的時刻，系統(tǒng)應(yīng)用可以選取幅度達(dá)到最大幅度的80% 以上或最小幅度時間內(nèi)進(jìn)行電平信息采樣。

圖8 垂直結(jié)構(gòu)LED的60 Mbps通信眼圖

2.2 大功率發(fā)射驅(qū)動電路

在有限的帶寬內(nèi)提高調(diào)制速率，是大功率LED 陣列驅(qū)動和脈沖整形技術(shù)要解決的關(guān)鍵問題。圖9 為本文發(fā)射電路的原理框圖，發(fā)射端主要分為信號驅(qū)動電路與LED恒壓恒流供電電路。

圖9 大功率發(fā)射驅(qū)動電路框圖

信號驅(qū)動電路的輸入為雙極性信號，采用前級功率放大電路對信號源進(jìn)行放大，提高信號負(fù)載能力。MOSFET驅(qū)動電路利用信號控制柵極實(shí)現(xiàn)對LED 陣列的調(diào)制。發(fā)射端驅(qū)動電源采用4MOS 穩(wěn)壓保護(hù)電路，單片機(jī)（MCU,Microcontroller Unit）通過對源極精密電阻Rref 進(jìn)行電壓采樣，求取流經(jīng)LED 的電流平均值并與設(shè)定的電流容限比較，再輸出控制信號反饋至電源芯片來保證LED 陣列長時間的恒壓恒流供電。

2.3 高靈敏度自適應(yīng)探測電路

不同海況的內(nèi)部湍流、紊流現(xiàn)象大相徑庭，無線通信系統(tǒng)在實(shí)際水下運(yùn)用時難以保證無偏轉(zhuǎn)角度，因此本文引入信道角度偏轉(zhuǎn)模型如圖10 所示。系統(tǒng)光電傳感器前采用菲涅爾透鏡組，使其在一定偏轉(zhuǎn)角度范圍內(nèi)都能探測到光信號，這需要精確的光學(xué)焦點(diǎn)建模以及接收光功率與閉環(huán)增益控制數(shù)值的訓(xùn)練。

圖10 水下信道的光學(xué)接收模型

系統(tǒng)的接收端由光電轉(zhuǎn)換電路、放大濾波電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路三部分構(gòu)成。本文采用雪崩光電二極管（APD,Avalanche Photodiode）作為探測器，高壓供電的APD與跨阻放大器將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，通過高通濾波與后級放大器將低頻環(huán)境光噪聲濾除，最后信號通過模數(shù)轉(zhuǎn)換電路如比較器等進(jìn)行判決輸出。

為了適應(yīng)通信距離變化引起的信號幅度波動，本文設(shè)計(jì)了一種閉環(huán)負(fù)反饋?zhàn)詣釉鲆婵刂疲ˋGC,Automatic Gain Control）系統(tǒng)，即前端放大電路的增益隨信號強(qiáng)度自動調(diào)整，以達(dá)到穩(wěn)定信號幅度的目的。圖11 為AGC電路部分實(shí)現(xiàn)原理，壓控放大器與濾波器采集接收信號幅度，由MCU 反饋至電源，通過動態(tài)調(diào)節(jié)APD 的供電電壓來達(dá)到自適應(yīng)的目的，從而在接收端形成控制閉環(huán)。

圖11 接收端AGC電路部分原理圖

2.4 數(shù)字編碼調(diào)制模塊

數(shù)字編碼解調(diào)模塊是本文UOWC 系統(tǒng)中的信號源與信宿，作為系統(tǒng)與上位機(jī)如IP 攝像頭、電腦或路由器等設(shè)備的數(shù)字連接。

如圖12 所示，本文采用現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA,Field Programmable Gate Array）進(jìn)行數(shù)字調(diào)制與編碼，重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)2 MHz 二進(jìn)制頻移鍵控（FSK,Frequency Shift Keying）調(diào)制。通過使用該調(diào)制技術(shù)，可以增強(qiáng)可見光通信系統(tǒng)的傳輸可靠性，提高復(fù)雜信道中的抗干擾能力。

圖12 數(shù)字編碼調(diào)制模塊架構(gòu)

本文采用RS（255，239）糾錯碼（Reed-Solomon codes），包含8 個幀頭與8 位校驗(yàn)位，實(shí)際有效數(shù)據(jù)239 位，最多可糾正8 個錯誤位，糾錯效率達(dá)94%。RS 碼是一類糾錯能力很強(qiáng)的非二進(jìn)制BCH 碼（Bose-Chaudhuri-Hocquenghem codes），即使信道存在大量噪聲與干擾，當(dāng)收到一定數(shù)量的正確數(shù)據(jù)點(diǎn)后就可以恢復(fù)多項(xiàng)式，完成有效糾錯。這適合UOWC 系統(tǒng)在復(fù)雜信道中糾正因熱噪聲引起的單個比特隨機(jī)錯誤或比特連續(xù)出錯而產(chǎn)生的突發(fā)錯誤。

2.5 水下通信實(shí)驗(yàn)

圖13 展示了本文面向6G 網(wǎng)絡(luò)的UOWC 系統(tǒng)外觀圖與水下全雙工通信的場景：

圖13 UOWC系統(tǒng)外觀（a）和水下全雙工通信（b）

為了方便測試，本文將收發(fā)端系統(tǒng)各置于衰減系數(shù)為0.4 dB/m 的10 m 水槽窗口兩端，如圖14（a）和（b）所示，雙方接收端均配有D25mm，OD=0.6，透過率25% 與OD=1.0，透過率10% 共計(jì)40 倍衰減的光學(xué)衰減片，來模擬純凈海水50 m@0.4 dB/m 的通信信道。收發(fā)兩端分別連接電腦與基于TCP 協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)攝像頭進(jìn)行視頻傳輸，用RIGOL DS1102Z 數(shù)字存儲示波器采集系統(tǒng)發(fā)射端LED 陣列、MOS 管柵極與漏極波形，以及接收端跨阻放大器、高通濾波器與比較器輸出波形。圖14（c）和（d）分別為系統(tǒng)發(fā)射端與接收端的2 MHz 調(diào)制信號波形圖，其中灰色曲線為控制信號即MOS 管柵極調(diào)制波形，峰值Vpp約為11 V。燈珠陣列電源與MOS 管漏極形成的幅度差值控制LED 發(fā)光強(qiáng)度的變化，從而發(fā)出連續(xù)的調(diào)制光信號。接收端達(dá)到了對微弱信號約50 K 倍的轉(zhuǎn)換增益，后級設(shè)置的濾波電路對外界環(huán)境光、前級電路引入的噪聲進(jìn)行了有效濾除，自動增益控制功能避免了信號出現(xiàn)削頂、削底失真，模數(shù)轉(zhuǎn)換輸出波形規(guī)整、無誤判現(xiàn)象，

圖14 水下模擬信道的發(fā)射端視角（a）、接收端視角與視頻通信（b）、發(fā)射端輸出波形（c）和接收端輸入波形圖（d）

測試結(jié)果表明，本文提出的基于亞波長垂直結(jié)構(gòu)藍(lán)光LED 的UOWC 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了水下50 m 通信距離不低于2 Mbps 的通信速率，并支持音視頻、多路傳感數(shù)據(jù)等業(yè)務(wù)的實(shí)時高速傳輸。

3 結(jié)束語

水下光通信是6G 空天海地一體化的關(guān)鍵技術(shù)，光發(fā)射芯片是核心的器件。本文采用亞波長垂直結(jié)構(gòu)藍(lán)光LED，實(shí)現(xiàn)了高出光效率、高調(diào)制速率的兼容，并且基于該器件設(shè)計(jì)研制采用RS 編碼2FSK 調(diào)制方式，具備大功率發(fā)射驅(qū)動、高靈敏度自適應(yīng)探測能力的水下藍(lán)光通信系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了水下50 m 距離2 Mbps 傳輸速率的音視頻實(shí)時通信功能，這在海洋水下智能裝備應(yīng)用中具有極大的工程價值。