单光路多通道可见光通信系统新进展

  近期，来自中国的研究人员成功设计出一种新型自由空间光通信系统，该系统在单一光路中能够同时发送和接收两组数据(Opt. Lett., doi: 10.1364/OL.470796)。相关研究人员表示，他们的研究方案基于量子阱二极管的发射和吸收特性，有效降低了光通道的空间和成本。

  多量子阱Ⅲ-氮化二极管是一种基于芯片的器件，它可同时发射并吸收一系列波长的光，且其发射光谱和吸收光谱有一个重叠区域。正是这种特性，使得它可以同时用作发射器和接收器。因为多量子阱 iii -氮化二极管能够以光学编码信息调制载波并检测调制光以恢复另一端的信息，因此只需要两个这种二极管就可以构建一个无线通信链路。

  图 | 使用单通道的全双工可见光通信系统

  在最新的研究中，南京邮电大学王永进带领研究团队就用到了多量子阱Ⅲ氮化二极管，其尺寸仅为5.5 mm × 4.1 mm × 0.22mm。二极管的底部被涂覆了一个 2.3 微米厚的布拉格反射涂层，其中包含36对二氧化硅和二氧化钛薄膜层。该涂层可以控制蓝光、绿光和可见光的反射或透射，起到了一个滤光片的作用，从而提高单一信道的容量。

  研究人员通过改变涂层内二氧化硅和二氧化钛层的分布，制造了两种略有不同的滤光片。用于“蓝色”二极管的滤光片在其反射光谱中在 550 nm 附近有一个跃迁，因为它阻挡了蓝光，但允许波长较长的绿光通过。另一个滤光片用于“绿色”二极管，其跃迁波长约为 590 nm，因此阻止了蓝光和绿光两个波长的传输。

  团队意图使用蓝色和绿色发射的MQWⅢ -氮化二极管来创建一个单链路通信系统，可以在多个通道上传输和接收信息。这就需要弄清楚如何阻止不同光信号之间发生串扰。

  为此，他们将两个发射蓝光的MQWⅢ氮化二极管放置在单个光路中的两个绿色二极管之间。蓝色二极管可以交换传输和接收数据，同时绿光能够在另一对二极管之间不受干扰地通过。

  通过分析系统的光学特性，研究人员发现，两对二极管都能够将电流的变化转换为光强度的变化，反之亦然，从而证明了其传输信息的能力。同时，他们证明，在这两种情况下，透射光谱和吸收光谱的某些区域重叠，这意味着通信通道可以由成对的相同二极管构成。

  研究人员随后表明，该系统可以同时发送两个数据流。他们改变蓝色发射器的电压，以每秒 100 个二进制位 (bps) 的速度发射一系列随机的长短光脉冲，之后蓝色接收器将其接收并转换回电信号。而且，绿色二极管也可以以10 bps 的速度实现同样的功能。尽管在这种情况下，蓝色二极管的存在意味着他们必须使用所谓的包络检测来改善信号噪比。

  Wang 及其同事称，他们可以沿同一信道同时发送两组数据，而不需要在每一端都有单独的发送器和接收器。这意味着单个自由空间链路足以进行双工通信，有效降低了通信系统的成本。他们认为，鉴于每个二极管都结合了多种光发射、检测和能量收集功能，该系统在物联网等领域具有广阔的应用前景。

  研究人员指出，在离他们的研究投入实际应用之前，还有很多技术障碍需要克服。比如需要更小的设备来提高数据传输率——从目前的数千平方微米到几十平方微米。尽管如此，他们认为如果能够完善这项技术，它有朝一日可能会应用于光子处理器，因为单一光路的通信方案更简单，成本更低。

  信息来源：OSA