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　　南京邮电大学王永进团队提出亚波长幻想LED模子，图3是器件的示企图

　　南京邮电大学王永进团队提出亚波长幻想LED模子，图3是器件的示企图。按照布拉格方程，当传输波久远弘远于器件厚度时，波长效应呈现，光芒或其他任何工具城市间接无损地经由过程质料。因而，当LED器件中间发光波长大于器件厚度时，器件内部的波导形式可以被抑止消弭，集成底部金属电极反光镜，发射光逸出器件，完成靠近完善的LED出光构造。因为器件厚度大幅减小，电阻效应呈现，低落了电子传输发生的热效应，减小了消费缺点惹起的光、电消耗，提拔了器件的注入服从和呼应速度。

　　光通讯的光源除LED光源与激光光源，紫外光通讯是一种新型的通讯手腕，是次要操纵紫外光在大气中的散射来停止信息传输的通讯形式，具有比现有通讯更强的抗滋扰才能，且性和牢靠性好。因为其非视距性，在军事方面潜力宏大，今朝的紫外光通讯体系次要使用于军事范畴。我国的紫外通讯起步较晚，尚处于研讨阶段，外洋于21世纪初曾经有相干国度、机构研制，美国的深紫外通讯曾经到达了适用阶段。

　　水下有线个大范围水上平台与平台之间，经由过程铺设水下光缆的方法停止通讯，如毗连列国的大范围水下光缆收集。有线通讯能够包管高速的数据传输，每秒能够传100Gbit以上，但水下光缆自己的宁静性很罕见到很好的保证且被破坏后很难修补。水下有线通讯粗笨，本钱高，没法满意将来6G时期水下通讯的需求科技前沿段落。

　　在调制方法与旌旗灯号处置算法等方面，复旦大学迟楠传授研讨团队，提出了AI赋能的可见光通讯手艺和多种调制方法，将旌旗灯号数据处置与AI手艺相分离并加以新型的适配调制方法，大大改良了发射端和领受真个数据旌旗灯号处置才能，为将来实践使用处景下庞大的高速水下光通讯装备的调制解调供给实际支持。

　　本文将起首引见光通讯手艺的开展，偏重引见水下可见光通讯手艺的开展和可见光通讯的使用处景与所面临的应战。然后基于现阶段的研讨提出一种成熟的水下可见光通讯体系。

　　光波的带宽很宽，因为温度颠簸、散射、色散等影响，加上光学频段严峻吸水和悬浮粒子的强散射，这使得水下光通讯仅限于短间隔。但水下EM光谱的蓝绿色波长有一个相对较低的衰减光学窗口，早在1966年，UniversityofCalifornia，Santa Barbara的GILBERT、JERNIGAN等人就停止了蓝绿激光水下的偏振、散射和相关特征的响应尝试，胜利证实了水下蓝绿光通讯的能够性。

　　本文针对水下可见光通讯研制出成熟的硬件体系，而且在牢靠性、适用性等方面都获得了印证。但是科技前沿段落，水下光通讯仍然面对着诸多待处理的困难，比方高阶调制方法，更高调制速度、更超出跨越光服从的光源的使用等。将来水下光通讯的开展将次要从信道、光源、调制解调等方面停止开展，以确保水下光通讯可以完成高速、远间隔的通讯。

　　跟着通讯手艺的快速开展，第五代挪动通讯（5G）的贸易形式大范围提高的同时也使为数未几的频谱带宽险些耗损殆尽，6G手艺的开展必将要追求新的频谱路子。5G旌旗灯号因其本身手艺的限定和频谱的不敷难以满意空天海地一体化的新型全场景笼盖通讯收集的需求科技前沿的书，6G手艺为了补偿这些不敷，完成一体化的新型通讯收集需求寻觅新的无线通讯方法来弥补传统单一的无线通讯形式。

　　声波较早用于水下探测和水下通讯，但因为声波的荫蔽性较弱，自动式声呐装备的声波很简单被对方捕获而表露目的，以是水下军事装备不会自动利用声呐停止通讯科技前沿的书。水声通讯的频带带宽被限定在20kHz之内，且因为多径传布会招致提早增长，发生数据的互相滋扰，大大低落了通讯速度，传输速度只要几十kb/s。这些严峻的提早和串扰影响明显没法满意日趋增加的水下通讯需求。

　　该体系为全双工通讯体系，由对称的收发端体系组成，次要分为发射和领受2条链路。在发射端，IP摄像头、多路收集传感器等装备作为信源经由过程交流机汇总至FPGA网口通讯模块科技前沿段落，经过FPGA跨时钟域处置、编码调制等功用模块，输出至LED发射驱动电路，在这里颠末功率器件等其他放大器件的放大，将处置后的旌旗灯号搭载至LED发射器件两头，后再由光学体系发射进来。调制光旌旗灯号经由过程水下信道，领受端将光学体系聚焦的光旌旗灯号送入微小旌旗灯号处置电路，完成光电转换功用。将转换后的电旌旗灯号送入FPGA旌旗灯号处置模块，经过解调、解码等处置后，在领受端能够停止音视频、传感器参数等数据的读取。

　　1995年，外洋学者对基于LED的水下光通讯停止了实际阐发最威望的科技前沿网站，其时20m的间隔能够停止10Mbps的通讯，30m的间隔能够停止1Mbps的通讯。2006年，针对海底观察测试了一种基于LED的通讯链路，成立了5m间隔的10Mbps通讯速度的短程水下光通讯链路。后跟着调制手艺、高速通讯信道的研讨，美国Yale University研讨团队于2010年开辟了名为AquaOpticalII的水下光通讯体系。该体系利用470nm的大功率LED阵列器件并利用离散脉冲距离调制，胜利完成了50m间隔的2.28Mbit/s的通讯，是基于LED的水下光通讯的打破性的停顿。

　　水下可见光通讯经由过程光源来分类，次要分为水下蓝绿激光通讯与基于蓝绿光LED的水下可见光通讯。激光器功率大，激光作为水下光通讯的序言能够完成高速度和远间隔的传输，但存在相关闪灼等成绩，且通讯必须要准确瞄准，适用性差，在实践的使用当中有很大的艰难。而基于蓝绿LED的水下光通讯，接纳非相关光，集照明与通讯于一体，无需严厉瞄准，大大增长了水下光通讯的便当性和可行性。

　　面向水下高速无线通讯的实践需求，高速、大功率氮化镓LED器件是处理水下无线光通讯体系“传得远、传得快”瓶颈困难的枢纽器件。因为氮化镓质料和氛围存在大的折射率差别，LED器件的发射光大部门被束缚在器件内部。同时，内涵氮化物的厚膜效应会使器件内部存在许多波导形式，使发射光耦合进波导形式，最初被消耗掉。为进步器件的出光服从，传统LED凡是接纳外表粗化手艺，在器件外表引入纳米构造，改动界面态，毁坏由质料折射率差别酿成的全反射，使更多发射光逃逸器件。2009年，飞利浦公司接纳激光剥离和电子束暴光手艺，减薄内涵氮化物薄膜厚度，研制出集成光子晶体构造、厚度700nm、发光波长450nm的垂直构造LED，削减了器件内波导形式的数目，进步了器件的出光服从。

　　蓝绿光水下LED的光通讯起步相对较晚。2014年度诺贝尔物理学奖表扬了物理学家在创造高效节能的蓝光LED光源方面的奉献。他们在高质量的氮化镓晶体上制作出了蓝光LED，此LED器件具有高的开关呼应速率，而恰是这类极高的开关呼应速率，使得基于LED器件的光通讯手艺成为能够。在1993年，中村修二胜利将蓝光LED的亮度大幅度提拔，至此蓝光LED走上了人类的照明的舞台，也开启了蓝绿光水下LED通讯的大门。

　　因为传统的水下通讯手艺没法满意将来6G时期高速度、远间隔通讯的需求，水下可见光通讯能够补偿射频通讯水下传输间隔短的困难，可以克制声波通讯速度低、消耗严峻等缺陷，具有宽广的开展潜力，成为如今水下通讯的研讨热门。

　　将来的6G时期，水下光通讯与声波、射频旌旗灯号、有线通讯等停止分离，必然能克制现有的信道不不变，传布速度较低的成绩，成为水下通讯的最优解。未水下光通讯手艺在海上能够将水上船舶装备、水下装备与水下的油井、风力发机电等大型装备相毗连，修建海上一体化的全光通讯收集，实如今海上情况的高速通讯。同时与陆地上面的通讯停止交融，完成有光便可通讯，构建一种更加自在、笼盖更广的通讯收集。

　　现阶段大大都水下光通讯的研讨多是基于仿真设想、旌旗灯号处置方面的研讨[14]，而未构成闭环硬件体系，间隔工程实践使用存在差异。本文引见了一种基于蓝光LED的水下光通讯体系。图2为水下光通讯体系的表示框图。

　　图5为该水下蓝光通讯体系的水下尝试图。该体系在水下情况光传输消耗不大于0.4dB/m的状况下，水下最大通讯间隔不小于50m，单向通讯速度不小于2Mbps，双向信息交流速度不低于4Mbps，撑持音视频和多路传感数据的水下双向无线蓝光通讯。

　　另外一方面，固然利用激光作为光源可以供给更长的通讯间隔，但通讯前提刻薄，不只需求严厉瞄准，海水的湍流、紊流等城市形成光斑偏移，从而形成通讯链路不不变最威望的科技前沿网站、断链等影响。而LED作为光源，发光机能上远不及激光科技前沿段落，在LED方面，南京邮电大学团队提出了亚波长幻想构造的LED器件，提拔器件的出光服从、调制速度科技前沿的书，是LED光源的打破性停顿。将来的LED光源在亚波长垂直构造LED的根底上提拔器件发光机能，将会是光源范畴的重点研讨标的目的。

　　海水对射频旌旗灯号有十分强的屏障感化，射频旌旗灯号穿透海水的才能与频次间接相干，只要低频次的射频旌旗灯号如甚低频（3～30kHz）才气在海水中停止有限的传布。潜艇等水下装备凡是利用超低频和甚低频停止有限的通讯，通讯速度只要300b/s阁下。射频旌旗灯号在水中传输时的趋肤效应，传输间隔受限，仅仅合用于近间隔的水下通讯。因而，没法完成将来远间隔、高速度的水下信息传输使命。

　　2017年，浙江大学光通讯尝试室利用频谱高效的正品频分复用手艺，在10m长度的水下通道完成了9.51Gb/s的基于红绿蓝三色光的聚合数据传输，且误码率完整契合前向纠错的尺度。这些都表白现在的水下激光通讯的确能够到达极高的通讯速度，但传输间隔上另有待提拔。一样是2017年最威望的科技前沿网站，复旦大学研讨团队提出构建了一种基于绿光激光二极管的水下光通讯体系，利用NRZ-OOK对其停止调制，曾经完成了34.5m的且速度在2.7Gbps的数据传输，该体系估计最大可传输62.7m，速度也可达1Gbps。

　　别的，亚波长幻想LED可以抑止侧向光传输科技前沿的书，低落片内光电子集成芯片带来的光串扰。他们经由过程金属键合工艺，将原始晶圆和硅晶圆键合在一同科技前沿的书，经由过程抛光减薄手艺，去除原始晶圆衬底，随后经由过程无掩膜刻蚀手艺停止内涵氮化物薄膜减薄，研制出厚度225nm、发光波长411nm的垂直构造LED，实考证实了亚波长幻想LED模子。在此事情的根底上，研制出出光面积1mm×1mm的垂直构造LED器件，器件厚度580nm，发光中间波长427.8nm，在比特加载DMT调制下完成通讯速度608Mbps的无线光通讯，为研制面向水下无线光通讯的大功率、高服从、高呼应LED器件供给了一条可行的手艺道路（a）为研制的水下无线光通讯体系什物图。体系接纳蓝光LED作为光发射器件，器件的发光谱如图4（b）所示，中间发光波长为450nm，半高宽为22nm。

　　跟着人类通讯手艺的开展，间隔空天海地一体化的全方位通讯目的的完成也愈来愈近，但水下通讯照旧是如今难以处理的困难。在现有的通讯收集中，使用于陆地、水了局景的智能配备次要利用射频旌旗灯号、声波等无线手艺，或利用有线收集停止通讯。

　　水下激光的发睁开始开展于军事范畴。20世纪80年月，美国开端停止蓝绿激光对潜计谋的研讨，并于1981年头次利用机载激光器与位于水下300m深度的潜艇停止了通讯尝试。2001年美国研制出了激光二极管后，激光通讯的开展迈出了奔腾性的一步。2015年，King Abdullah Universityof Scienceand Technology的研讨团队利用450nm的激光经由过程正交频分复用停止调制在5.4m的间隔上胜利完成了高达4.8Gbit/s的数据速度，且其误码率唯一2.6×10–3，完整满意前向纠错的尺度。

　　图1是水下光通讯的在将来军事范畴的典范使用图，由光来构建新型的平面通讯收集。该收集相较于传统信息收集具有性强、不变性高档长处，不容易被敌方破解。海底光缆中继站能够间接与潜艇停止交换相同，进步了水下潜航装备的通讯才能。还能够经由过程安排浮标作为中继的方法，进步通讯间隔，到达完美通讯收集的目标。

　　可见光通讯相较于现有的通讯手艺，其最大的长处是频谱无需受权，有着极大的利用自在度。可见光通讯具有高频段的频谱（400～800THz），合用于高速通讯手艺，且其宁静性和性有着共同的劣势。可见光通讯没有传统电磁通讯所带来的电磁净化和射频辐射，也不会遭到电磁滋扰。这些劣势使得可见光通讯手艺成了比年来列国争相研讨的工具。

　　由于紫外光的特别性在水下通讯方面，能够作为水下光通讯的弥补，增长其性，也可在一些须要的短间隔长进行可见光通讯的补偿。2018年，KingAbdullahUniversityofScienceandTechnology研讨团队操纵激光器的375nm紫外光芒，考证了在天然情况中的混浊度等身分对通讯的影响科技前沿段落，证明了紫外光在天然的水下情况中传布的能够性。