單光路多通道可見光通信系統(tǒng)新進(jìn)展

  近期，來自中國的研究人員成功設(shè)計(jì)出一種新型自由空間光通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)在單一光路中能夠同時(shí)發(fā)送和接收兩組數(shù)據(jù)(Opt. Lett., doi: 10.1364/OL.470796)。相關(guān)研究人員表示，他們的研究方案基于量子阱二極管的發(fā)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(shí)發(fā)射并吸收一系列波長的光，且其發(fā)射光譜和吸收光譜有一個(gè)重疊區(qū)域。正是這種特性，使得它可以同時(shí)用作發(fā)射器和接收器。因?yàn)槎嗔孔于? iii -氮化二極管能夠以光學(xué)編碼信息調(diào)制載波并檢測調(diào)制光以恢復(fù)另一端的信息，因此只需要兩個(gè)這種二極管就可以構(gòu)建一個(gè)無線通信鏈路。

  圖 | 使用單通道的全雙工可見光通信系統(tǒng)

  在最新的研究中，南京郵電大學(xué)王永進(jìn)帶領(lǐng)研究團(tuán)隊(duì)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(gè) 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(lán)光、綠光和可見光的反射或透射，起到了一個(gè)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(nèi)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(lán)色”二極管的濾光片在其反射光譜中在 550 nm 附近有一個(gè)躍遷，因?yàn)樗钃趿怂{(lán)光，但允許波長較長的綠光通過。另一個(gè)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(lán)光和綠光兩個(gè)波長的傳輸。

  團(tuán)隊(duì)意圖使用藍(lán)色和綠色發(fā)射的MQWⅢ -氮化二極管來創(chuàng)建一個(gè)單鏈路通信系統(tǒng)，可以在多個(gè)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(fā)生串?dāng)_。

  為此，他們將兩個(gè)發(fā)射藍(lán)光的MQWⅢ氮化二極管放置在單個(gè)光路中的兩個(gè)綠色二極管之間。藍(lán)色二極管可以交換傳輸和接收數(shù)據(jù)，同時(shí)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(tǒng)的光學(xué)特性，研究人員發(fā)現(xiàn)，兩對二極管都能夠?qū)㈦娏鞯淖兓D(zhuǎn)換為光強(qiáng)度的變化，反之亦然，從而證明了其傳輸信息的能力。同時(shí)，他們證明，在這兩種情況下，透射光譜和吸收光譜的某些區(qū)域重疊，這意味著通信通道可以由成對的相同二極管構(gòu)成。

  研究人員隨后表明，該系統(tǒng)可以同時(shí)發(fā)送兩個(gè)數(shù)據(jù)流。他們改變藍(lán)色發(fā)射器的電壓，以每秒 100 個(gè)二進(jìn)制位 (bps) 的速度發(fā)射一系列隨機(jī)的長短光脈沖，之后藍(lán)色接收器將其接收并轉(zhuǎn)換回電信號。而且，綠色二極管也可以以10 bps 的速度實(shí)現(xiàn)同樣的功能。盡管在這種情況下，藍(lán)色二極管的存在意味著他們必須使用所謂的包絡(luò)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(shí)發(fā)送兩組數(shù)據(jù)，而不需要在每一端都有單獨(dú)的發(fā)送器和接收器。這意味著單個(gè)自由空間鏈路足以進(jìn)行雙工通信，有效降低了通信系統(tǒng)的成本。他們認(rèn)為，鑒于每個(gè)二極管都結(jié)合了多種光發(fā)射、檢測和能量收集功能，該系統(tǒng)在物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

  研究人員指出，在離他們的研究投入實(shí)際應(yīng)用之前，還有很多技術(shù)障礙需要克服。比如需要更小的設(shè)備來提高數(shù)據(jù)傳輸率——從目前的數(shù)千平方微米到幾十平方微米。盡管如此，他們認(rèn)為如果能夠完善這項(xiàng)技術(shù)，它有朝一日可能會應(yīng)用于光子處理器，因?yàn)閱我还饴返耐ㄐ欧桨父唵?，成本更低?

  信息來源：OSA