建設(shè)現(xiàn)代海洋產(chǎn)業(yè)體系是國(guó)家十四五規(guī)劃積極拓展海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展空間的重要舉措，水下無(wú)線通信是需要突破的關(guān)鍵核心技術(shù)。相比于水下無(wú)線聲納通信和水下無(wú)線射頻通信，水下無(wú)線光通信(Underwater Wireless Optical Communication, UWOC)技術(shù)擁有更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，更低的傳輸延遲和更低的實(shí)現(xiàn)成本。但是由于水下通信環(huán)境的復(fù)雜性，光信號(hào)會(huì)受到衰減和干擾，因此通信距離和通信速率也會(huì)受到限制。如何通過(guò)研制新型的發(fā)光和探測(cè)芯片、通信算法等來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題成為了研究人員關(guān)注的重點(diǎn)。此外，水下通信等設(shè)備的自主充電功能，是實(shí)現(xiàn)高效率、長(zhǎng)壽命、高穩(wěn)定性系統(tǒng)的技術(shù)核心所在，確保了設(shè)備的續(xù)航能力。
為了突破現(xiàn)有雙工UWOC技術(shù)瓶頸，復(fù)旦大學(xué)的田朋飛課題組首次利用micro-LED（微米級(jí)LED）作為一體化集成芯片，實(shí)現(xiàn)了高性能雙工UWOC以及水下充電綜合應(yīng)用系統(tǒng)的構(gòu)建，并詳細(xì)地研究micro-LED集成陣列的的光發(fā)射、光電探測(cè)以及光伏發(fā)電功能。系統(tǒng)通過(guò)基于micro-LED的發(fā)射器和光電探測(cè)器可以實(shí)現(xiàn)高速雙工UWOC，而基于micro-LED的太陽(yáng)能電池應(yīng)用則可以提供能量供給。通信和充電功能的結(jié)合將有助于實(shí)現(xiàn)自供電的UWOC系統(tǒng)，并減少對(duì)外部電源的依賴。基于micro-LED陣列的系統(tǒng)集成了光發(fā)射、光電探測(cè)和光伏發(fā)電功能，在保證了高速UWOC的同時(shí)，延長(zhǎng)了系統(tǒng)使用壽命，相關(guān)研究在海底勘探、洋流監(jiān)測(cè)和其他復(fù)雜多變的水下環(huán)境應(yīng)用將具備極為廣闊的應(yīng)用前景，整體應(yīng)用場(chǎng)景如圖1所示。
圖1基于micro-LED陣列實(shí)現(xiàn)的雙工UWOC和水下充電綜合應(yīng)用場(chǎng)景。
作為光發(fā)射器，得益于小尺寸的特性，micro-LED具備高光效、高調(diào)制帶寬、低功耗等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，非常適用于可見(jiàn)光通信應(yīng)用。在該研究中，研究人員利用開(kāi)關(guān)鍵控調(diào)制(On-Off Keying, OOK)，結(jié)合micro-LED的光發(fā)射功能，在2.3 m長(zhǎng)的水下信道中實(shí)現(xiàn)了最高660 Mbps的實(shí)時(shí)通信速率。更進(jìn)一步的，基于同一micro-LED器件，其水下光電探測(cè)潛力也得以充分開(kāi)發(fā)，由于Ⅲ-Ⅴ族氮化物材料大的禁帶寬度、高吸收系數(shù)、高飽和電子漂移速度等特性，micro-LED基光電探測(cè)器具備高響應(yīng)度、高比探測(cè)率、優(yōu)秀的線性度、波長(zhǎng)選擇性等優(yōu)點(diǎn)。同樣采用OOK調(diào)制，在-5 V和0 V偏置電壓條件下，器件能分別取得最高60 Mbps和52.5 Mbps的通信速率上限。可以看到，在外部偏置電壓下，器件的最大數(shù)據(jù)速率僅發(fā)生微小變化。結(jié)果表明，micro-LED用作光電探測(cè)器時(shí)，具備自供電的特性，無(wú)論有沒(méi)有外部電源，其均能處于高性能的工作狀態(tài)，并具有實(shí)現(xiàn)高速雙工UWOC應(yīng)用的能力。
在上述雙工UWOC技術(shù)的基礎(chǔ)上，研究人員還證明了micro-LED用于光伏發(fā)電的可行性。對(duì)于在水下環(huán)境，特別是深海環(huán)境的UWOC應(yīng)用中，太陽(yáng)光所難以抵達(dá)的場(chǎng)合，其將主要收集來(lái)自發(fā)射端的光能以實(shí)現(xiàn)水下充電。對(duì)于典型的UWOC系統(tǒng)而言，其光發(fā)射器通常采用直流和交流結(jié)合驅(qū)動(dòng)的方式，并且發(fā)射光的大部分能量是直流分量，不包含數(shù)據(jù)信息。如果將micro-LED用作接收器，那么通過(guò)合理的電路設(shè)計(jì)，在檢測(cè)交流信號(hào)的同時(shí)，可以將分離出的直流分量轉(zhuǎn)換為電能進(jìn)行存儲(chǔ)，這將大大提高整個(gè)UWOC系統(tǒng)的能源利用效率，并有助于提高深海設(shè)備的使用壽命和穩(wěn)定性。為了驗(yàn)證這個(gè)概念，研究人員設(shè)計(jì)了一個(gè)相應(yīng)的電路，如圖2(a)所示，以實(shí)現(xiàn)AC和DC的有效分離。使用工作于交流耦合模式的高速示波器隔離直流信號(hào)并捕獲交流信號(hào)。直流分量則為儲(chǔ)能電容C1進(jìn)行實(shí)時(shí)充電，電感L被用于阻止交流信號(hào)通過(guò)儲(chǔ)能支路。圖2(b)是實(shí)驗(yàn)圖像。穿過(guò)2.3m水缸后，光信號(hào)被micro-LED接收，并且交流電和直流電信號(hào)已通過(guò)電路實(shí)現(xiàn)了成功的分離。示波器顯示的是收集到的交流信號(hào)，而直流分量則對(duì)電容器進(jìn)行同步充電以驅(qū)動(dòng)后端的660 nm 激光器。實(shí)驗(yàn)成功證明，單個(gè)micro-LED可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)信號(hào)檢測(cè)和能量收集功能，并在實(shí)現(xiàn)集成自供電式UWOC系統(tǒng)領(lǐng)域具備極為廣闊的發(fā)展前景。
圖2(a) AC/DC分離電路示意圖。(b)實(shí)際系統(tǒng)照片，同步實(shí)現(xiàn)了后端660 nm激光器的驅(qū)動(dòng)與高速信號(hào)探測(cè)。
相關(guān)研究成果于2021年4月12日發(fā)表知名期刊《Advanced Optical Materials》上（SCI工程技術(shù)一區(qū)，影響因子8.262，https://doi.org/10.1002/adom.202002211），研究成果拓展了雙工UWOC技術(shù)應(yīng)用方向，并有望實(shí)現(xiàn)高性能的集成化水下無(wú)線通信綜合應(yīng)用設(shè)備。
