建設(shè)現(xiàn)代海洋產(chǎn)業(yè)體系是國家十四五規(guī)劃積極拓展海洋經(jīng)濟發(fā)展空間的重要舉措，水下無線通信是需要突破的關(guān)鍵核心技術(shù)。相比于水下無線聲納通信和水下無線射頻通信，水下無線光通信(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現(xiàn)成本。
但是由于水下通信環(huán)境的復雜性，光信號會受到衰減和干擾，因此通信距離和通信速率也會受到限制。如何通過研制新型的發(fā)光和探測芯片、通信算法等來解決這個問題成為了研究人員關(guān)注的重點。此外，水下通信等設(shè)備的自主充電功能，是實現(xiàn)高效率、長壽命、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。
但是由于水下通信環(huán)境的復雜性，光信號會受到衰減和干擾，因此通信距離和通信速率也會受到限制。如何通過研制新型的發(fā)光和探測芯片、通信算法等來解決這個問題成為了研究人員關(guān)注的重點。此外，水下通信等設(shè)備的自主充電功能，是實現(xiàn)高效率、長壽命、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，復旦大學的田朋飛課題組首次利用micro-LED（微米級LED）作為一體化集成芯片，實現(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，并詳細地研究micro-LED集成陣列的的光發(fā)射、光電探測以及光伏發(fā)電功能。系統(tǒng)通過基于micro-LED的發(fā)射器和光電探測器可以實現(xiàn)高速雙工UWOC，而基于micro-LED的太陽能電池應(yīng)用則可以提供能量供給。通信和充電功能的結(jié)合將有助于實現(xiàn)自供電的UWOC系統(tǒng)，并減少對外部電源的依賴?；趍icro-LED陣列的系統(tǒng)集成了光發(fā)射、光電探測和光伏發(fā)電功能，在保證了高速UWOC的同時，延長了系統(tǒng)使用壽命，相關(guān)研究在海底勘探、洋流監(jiān)測和其他復雜多變的水下環(huán)境應(yīng)用將具備極為廣闊的應(yīng)用前景，整體應(yīng)用場景如圖1所示。
圖1基于micro-LED陣列實現(xiàn)的雙工UWOC和水下充電綜合應(yīng)用場景。
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、低功耗等獨特優(yōu)勢，非常適用于可見光通信應(yīng)用。在該研究中，研究人員利用開關(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長的水下信道中實現(xiàn)了最高660 Mbps的實時通信速率。更進一步的，基于同一micro-LED器件，其水下光電探測潛力也得以充分開發(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基光電探測器具備高響應(yīng)度、高比探測率、優(yōu)秀的線性度、波長選擇性等優(yōu)點。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?？梢钥吹?，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用作光電探測器時，具備自供電的特性，無論有沒有外部電源，其均能處于高性能的工作狀態(tài)，并具有實現(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。對于在水下環(huán)境，特別是深海環(huán)境的UWOC應(yīng)用中，太陽光所難以抵達的場合，其將主要收集來自發(fā)射端的光能以實現(xiàn)水下充電。對于典型的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，那么通過合理的電路設(shè)計，在檢測交流信號的同時，可以將分離出的直流分量轉(zhuǎn)換為電能進行存儲，這將大大提高整個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。為了驗證這個概念，研究人員設(shè)計了一個相應(yīng)的電路，如圖2(a)所示，以實現(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并捕獲交流信號。直流分量則為儲能電容C1進行實時充電，電感L被用于阻止交流信號通過儲能支路。圖2(b)是實驗圖像。穿過2.3m水缸后，光信號被micro-LED接收，并且交流電和直流電信號已通過電路實現(xiàn)了成功的分離。示波器顯示的是收集到的交流信號，而直流分量則對電容器進行同步充電以驅(qū)動后端的660 nm 激光器。實驗成功證明，單個micro-LED可以同時實現(xiàn)信號檢測和能量收集功能，并在實現(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)實際系統(tǒng)照片，同步實現(xiàn)了后端660 nm激光器的驅(qū)動與高速信號探測。
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，并有望實現(xiàn)高性能的集成化水下無線通信綜合應(yīng)用設(shè)備。
