清華新聞網(wǎng)1月23日電 隨著傳統(tǒng)射頻通信頻譜資源的日益緊張，無線光通信技術(shù)作為一種新興的寬帶無線接入方式，受到廣泛關(guān)注。無線光通信（optical wireless communication，OWC）使用光波作為信息傳輸介質(zhì)，具有與傳統(tǒng)射頻無線通信明顯不同的特性，包括極寬的免授權(quán)頻譜資源、視距定向傳播、綠色安全、免電磁干擾等。無線光通信按照使用的光譜可分為紅外通信、可見光通信和紫外通信等。紅外通信可依托于大規(guī)模建設(shè)的光纖入戶基礎(chǔ)設(shè)施，擁有成熟的器件工藝；可見光通信可與照明設(shè)備相結(jié)合，易于在室內(nèi)環(huán)境中部署。然而，可見光通信與紅外通信在通信性能和標(biāo)準(zhǔn)等方面仍存在著較大的差異，融合使用面臨巨大挑戰(zhàn)。此外，保密性作為無線光通信相較于傳統(tǒng)射頻通信的一大優(yōu)勢(shì)，其具體的室內(nèi)系統(tǒng)部署方案仍亟待解決。
近日，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院付紅巖副教授、韋國(guó)丹副教授團(tuán)隊(duì)利用可見光-紅外雙波段探測(cè)器成功建立了基于波分復(fù)用的多用戶通信和加密通信系統(tǒng)，無需光學(xué)濾波元件，僅基于探測(cè)器自身工作電壓的調(diào)制編碼，即可實(shí)現(xiàn)可見光信息和紅外信息的同步接收。此外，團(tuán)隊(duì)使用基于接收波長(zhǎng)的調(diào)制電壓產(chǎn)生加密密鑰，可實(shí)現(xiàn)了雙波長(zhǎng)加密通信。
團(tuán)隊(duì)首先設(shè)計(jì)和制備了基于有機(jī)/無機(jī)雜化的可見光-紅外波段探測(cè)器，并對(duì)其性能進(jìn)行表征，包括結(jié)構(gòu)能級(jí)、器件在不同波段與不同偏壓條件下的響應(yīng)度、光生電流、響應(yīng)時(shí)間、器件帶寬等（圖1）。器件性能優(yōu)化重點(diǎn)關(guān)注雙波段探測(cè)器在不同探測(cè)模式之間的切換速度。通過理論推導(dǎo)，建立了模式切換速度同采樣頻率之間的制約關(guān)系。這一性能是影響該無線光通信系統(tǒng)速率的重要因素。
圖1.雙波段探測(cè)器性能表征
研究人員探究了探測(cè)器在不同調(diào)制電壓下的工作模式特征，包括僅可見光接收、僅紅外接收、可見光-紅外信號(hào)加和輸出、可見光-紅外信號(hào)差值輸出（圖2）。基于探測(cè)器在不同波段的調(diào)制電壓，研究人員采用時(shí)分復(fù)用的方式構(gòu)建了支持多進(jìn)單出（multiple-input-single-output）的波分復(fù)用系統(tǒng)。在滿足前向糾錯(cuò)要求下，該系統(tǒng)可支持總傳輸速率為1.1Mbps的無誤碼通信。
圖2.基于波分復(fù)用的雙波段通信原理及性能
研究人員還利用不同工作模式下的調(diào)制電壓作為密鑰，開發(fā)了一種新的物理加密通信方式。基于密鑰，接收機(jī)必須使用特定的偏置電壓調(diào)制，對(duì)同時(shí)傳來的可見光和紅外光信號(hào)進(jìn)行加法/減法運(yùn)算，或只接收其中一種信號(hào)，才可獲得正確的解碼信息。工作模式的存在，使得兩個(gè)獨(dú)立信道的光信號(hào)通過光功率比和算術(shù)關(guān)系相互耦合，因此竊聽者無法分別記錄這兩個(gè)信號(hào)，也無法通過暴力嘗試進(jìn)行破譯。該加密方案與以往的研究工作相比，極大提高了無線光通信的安全性和保密性。
圖3.基于不同工作模式的加密通信方案
相關(guān)研究成果以“高速雙波段探測(cè)器用于雙通道波分復(fù)用光通信和保密增強(qiáng)”（High Speed Dual-Band Photodetector for Dual-channel Optical Communications in Wavelength Division Multiplexing and Security Enhancement）為題，發(fā)表于《先進(jìn)功能材料》（Advanced Functional Materials）上。
清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院2019級(jí)碩士汪昭明為論文第一作者，2020級(jí)博士高雨為論文共同第一作者，2021級(jí)碩士生李奕鑌為論文第二作者。付紅巖、韋國(guó)丹為共同通訊作者。合作者包括清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院教授康飛宇、張曉平，助理教授顏浩，清華大學(xué)材料學(xué)院教授沈洋等。該研究得到深圳市科技創(chuàng)新委員會(huì)國(guó)際合作研究項(xiàng)目、國(guó)家重大科研儀器研制項(xiàng)目等的支持。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202310911
供稿：深圳國(guó)際研究生院
編輯：李華山
審核：郭玲
