通信世界网消息（CWW）你是否想过，身边那束普通的灯光，有朝一日能成为比5G快数十倍的通信载体？ 这一愿景正随着可见光通信技术的突破而逐步照进现实。作为6G网络极具潜力的关键候选技术，可见光通信近年来发展迅猛。中国移动研究院与复旦大学深度合作，在双方联合研制的先进蓝光激光二极管基础上，成功构建了一套高速可见光通信验证系统。该系统实现了接近14 Gbit/s的系统速率，性能达到业界领先水平，为未来6G构建无处不在的“光频段”接入网络奠定了坚实的基石。
新器件：保障可见光高速通信的基石
可见光通信（Visible Light Communications, VLC）的基本原理并不复杂，即通过控制光源的明暗变化来传递信息，其过程类似于一种人眼无法察觉的“闪光摩尔斯电码”。然而，由于传统发光二极管（Light Emitting Diode, LED）光源受载流子寿命、外量子效率和电阻/电容寄生参数的限制，其调制带宽通常只有几MHz，难以支持Gbps速率级别的应用。为此，联合研发团队将目光转向激光二极管（Laser Diode, LD）。与LED不同，LD光源工作在受激辐射模式具备更高的调制带宽。但是，由于材料和器件模型的限制，LD光源无法在可见光频段发射相干光。为实现照明和高速通信的融合，中国移动研究院与复旦大学重新设计了器件架构，采用了最新的第三代半导体材料氮化铟镓/氮化镓(InGaN/GaN)，成功研制了可见光波段的蓝光LD光源[1]。该器件的频率响应超过2GHz，其中3dB带宽达到404.4MHz，在3GHz频点的频响为-60dB，在带宽内实现反射系数低于10dB，其为可见光高速通信的进一步发展奠定了重要的硬件基础。
图1 研制的450nm氮化铟镓/氮化镓InGaN/GaN蓝光LD频率响应和反射系数[1]
图2 研制的450nm氮化铟镓/氮化镓InGaN/GaN蓝光LD的光功率[1]，其线性区也远大于常用LED
系统架构：如何让激光“携带”移动通信信号？
为验证氮化铟镓/氮化镓（InGaN/GaN）蓝光LD高速率通信能力和与当前移动通信系统的兼容性，研究团队构建了一套完整的离线和实时信号处理系统，以验证研发的LD的高速传输能力[2]。
图3 氮化铟镓/氮化镓InGaN/GaN蓝光LD可见光传输系统（中国移动信息港，北京）
整个传输系统如图3所示，可以分为发射端和接收端两部分。发射端使用正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)信号，包括15KHz和30KHz两种制式。两种制式的信号带宽分别是50MHz和100MHz，可用的最大资源块(Resource Block, RB)数量分别是270和273个。
表1 实验平台参数设置
在发射端，原始比特首先经过信道编码、交织和加扰处理后，数据将具备更好的随机性和峰均比(Peak to Average Power Ratio, PAPR)性能。随后，该比特流被调制为I/Q复数信号。此外，导频信号使用信道状态信息参考信号(Channel State Information Reference Signal, CSI-RS)实现，它是一种正交相移键控(Quadrature Phase Shift Keying, QPSK)信号。考虑到LD频响效应的影响，导频被设计为块状类型。当信号和导频完成物理层资源映射后，系统会进行快速傅里叶反变换(Inverse Fast Fourier Transform, IFFT)将频域信号变换到时域，继而添加循环前缀(Cyclic Prefix, CP)并执行并串变换加载到信号源。由于LD无法发送I/Q复数信号，信号源会执行数字上变频(Digital Up Conversion, DUC)操作，将其转换为实信号后驱动LD发光。
图4 上下变频的数学原理
在接收端，光电探测器首先接收光信号，将光信号转化为电信号后发送给频谱仪。频谱仪需要对采样得到的信号进行数字下变频(Digital Down Conversion)和低通滤波以获取复数形式的基带信号。经过时间同步、串并变换和快速傅里叶变化等处理后，被转换至频域信号。最后，通过信道估计与均衡技术对信号进行补偿和校正，即可恢复出原始发送信号。
14 Gbit/s：数字背后的技术突破
（一）高带宽与高阶调制
凭借超过2GHz的大带宽和未授权频谱的优势，传输器件可以将整个带宽灵活分配给多个用户使用。具体而言，根据OFDM的 50MHz和100MHz两种配置，传输系统将3GHz的总带宽划分成若干区域，允许不同用户动态选择一个或多个子带宽进行数据传输，有助于实现可见光传输系统总和速率的最大化。
（二）动态编码调制方案选择
通过子带划分，系统能够根据各子带内器件频率响应的差异，动态选择相应的编码调制方案(Modulation and Conding Scheme, MCS)。若仅考虑调制方案选择，可在频率响应平坦、功率泄漏较小的子带中使用高阶调制，在频响系数和功率泄漏差的频段使用低阶调制。具体的调制阶数受误比特率(Bit Error Rate, BER)严格约束，在使用前向纠错编码的情况下，系统要求各子带的BER低于0.38%。
图5 蓝光LD不同子带的调制选择（子载波间隔为15KHz）
图6 蓝光LD不同子带的调制选择（子载波间隔为30KHz）
通过遍历滑动的方式，研究团队对3GHz带宽内所有的频段进行了测试。测试结果表明，在1GHz带宽内，系统可以实现最高调制阶数——256阶数的正交幅度调制(Quadrature Amplitude Modulation, QAM)。当频率大于2.7GHz时，系统性能急剧下降，该现象与器件的频响曲线变化趋势一致。在1G~2.7GHz的频段内，根据频响的不同，系统可以依次实现64QAM，16QAM，QPSK和BPSK调制。需要指出的是，部分频点存在严重的频域泄漏，这些子带内的传输性能会受到一定影响。在上述两种制式下，传输系统可以分别实现14.319Gbit/s和17.906Gbit/s的超高速率。这一性能表现已能够满足6G对10+ Gbps速率需求。
总结与展望
本研究成功展示了基于氮化铟镓/氮化镓InGaN/GaN蓝光激光二极管的高速可见光通信系统的巨大潜力。通过突破传统LED的带宽瓶颈，研制的新型LD器件为Gbps级传输奠定了硬件基础。
展望未来，可见光通信走向规模化商用仍面临多重挑战。在器件层面，需要进一步降低激光器件的成本、提升可靠性与散热性能。在系统层面，需解决用户移动性带来的链路对准问题。在网络架构层面，如何将VLC无缝融入现有移动通信体系，实现与射频通信的智能协同与切换，是标准化进程中的关键课题。随着第三代半导体材料、光电集成技术和智能信号处理算法的持续突破，可见光通信将不再仅仅是“灯光上网”的概念展示，而有望成为6G网络中一张覆盖广泛、性能卓越的“光频段”接入网，真正实现“无处不在的光连接”这一愿景。
参考文献：
[1] D. Li, C. Ma, J. Wang and F. Hu, “High-Speed GaN-Based Superlu minescent Diode for 4.57 Gbps Visible Light Communication,”MDPI Crystals, vol. 12, no. 2, Jan. 2022, pp. 1-8.
[2] Wang, X., Yang, C., Chen, M., et al., “14 Gbit/s Visible Light Communications Transmission System based on InGaN/GaN Blue Light Laser Diodes,” in Proc. 2023 IEEE 98th Vehicular Technology Conference (VTC2023-Fall), Hong Kong, Hong Kong, 2023, pp. 1-5.
