micro LED与LD等新型微纳器件在光
通信系统中的应用，能够大幅提升光通信系统的性能，为可见光通信系统在复杂电磁环境下的进一步应用提供更好的硬件基础。
在无线网络日益普及的当下，面对迅猛增长的数据洪流，无线射频频谱作为一种有限而宝贵的资源越来越受到重视。如果不设法寻找额外的频谱资源或开拓新型的无线通信方式，未来人们很有可能要面对频谱资源短缺而引发的数据流拥塞。因此，现有的频谱资源无法支持未来飞速增长的无线数据流量需求，将成为无线通信技术下一个10年面临的最主要的挑战之一。
另一方面，
半导体材料发展迅速，几十年时间内已经从以硅材料为代表的第一代半导体材料飞速发展至以氮化镓、碳化硅为代表的第三代半导体材料——宽禁带半导体材料，其中以氮化镓技术的应用最为广泛，尤其是在光电器件应用方面，为半导体照明产业的发展注入了强劲动力。
得益于半导体照明产业的迅速增长，针对急需开拓新的无线通信方式这一问题，可见光通信技术应运而生。可见光通信是指采用可见光波段半导体光源作为通信信号发送端，利用灯光承载信号，通过调制光源的发光强度来传递信息，无需光纤与同轴线等有线信道作为传输介质，在自由空间传输的无线通信方式。在可见光通信技术的发展历程中，国内外学者尝试过从各个方面提高可见光通信系统的通信性能，其中就包括了各种调制方法、编码方法与均衡方法。但从根本上来说，前端发光器件的调制带宽决定了通信系统的信道容量和传输速率，研究器件的调制特性是提升可见光通信系统性能的关键问题之一。在解决这个问题方面，micro LED与半导体激光二极管（LD）这两种高调制带宽器件在可见光通信中的应用值得关注。
作为一种高调制带宽器件，micro LED是一种将像素与光源相结合的技术，通常情况下，micro LED以阵列的模式出现，其阵列间距比普通的大面积LED小很多，使其体积约为目前主流LED大小的1%，一般来说，直径在100微米以下的LED可以称为micro LED。micro LED阵列中的每一个像素都能寻址、单独驱动发光，具备亮度高、反应速度快、超省电、寿命较长、效率较高等优点。图1展示了斯特拉斯克莱德大学所研制的micro LED器件阵列及其发光情况。在过去很长一段时间里，micro LED的主要应用集中在消费
电子上，基于该技术的micro LED显示屏具有超高分辨率与色彩饱和度、低功耗与高亮度的优点，被视为新一代显示技术。
LED的频响特性以及发光特性是其在可见光通信中应用的关键性能指标，因此，具备优良频响特征的micro LED得到了许多业内人士的关注。其中，J. W. Shi等人利用发射光波长在520纳米的micro LED上展示了一个频率可达到330兆赫的通信系统。复旦大学的田朋飞等人利用80微米的micro LED制成了一个中远距离的高速率水下通信系统，其传输速率超过800兆比特/秒。在之前的实验中，研究人员利用一个封装好的40微米micro LED搭建了一套通信距离为10米的可见光通信系统，并实现了超过1千兆比特/秒的传输速率。由于实验空间的限制，在该实验中研究人员利用一个高蓝光反射率的镜子延长信号光传输距离，并利用两个直径为60厘米的菲涅尔透镜来改善光斑质量，尽可能在反射时减少光功率的损失，见图2。
清华伯克利深圳学院纳米器件实验室也在此方面进行了研究，图3是实验室已经搭建好的光通信实验平台，并将尝试将新型的微纳器件应用到无线光通信上来。该实验室是清华大学与加州大学伯克利分校合作共建的实验室，主要进行新型光子集成芯片、可穿戴高性能光电技术、新型3D感测系统（如激光雷达等应用）以及基于微纳器件的可见光通信及短距高速光互连等方面的研究。
激光器被认为是20世纪与原子能、计算机、半导体齐名的4项重大发明之一，推动了许多新兴产业的产生。尤其是LD的发明，直接推动了此后光网络与光纤通信的迅速发展。LD是使用受激发射的电磁辐射和光放大来发射光的半导体器件，在本质上也等同于一个PIN二极管，同激光器相比，LD具有效率高、体积小、寿命长的优点。输出光功率与输入电流之间多为线性关系是LD的一个明显的特点，因此，LD能直接从电流调制其输出光的强弱。
在可见光通信中，LED通常用于室内照明与通信，而LD则更多地应用在室外长距离的信号传输中。台湾大学林恭如等人利用蓝光LD搭建了一个远距离高速率的水下通信系统，并在6.8米的距离上实现了7.2千兆比特/秒的通信速率（该结果发表在2017年1月份的《科学报告》上）。蓝光LD在水下通信上的应用，直接地为现阶段的水下通信提供了一个新的选择。除此之外，林恭如课题组还提出了一种可应用于室内环境的激光照明与通信系统，该系统采用红绿蓝3个激光二极管（RGB LD）作为系统的发射端，通过不同光色混合产生白光用于照明，并在自由空间中在0.5米的距离上实现了超过8千兆比特/秒的通信速率。
高调制带宽的无线光通信系统一直是无线光通信的一个研究重点，而用于通信的发光器件（如LED）在很大的程度上决定了系统性能。在过去的研究中我们可以知道，发光器件可达到的最大调制速度取决于量子阱中的载流子寿命，快速的调制速度表明器件有着较高的时间分辨率，有利于可见光通信中的荧光测量。展望未来，无论是在基础科学还是工程技术上的应用，高调制带宽的微纳米器件都依然面临着极大的机遇与挑战。随着电子器件制备工艺的提高，高带宽micro LED与LD的性能与可靠性也会越来越好，有望在可见光通信、光纤通信与水下通信等领域获得越来越广泛的应用。比如，以半导体量子阱激光器与光纤为基础的物理设备构成的光通信技术将继续成为未来信息技术的基础，宽带光纤传输将组成全球信息共享的骨干网，光纤接入网也将继续作为信息高速公路的神经末梢进入每家每户，为人们提供高清电视远程访问等网络服务。而以激光器为硬件基础的激光雷达则有望作为一个光学测距与三维重建传感器，是未来实现无人驾驶的核心传感器硬件；另外，高调制带宽的微纳米器件能够提高激光雷达的性能以及降低其价格。仅从上述几个潜在性应用就可以看出，高调制带宽的微纳米器件在未来蕴藏着巨大的机遇与创新空间。
放眼未来，可见光通信有望给无线通信带来变革，而新型微纳器件在光通信系统中的应用，能够为可见光通信系统在复杂电磁环境下的进一步应用提供更好的硬件基础。期待在不远的将来，micro LED与LD能够点亮可见光通信，大幅提升光通信系统的性能。
原作者：付红岩、魏子贤 悦智网
