我系田朋飞课题组基于micro-LED芯片一体化集成水下无线光通信和水下无线充电系统成果发表

我系田朋飞课题组基于第三代半导体氮化镓micro-LED阵列，一体化集成多功能水下无线光通信和水下无线充电系统，研究成果于2021年4月发表于知名期刊《Advanced Optical Materials》上（https://doi.org/10.1002/adom.202002211）。
       水下无线通信一直是需要突破的关键核心技术。相比于水下无线声纳通信和无线射频通信，水下无线光通信技术拥有更高的数据传输速率、更低的传输延迟和更低的实现成本。由于水下通信环境的复杂性，光信号会受到衰减和干扰，通信距离和通信速率也会受到限制。通过研制新型的发光和探测芯片、通信算法等来解决这个问题成为研究人员关注的重点。另外，为确保设备的续航能力，水下通信等设备的自主充电功能一直是要突破的技术瓶颈。
       为突破上述技术瓶颈，复旦大学田朋飞课题组发展了micro-LED阵列的光发射、光电探测以及光伏发电功能，实现了多功能高性能水下无线光通信以及水下充电综合应用系统的构建。系统通过micro-LED发射器和光电探测器可以实现高速双工高性能水下无线光通信，并用micro-LED的太阳能电池功能提供能量供给。无线通信和充电功能的结合减少了自供电的水下无线光通信系统对外部电源的依赖。该研究有以下特点：1.micro-LED小尺寸光发射器具备高光效、高调制带宽、低功耗等独特优势，非常适用于水下光通信应用，研究人员在水下信道实现了660 Mbps的实时通信速率。2.同一micro-LED器件还具备水下光电探测潜力，micro-LED基光电探测器具备高响应度、高比探测率、优秀的线性度、波长选择性等优点，可实现60 Mbps的实时通信速率。3. 研究人员还验证了micro-LED用于光伏发电的可行性。在深海环境的水下无线光通信应用中，太阳光难以抵达，其将主要收集来自发射端的光能以实现水下充电。对于典型的水下无线光通信系统，光发射器通常采用直流和交流结合驱动的方式，发射光的大部分能量是直流分量，不包含数据信息，在检测交流信号的同时，可分离出直流分量转换为电能进行存储，大大提高整个水下无线光通信系统的能源利用效率。
       基于micro-LED阵列的系统集成了光发射、光电探测和光伏发电功能，在保证高速水下无线光通信的同时，延长了系统使用寿命，相关研究在海底勘探、洋流监测和其他复杂多变的水下环境应用领域具备广阔的发展前景。