2023年6月1日
国立研究開発法人情報通信研究機構
在有太阳光引起背景噪声的白天室外且有大楼等障碍物的严酷环境下，证实了基于深紫外LED的光无线通信传输
开发搭载高强度深紫外led (超过500 MW )的发送机和能够高效去除太阳光背景干扰的接收机
有助于不受太阳光背景噪声和大楼等障碍物干扰的创新性“高瞻远瞩”光无线通信技术的发展
国立研究开发法人信息通信研究机构( nict nai city，理事长:德田英幸)未来ICT研究所的井上振一郎室长等人的研究小组利用深紫外LED (发光二极管)，在阳光造成背景噪声较多的白天室外，且发送机和接收机之间有大楼等障碍物的“视距( NLOS: Non-Line-Of-Sight )”环境下，对光无线通信传输进行了实验。通过开发搭载了发光波长265 nm波段、光输出超过500 mW的高强度单芯片深紫外LED的发送机和能够高效去除太阳光背景噪声的深紫外光接收机，在白天室外且“视距”环境下，在最大80 m的距离内，世界上首次成功实现了1 Mbps以上的光无线通信传输。
本成果表明，即使在高楼密集林立的城市和树木茂盛的森林地带等存在很多遮挡光的障碍物的严酷的“前景外”环境下，使用高强度深紫外LED也可以实现高速光无线通信。 将来，在与大厦或树木等看不见状态的无人机或无人机器人的通信、在视野差的交叉路口等的车车间通信( V2V )或路车间通信( V2I )、电波难以到达的山岳地区的无线通信等广泛领域的产业、生活社会基础设施中，作为飞跃性地扩大光无线通信使用场景的新技术备受期待。此外，本成果刊登在IEEE (美国电气电子工程师学会)发行的学术论文杂志IEEE Photonics Journal (电子版:美国东部时间2023年5月31日(星期三)最终版)上。
图1此次开发的深紫外光收发系统和实验配置 [打开链接放大显示]
利用光作为传输介质的光无线通信，抗电磁波干扰，可以进行高速、宽带的数据通信，因此被期待为新一代超高速无线通信系统的候选。 另一方面，将光作为自由空间中的传输介质使用时的困难在于，波长比电波短的光具有比电波直线前进性更高、不透过建筑物等物体的性质。 因此，在光无线通信中，其使用范围被限定在中途没有遮挡光的障碍物，发送机和接收机面向视野良好的“视野内( LOS: Line-Of-Sight )”环境下的通信。 另外，在以往的使用可见光和红外光的光无线通信中，还存在受到太阳光引起的背景噪声的影响极强的问题。 因此，到目前为止，白天在室外且“视野外”环境下的光无线通信一般都很困难。 NICT的本研究小组为了解决这样的课题，开发了在深紫外波段( 200〜300 nm )发光的氮化铝镓( AlGaN )系发光二极管( LED )， 为了将该深紫外LED应用于“视线外”环境下的光无线通信，我们进行了研究。特别是波长280 nm以下的深紫外光具有被臭氧层强烈吸收的性质。 因此，太阳光中包含的波长280 nm以下的光不会落到地表，是自然界中不存在的光，深紫外光区域别名为太阳能百叶窗区域。 根据这个性质，在利用280 nm以下的深紫外光的光无线通信中，可以避免太阳光背景噪声的影响。 另外，与以往的可见光和红外光相比，波长极短的深紫外光具有与大气中的气溶胶传播和分子强烈相互作用，高概率散射的性质。 因此，即使在发射器和接收器之间存在建筑物等障碍物的“视距”环境下，通过散射过程绕过障碍物，也有可能实现使用光的传输介质的无线通信。 但是，经过“视距”环境下散射过程的深紫外光对传输距离的衰减率非常大，在到达接收侧之前，信号光的强度非常微弱。 因此，为了使用深紫外LED实现白天室外的“视距”光无线通信，提高其通信速度，延长传输距离，开发高功率的深紫外LED和高精度去除太阳光背景噪声的受光系统是必须的。
此次，为了在白天室外太阳光下且发送机和接收机之间有大楼等障碍物的“视野外”环境下实现光无线通信，开发了搭载了发光波长265 nm波段、光输出超过500 mW的独自开发的高强度单芯片深紫外LED的发送机(参考补充资料图3 ) 此外，还开发了具有双重冷镜的接收机，可以高效消除太阳光背景噪声，只选择性地获取深紫外波长区域的信号光(参考补充资料图4 )。 接着，使用开发的收发系统，在白天室外且发送机和接收机之间有遮挡光的大楼等的“视距”实验配置(参照补充资料图5 )中，进行了眼图的直接测量。 结果，在最大80 m的长距离传输、1 Mbps的通信速度下确认了清晰的眼图(参考补充资料图6 )。 此次成果将成为世界上首次在白天室外、发射机和接收机之间存在建筑物等障碍物的“视距”环境下，实现长距离高速( Mbps以上)深紫外LED光无线通信传输的实证。 即使在光线被建筑物、树木等遮挡的条件下，使用高强度深紫外LED也有可能实现高速光无线通信。 作为飞跃性地扩大迄今为止仅限于在前景良好的条件下使用的光无线通信的应用可能性的技术备受期待(参照补充资料图7 )。
今后，我们将推进深紫外LED及深紫外受光系统的更高性能化、高性能化，以实证“高瞻远瞩”的光无线传输的长距离化和大容量化。 将来，通过创造光无线通信的新利用场景，例如与因大楼等障碍物而看不见的状态的无人机和无人机器人的通信、在视野不好的十字路口等的车车间通信( V2V )和路车间通信( V2I )、电波难以到达的森林·山岳地区的无线通信等，期待通过创造光无线通信的新利用场景，成为有助于提高社会安全和便利性的创新技术。
刊登杂志: IEEE Photonics Journal DOI: 10.1109/JPHOT.2023.3276176 URL:https://doi.org/10.1109/jp hot.2023.3276176 论文名称: solar-blind optical wireless communication s over 80 meters using a 265-nm high-power single-chip duv-led over 500 MW in sunlight 作者: Hiroyuki Kurosawa，Sachiko Tsuzuki，Manabu Taniguchi，and Shin-ichiro Inoue
2022年10月27日“世界首次成功开发出瓦特级高输出动作的深紫外LED小型手持照射机”
022年3月18日“通过高功率深紫外LED(265nm波段)成功实现了气溶胶传播中新型冠状病毒的高速失活”
2017年4月4日“成功开发出超过150mW (发光波长265nm )世界最高输出的深紫外LED”
图3 (a )此次开发的265 nm波段深紫外LED发射机的外观 ( b )此次开发的深紫外LED对注入电流的光输出特性及( c )三维毛皮场模式
以往，深紫外LED的高输出化在技术上很难实现，其光输出微弱，作为高输出用途的深紫外光源，主要使用水银灯。 但是，水银灯中含有对人的健康和环境有害的水银，根据2017年生效的《关于水银的水俣条约》，国际上正在加速其废除的措施。 另外，水银灯等气体放电式灯不适合高速调制和携带，不适合光无线通信应用。 在这样的背景下，小型低环境负荷、可超高速调制的深紫外LED的高输出化备受期待。
到目前为止，为了解决这些课题，NICT的本研究小组积极推进了高功率深紫外LED的研究开发及其实用化的努力。 以可提高光取出效率和抑制光输出饱和现象(效率下降)的纳米光结构技术为基础的深紫外LED的研究，多次大幅更新深紫外LED的每单芯片的世界最高输出记录等，我们已经发布了领先于本领域的成果(请参阅2022年10月27日、同年3月18日、2017年4月4日和2015年4月1日的报道发布)。
此次，利用迄今为止积累的深紫外LED器件技术，开发了搭载了发光波长265 nm波段、光输出超过500 mW的高强度单芯片深紫外LED的发射器。 在室温工作、注入电流2A下，记录了约550 mW的光输出，作为单芯片的深紫外LED相当于世界最高输出。 光输出相对于电流线性增加，环路得到充分抑制，毛发场图案也表现出极其均匀的特性。
图4 (a )此次开发的265 nm波段深紫外光接收系统的外观 ( b )受光部结构和光路及( c )深紫外冷镜的角度分解反射光谱
为了高效消除白天室外的太阳光背景噪声，大幅改善SN比，开发了具有可选择性获取深紫外波长区域信号光的双重冷镜的接收系统。
图5此次进行的室外“视距”( NLOS )环境下深紫外LED光无线通信的实验配置图
图6室外“视距”( NLOS )环境下，在通信距离( a ) 55 m (d2 = 30 m )、( b ) 80 m (d2 = 55 m )处测量到的眼图及( c )抖动( Jitter )分析结果
使用开发的深紫外收发系统，白天在室外，在发送机和接收机之间有遮挡光的建筑物(大楼)的“视距”( NLOS )环境下，进行了眼图的直接测量。 本实验中的“视距”配置在路径上放置散射板，实现了通过无指向性(全向性)深紫外散射光的光无线通信。 实验结果，在传输距离80 m、通信速度1 Mbps下观测到了清晰的眼图。 另外，抖动分析结果显示，BER(Bit Error Rate )为10-12时的眼开口宽度的最大值和最小值分别为624 ns和375 ns。 使用深紫外LED，在世界上首次成功实现了白天室外的长距离高速( Mbps以上)“视距”光无线通信传输。
图7未来深紫外LED“远”( NLOS )光无线通信系统的示意图
此次开发的深紫外LED“前景外”光无线系统，作为一项新技术，将有望飞跃性地扩展迄今为止仅限于在前景良好的条件下使用的光无线通信的应用可能性。在未来的“视距”( NLOS )深紫外LED光无线通信的实际应用场景中，设想在发送侧配置为从建筑物的屋顶等考虑到周围的安全，向上空射出深紫外光(参照图7 )。 另外，返回接收侧的光经由来自大气中的气溶胶传播、分子的瑞利( Rayleigh )和米氏( mie )散射而成为极其微弱的散射光，因此成为对人体没有影响的程度的光强度，可以设想运用中会充分考虑到安全方面。今后，光无线通信的新利用场景的创造、广泛的用途中的活用、光无线通信的应用，例如与因大楼等障碍物而看不见的状态的无人机和无人机器人的通信、在视野不好的交叉路口等的车车间通信( V2V )和路车间通信( V2I )、电波难以到达的森林·山岳地区的无线通信等，期待着光无线通信新的利用场景的创造、广泛用途的活用、应用展开。
深紫外LED (发光二极管) 深紫外( Deep Ultraviolet: DUV )波长表示比紫外线更短的波长区域，在此定义为200~300 nm的波长区域(有时也包含更宽的200~350 nm附近的波段)。 目前，使用半导体发光二极管( led )可实现的最短发光波长对应于该深紫外波长区域。 在深紫外光中，特别是分类为UV-C区域的波长小于280 nm的光被臭氧层全部吸收，因此小于280 nm的太阳光不会落到地球上，也称为太阳能百叶窗区域。 因此，能够进行不受太阳光背景噪声影响的光信号的收发。 另外，例如，生物的DNA和RNA对自然界中不存在的小于280 nm的光具有较强的吸收结构。 根据该特性，例如，使用深紫外光的话，可以在不使用氯等有害药剂的情况下，有效地使细菌和病毒等杀菌灭活。 因此，深紫外LED有望在从通信到杀菌、医疗、环境等各种领域创造新的市场。 另外，在高强度深紫外LED的实用化时，为了确保对人体的安全性，需要避免对皮肤和眼睛的直接照射的运用。
图2各波长电磁波(光)的名称
太阳光引起的背景噪声 在白天室外进行向空间发射光来交换信号的光无线通信的情况下，强强度的太阳光会与信号光一起直接进入到受光部。 因此，在以往使用可见光和红外光的光无线通信中，太阳光作为对信号光的背景噪声发挥作用。 另一方面，通过使用不包含在太阳光(地表水平)中的深紫外波长区域(太阳能百叶窗区域)的信号光进行光无线通信，即使在白天室外也能进行不受太阳光的背景噪声影响的低噪声通信。
视距( NLOS: Non-Line-Of-Sight )通信 指在发送方和接收方之间存在障碍物，彼此看不到(“看不到”)的环境下的通信。
氮化铝镓( AlGaN ) 氮化铝( AlN )和氮化镓( GaN )混晶材料。 是直接迁移型氮化物半导体，通过改变AlN和GaN的混晶组成比，可以在深紫外区域的几乎整个区域( 210〜365 nm )任意控制其发光波长。 目前认为是最适合实现深紫外LED的材料，主要采用称为MOCVD法(金属有机气相沉积)的晶体生长方法进行成膜。
眼图案( Eye Pattern ) 被用作评价高速数字信号质量的方法，是将采样的多个信号波形重叠表示的方法。 也称为眼图。 如果信号波形在相同位置无紊乱地重叠，则被称为眼睛( Eye )打开的状态，表示是质量良好的波形。
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