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第87集 “光”景无限好的LED通信

第87集 “光”景无限好的LED通信 0:00/0:00
最新发布时间: 2020-02-25   浏览数:
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  通信对于人类生活来说,已经变得越来越普遍和重要,通信技术的发展和进步更是会引起我们的格外关注。光纤通信、无线通信、宽带、Wi-Fi等通信方式是我们所熟悉的,但你听过LED灯也能用来通信吗?相信大家第一次听说LED光通信时,应该和我一样,除了感觉新鲜,更多的还是惊讶和好奇。今天,咱们就去一探究竟,聆听其中的科学故事。

  爱迪生发明白炽灯的故事几乎所有人都听说过,甚至熟悉到已经缺乏了新鲜感。不过,在白炽灯诞生的一百多年后,现在的人们则更喜欢电光源的新秀,那就是LED灯,这是我们经常听到的一个词,意思是“发光二极管灯”,它的诞生,还有一段波折的传奇故事呢。谁能想到,如今万众瞩目的新光源曾经被人们抛弃过好几次呢?

  1907年,英国物理学家朗德在研究碳化硅晶体时,意外地发现,当电流通过碳化硅的时候,碳化硅就会发出暗淡的黄色光。

  我们知道,爱迪生发明的钨丝灯之所以能发光,是因为电流在通过钨丝时会产生非常高的热量,温度可以达到2000摄氏度以上;钨丝处于高温的白炽状态时,就会像烧红的铁块一样发出光亮。从这里我们可以了解到,钨丝灯有两个非常严重的缺点:首先,它的能量利用率不高。发出的光只是钨丝发热时的“副产品”,大部分的电能都被热量消耗掉了;其次,高温会不断蒸发钨丝,进而导致白炽灯的寿命会很短。

  而碳化硅发光的原理则和白炽灯完全不同:碳化硅出于某种特殊的物理结构,电子可以直接激发光线,直接跳过了“高温”这一步。敏锐的朗德立即想到了利用碳化硅作为新光源的意义,但它的光实在是太弱了,还需要进行研究。几年后,没有丝毫进展的朗德最终放弃了这项研究。

  一晃十年过去了,20世纪20年代后期,两位德国科学家重新把这项研究翻了出来,这次他们使用的不再是碳化硅,而是锌硫化物和铜中提炼出的黄磷。和碳化硅一样,黄磷也可以在电子的激发下发出可见光,这些物质统称为“发光二极管”,也就是LED。不幸的是,两位科学家把情况想得太过乐观了,在花费了大量时间精力之后,最终他们也没有战胜这暗淡的光线。于是,LED的美丽光芒,就这样又被埋没了起来。

  弹指一挥间,到了20世纪50年代,随着时代的发展和科技的进步,各大科技公司纷纷投身到了LED灯的研究中。经过许多人的不懈努力,终于在1962年8月8日,人类开发出了世界上第一种可实用的红光LED;又过了10年,人类又制造出了第一个黄光LED,而且这个时候的LED灯的亮度被提高了10倍左右。

  大家或许已经注意到了,LED灯,根据材质的不同,只能发出单色的光。砷化镓二极管能发出红光,碳化硅二极管能发出黄光,后来人们又发现磷化镓二极管能够发出绿光,但人类最需要的,是白光。想要合成白光,仅靠红光、黄光、绿光是不够的,人们还需要蓝光。

  寻找蓝光LED的道路是崎岖的,也是漫长的。历经30多年的研究,科学家终于在1994年,制造出了亮度很高的蓝光LED灯。由此,给人类带来了白光LED灯,它最大的优点是发光效率高,一个白炽灯电能转化为光能的转化率只有10%左右,而LED灯可以达到60%,利用率比节能灯还高;另外,它寿命长达10万个小时,可以使用10年以上,而白炽灯的寿命只有1000小时左右。

  目前,LED灯早就已经广泛渗入到我们的生活中。从手电筒上小巧明亮的LED灯,到街头的红绿灯,再到液晶电视机采用的、更加明亮鲜艳的背光LED灯,我们无时不刻在享受着前人智慧的成果。

  听过LED灯的发展故事之后,很多人应该都没想过LED灯的研制竟然会如此曲折,接下来,咱们就再回到节目开始时提到的LED灯通信技术,听听LED灯为什么可以具有通信功能?

  首先,我们要知道,LED灯和白炽灯、节能灯不一样,LED属于半导体照明器件,它的内部结构、材料和制作机理等等都和传统灯具不同,具有比较快的响应速度。如果把LED的响应速度换算成带宽的话,大概能够达到10兆赫兹。也就是说,在这种高响应速度和高带宽的条件下,只要将LED灯与信息源相连,就能使LED灯在发光的同时,将信息传输到相应空间。

  另外,据科学家介绍,在光纤通信中,光纤就像一根管道,信息就在这个管道里进行传输;而室内的LED照明,信息则可以来源于光纤、某个无线基站、电话线或者电力线通信等方面,这些信息进入房间里的LED灯上后,LED灯就会把信息实时加载到照明光上进行信息传输。

  灯光在空气中传输类似于光纤通信中信息在光纤中传输,而要想知道光是否载有信息,只需要观察光的明暗变化就可以了,但前提要保证这种变化不会影响正常的照明。当传输的信息量比较大、速度非常快的时候,人眼不会感觉到明暗变化,但探测器能够分辨出来。

  但是,光线是散乱、多方向的,在光源和探测器之间可能存在许多条不同的光路,探测器是否都能探测到呢?

  对于这个问题,我国无线光电通信专家徐正元教授解释说,根据照明的需求,LED光的发散角度可以达到60°到120°不等。对于照明来说,不同地点、不同角落对灯的照度要求也不一样,但探测器的大小却是有限的,所以需要一个透镜系统,将光线聚集到探测器上。这和利用放大镜将太阳光聚集到一个点上,就能点燃树叶,是类似的道理。光学透镜系统就好像是放大镜,它能把LED发散的光汇集到探测器上,探测器再将光信号转换成电信号,进行后续的信号处理或信息提取。

  此外,徐正元还表示,LED通信不需要光纤传输的拉线、布网等繁琐环节,只要在LED照明范围内的自由空间都可以实现无线数据通信。不仅方便快捷,而且应用前景也非常广泛。

  在他看来,LED可见光通信能很好地解决全球无线频谱资源严重短缺的状况,而且它的覆盖范围相当广泛,如果研发顺利,或许以后有LED的地方就会有通信,全面实现LED的信息化。

  在应用方面,LED通信能够对填补无线通信的覆盖盲区,在医院、机舱、矿井等无线受限场合,或者是在地铁、隧道、水下等无线信号衰减很大的环境下所使用LED光源进行通信,将会是很好的选择,而在室内照明环境下通过LED灯进行高速网络接入的应用前景也很乐观。

  众所周知,为防止引起瓦斯爆炸,在矿井下工作的人员是不允许通电话的,要想传递信息只能跑到特定的区域,用专门的电话通信,而如果一旦发生矿难,矿道封闭,井下与井外的通信必定会中断。徐正元表示,如果矿工头盔上装配的是LED灯,就能实现彼此间的通讯,或者通过隧道两侧照明灯内特定发射和探测装置,也能实现与井外的通信。

  在这一应用领域,徐正元表示说:“LED通信技术除了简单的通信联络功能之外,还能对矿工所处的位置进行定位和反馈,遇到矿难等突发状况,外界还能第一时间获知矿工在井下的具体位置,对加快救援速度起到重要的作用,能有效保证矿工的生命安全。”

  由此可知,除了在家庭、特殊环境下运用外,LED通信还可以在大型复杂场所、建筑物内等环境,实现掌上移动终端的定位和导航。在这些环境内,每一盏小小的LED灯就如同一个个小卫星,可以作为提供定位信息的位置传感器。比如消费者如果在商场内找不到需要的货物,可以通过手上的终端接收“小卫星”发布的信息,锁定商品位置,同时还能将最新商品和折扣信息传给消费者,极大地方便了顾客购物。

  其实,早在上个世纪70年代,科学界就开始对可见光通信进行相关的研究,而且,随着半导体照明技术的快速发展,可见光通信技术的研究也会越来越深入。在徐正元看来,LED通信绿色节能,安全环保,抗电磁干扰的能力有很强,同时可以利用已有照明基础设施,减少了专门铺设的成本,所以,作为一种新型无线通信手段,泛在性、广覆盖性等优势为LED通信的发展提供了无限可能的空间。


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