「光电科普知识」海底“漫游”：光学Wi-Fi实现超快水下通信

内容来自《Light: Advanced Manufacturing》新媒体团队

撰稿 | 王玉（哈工大 博士生）

近年来，人们对海洋资源的探测、开发和利用投入了前所未有的热情与关注。随着人类活动向海洋领域的逐渐深入，各种水下探测及开采设备、潜艇以及无人航行器等被大量部署。

而水下通信便是这些项目中极为重要的一环，水下通信是指水下双方的通信或者水下与水上的通信，目前水下通信技术主要包括两大类：水下有线通信技术和水下无线通信技术。

图源：Veer

水下有线通信技术通过铺设海底光缆，利用光纤进行传输，具有传输速率高、容量大、抗干扰性好等优点，但成本较高且易遭受海水及海底生物的破坏，不适合水下通信的广泛应用。

水下无线通信技术主要包括：水下无线电磁波通信、水下声通信和水下光通信。

其中在水下无线电磁波通信中，电磁波在水中衰减严重，仅可用于近距离的通信传输；

在水下声通信中，声波衰减较小，可以实现数千米的通信传输，但传播延迟长、信号衰减大、多径效应严重、通信带宽有限等特性也导致水声通信技术面临着巨大挑战；

水下光通信是一项将激光作为载波传递信息的技术，与传统的水下电磁波通信与水声通信相比，其主要优势在于：具有超高的带宽，并随着水下探测技术与水下感知组网技术的发展，这一优势也就使其成一种业界极具吸引力的替代方案。

为水下无线光通信系统主要由：发送端、接收端以及水下信道三部分构成（如图1）。

其中发送端主要由信号处理电路、驱动电路和激光器等组成，主要功能是对发送数据进行数字信号处理，如调制、信道编码等，再由驱动电路驱动激光器进行电光转换，使信号以光波的形式在信道中传输；

接收端包括光电探测器（APD）和信号处理电路等部分，主要功能是由光探测器进行光电转换，再传递给信号处理电路进行同步、解调以及译码等信号处理，最后得到接收数据。

图1水下无线光通信系统示意图

图源：撰稿人自制

且水下光通信除了具有超高带宽的优势外，还具有其他的优势，比如：

（1）传输速率高，相比前两种通信方式，水下光通信的器件与信道能达到上百MHz甚至1GHz的带宽，再辅以调制技术，能大大提高水下无线通信的传输速率；

（2）衰减相对电磁波小，相比高频部分无法在水下通信的电磁波，水下光通信能够在450~550nm的低损耗窗进行传输；

（3）时延短，与水声通信1500m/s的传播速度相比，光的传播速度快，因而在实际通信时，水下光通信几乎能够达到低时延甚至无时延传输；

（4）收发设备体积小，携带该设备的潜水装置更加灵活；

（5）相干性、方向性好，发射端与接收端之间只存在一条通路，这就使得信号的实际窃取十分困难，虽然目前已经有相应的信号窃取理论研究，但是与另外两种相比，要安全的多。

但是，水下光通信也存在一定的缺点和难题：

（1）传输距离有限，理论是百米级别；

（2）由于水下溶解物、浮游生物和悬浮颗粒物的存在，光受水的散射和吸收影响严重；

（3）技术尚未成熟，相关的理论与器件还不够完善，目前真正投入使用的样机也很少。

针对以上缺点及难题，各个国家的研究人员都对其进行了一系列的研究工作，Hydromea公司便是在该领域的翘楚之一，其相关研究人员通过一系列的解决方案不仅对水下光通信技术进行了实时的测试研究，而且已经将水下无线光通信技术推向了商业化。

如图2所示，为Hydromea公司设计研发了称为LUMA的微型光学WI-Fi（调制解调器）系统，可实现50m~100m距离的快速水下无线通信，该系统通过调制器将信号转换为蓝光脉冲，并通过探测器、解调器将接收到的光脉冲转换成目标信号，从而完成一个通信循环。

图2光学WIFI（LUMA）在水下工作

图源：EPFL

针对水下无线光通信的几个难点及问题，Hydromea也为此提出了一系列的解决方案：

（1）发射端光源

大多数的光波都会被水吸收，其中红色波段和黄色波段的光波仅在几米的范围内就会被完全吸收，且对红外波段的吸收更为敏感，但对于蓝光和绿光来说，其吸收率则大幅度降低，因此为了实现水下长距离的发送和接收数据，Hydromea选择了蓝光作为发射端的光源。

（2）光电探测器

虽然蓝绿光在水中的吸收率较低，但仍会在水中迅速扩散，因此水下无线光通信的另一个难点就是如何确保系统可以在足够长距离内传输数据，为了解决这一问题，Hydromea通过长年的研究开发出一种超灵敏的光电探测器，可以在50~100m的距离内捕获极其微小的光脉冲。

（3）系统可靠性

由于水下条件较为恶劣，因此需要水下无线光通信系统在正常通信的同时还要适应各种恶劣环境，即需要超高的系统可靠性，Hydromea采用双层保护的机制以使LUMA达到所需可靠性，其具体措施为：首先利用特殊的塑料外壳或钛合金对LUMA器件进行封装，然后利用将器件放到一个完全透明的塑料保护罩中，使其免受水压的影响。并且通过实验证明该器件可以在4280米深的水域中正常工作（设计可承受深度值：6000米）。

图3水下无线通信LUMA系统实物图

图源：EPFL

除此之外，为了将LUMA更好的推向市场和商业应用，Hydromea与众多部门合作对其系统进行实地的测试与考察，例如与LéXPLORE共同开发机器人-通信系统，并通过LéXPLORE提供的数据来进一步提高LUMA的性能；与APHYS合作，展示了LUMA从水下数据记录器下载数据的功能。

视频1LUMA水下工作测试视频

视频源：Hydromea

截止目前来看，随着探索海洋、开发利用海洋的脚步不断加快，各国对水下高速数据传输的需求愈发紧迫，而作为水下通信网络宽带提升及近距离通信的有效手段，基于蓝绿激光的高速水下无线通信将继续成为现在及未来的研究热点。