通信對于人類生活來說，已經(jīng)變得越來越普遍和重要，通信技術(shù)的發(fā)展和進步更是會引起我們的格外關(guān)注。光纖通信、無線通信、寬帶、Wi-Fi等通信方式是我們所熟悉的，但你聽過LED燈也能用來通信嗎？相信大家第一次聽說LED光通信時，應(yīng)該和我一樣，除了感覺新鮮，更多的還是驚訝和好奇。今天，咱們就去一探究竟，聆聽其中的科學(xué)故事。

　　愛迪生發(fā)明白熾燈的故事幾乎所有人都聽說過，甚至熟悉到已經(jīng)缺乏了新鮮感。不過，在白熾燈誕生的一百多年后，現(xiàn)在的人們則更喜歡電光源的新秀，那就是LED燈，這是我們經(jīng)常聽到的一個詞，意思是“發(fā)光二極管燈”，它的誕生，還有一段波折的傳奇故事呢。誰能想到，如今萬眾矚目的新光源曾經(jīng)被人們拋棄過好幾次呢？

　　1907年，英國物理學(xué)家朗德在研究碳化硅晶體時，意外地發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電流通過碳化硅的時候，碳化硅就會發(fā)出暗淡的黃色光。

　　我們知道，愛迪生發(fā)明的鎢絲燈之所以能發(fā)光，是因為電流在通過鎢絲時會產(chǎn)生非常高的熱量，溫度可以達到2000攝氏度以上；鎢絲處于高溫的白熾狀態(tài)時，就會像燒紅的鐵塊一樣發(fā)出光亮。從這里我們可以了解到，鎢絲燈有兩個非常嚴(yán)重的缺點：首先，它的能量利用率不高。發(fā)出的光只是鎢絲發(fā)熱時的“副產(chǎn)品”，大部分的電能都被熱量消耗掉了；其次，高溫會不斷蒸發(fā)鎢絲，進而導(dǎo)致白熾燈的壽命會很短。

　　而碳化硅發(fā)光的原理則和白熾燈完全不同：碳化硅出于某種特殊的物理結(jié)構(gòu)，電子可以直接激發(fā)光線，直接跳過了“高溫”這一步。敏銳的朗德立即想到了利用碳化硅作為新光源的意義，但它的光實在是太弱了，還需要進行研究。幾年后，沒有絲毫進展的朗德最終放棄了這項研究。

　　一晃十年過去了，20世紀(jì)20年代后期，兩位德國科學(xué)家重新把這項研究翻了出來，這次他們使用的不再是碳化硅，而是鋅硫化物和銅中提煉出的黃磷。和碳化硅一樣，黃磷也可以在電子的激發(fā)下發(fā)出可見光，這些物質(zhì)統(tǒng)稱為“發(fā)光二極管”，也就是LED。不幸的是，兩位科學(xué)家把情況想得太過樂觀了，在花費了大量時間精力之后，最終他們也沒有戰(zhàn)勝這暗淡的光線。于是，LED的美麗光芒，就這樣又被埋沒了起來。

　　彈指一揮間，到了20世紀(jì)50年代，隨著時代的發(fā)展和科技的進步，各大科技公司紛紛投身到了LED燈的研究中。經(jīng)過許多人的不懈努力，終于在1962年8月8日，人類開發(fā)出了世界上第一種可實用的紅光LED；又過了10年，人類又制造出了第一個黃光LED，而且這個時候的LED燈的亮度被提高了10倍左右。

　　大家或許已經(jīng)注意到了，LED燈，根據(jù)材質(zhì)的不同，只能發(fā)出單色的光。砷化鎵二極管能發(fā)出紅光，碳化硅二極管能發(fā)出黃光，后來人們又發(fā)現(xiàn)磷化鎵二極管能夠發(fā)出綠光，但人類最需要的，是白光。想要合成白光，僅靠紅光、黃光、綠光是不夠的，人們還需要藍光。

　　尋找藍光LED的道路是崎嶇的，也是漫長的。歷經(jīng)30多年的研究，科學(xué)家終于在1994年，制造出了亮度很高的藍光LED燈。由此，給人類帶來了白光LED燈，它最大的優(yōu)點是發(fā)光效率高，一個白熾燈電能轉(zhuǎn)化為光能的轉(zhuǎn)化率只有10%左右，而LED燈可以達到60%，利用率比節(jié)能燈還高；另外，它壽命長達10萬個小時，可以使用10年以上，而白熾燈的壽命只有1000小時左右。

　　目前，LED燈早就已經(jīng)廣泛滲入到我們的生活中。從手電筒上小巧明亮的LED燈，到街頭的紅綠燈，再到液晶電視機采用的、更加明亮鮮艷的背光LED燈，我們無時不刻在享受著前人智慧的成果。

　　聽過LED燈的發(fā)展故事之后，很多人應(yīng)該都沒想過LED燈的研制竟然會如此曲折，接下來，咱們就再回到節(jié)目開始時提到的LED燈通信技術(shù)，聽聽LED燈為什么可以具有通信功能？

　　首先，我們要知道，LED燈和白熾燈、節(jié)能燈不一樣，LED屬于半導(dǎo)體照明器件，它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、材料和制作機理等等都和傳統(tǒng)燈具不同，具有比較快的響應(yīng)速度。如果把LED的響應(yīng)速度換算成帶寬的話，大概能夠達到10兆赫茲。也就是說，在這種高響應(yīng)速度和高帶寬的條件下，只要將LED燈與信息源相連，就能使LED燈在發(fā)光的同時，將信息傳輸?shù)较鄳?yīng)空間。

　　另外，據(jù)科學(xué)家介紹，在光纖通信中，光纖就像一根管道，信息就在這個管道里進行傳輸；而室內(nèi)的LED照明，信息則可以來源于光纖、某個無線基站、電話線或者電力線通信等方面，這些信息進入房間里的LED燈上后，LED燈就會把信息實時加載到照明光上進行信息傳輸。

　　燈光在空氣中傳輸類似于光纖通信中信息在光纖中傳輸，而要想知道光是否載有信息，只需要觀察光的明暗變化就可以了，但前提要保證這種變化不會影響正常的照明。當(dāng)傳輸?shù)男畔⒘勘容^大、速度非?？斓臅r候，人眼不會感覺到明暗變化，但探測器能夠分辨出來。

　　但是，光線是散亂、多方向的，在光源和探測器之間可能存在許多條不同的光路，探測器是否都能探測到呢？

　　對于這個問題，我國無線光電通信專家徐正元教授解釋說，根據(jù)照明的需求，LED光的發(fā)散角度可以達到60°到120°不等。對于照明來說，不同地點、不同角落對燈的照度要求也不一樣，但探測器的大小卻是有限的，所以需要一個透鏡系統(tǒng)，將光線聚集到探測器上。這和利用放大鏡將太陽光聚集到一個點上，就能點燃樹葉，是類似的道理。光學(xué)透鏡系統(tǒng)就好像是放大鏡，它能把LED發(fā)散的光匯集到探測器上，探測器再將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，進行后續(xù)的信號處理或信息提取。

　　此外，徐正元還表示，LED通信不需要光纖傳輸?shù)睦€、布網(wǎng)等繁瑣環(huán)節(jié)，只要在LED照明范圍內(nèi)的自由空間都可以實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)通信。不僅方便快捷，而且應(yīng)用前景也非常廣泛。

　　在他看來，LED可見光通信能很好地解決全球無線頻譜資源嚴(yán)重短缺的狀況，而且它的覆蓋范圍相當(dāng)廣泛，如果研發(fā)順利，或許以后有LED的地方就會有通信，全面實現(xiàn)LED的信息化。

　　在應(yīng)用方面，LED通信能夠?qū)μ钛a無線通信的覆蓋盲區(qū)，在醫(yī)院、機艙、礦井等無線受限場合，或者是在地鐵、隧道、水下等無線信號衰減很大的環(huán)境下所使用LED光源進行通信，將會是很好的選擇，而在室內(nèi)照明環(huán)境下通過LED燈進行高速網(wǎng)絡(luò)接入的應(yīng)用前景也很樂觀。

　　眾所周知，為防止引起瓦斯爆炸，在礦井下工作的人員是不允許通電話的，要想傳遞信息只能跑到特定的區(qū)域，用專門的電話通信，而如果一旦發(fā)生礦難，礦道封閉，井下與井外的通信必定會中斷。徐正元表示，如果礦工頭盔上裝配的是LED燈，就能實現(xiàn)彼此間的通訊，或者通過隧道兩側(cè)照明燈內(nèi)特定發(fā)射和探測裝置，也能實現(xiàn)與井外的通信。

　　在這一應(yīng)用領(lǐng)域，徐正元表示說：“LED通信技術(shù)除了簡單的通信聯(lián)絡(luò)功能之外，還能對礦工所處的位置進行定位和反饋，遇到礦難等突發(fā)狀況，外界還能第一時間獲知礦工在井下的具體位置，對加快救援速度起到重要的作用，能有效保證礦工的生命安全。”

　　由此可知，除了在家庭、特殊環(huán)境下運用外，LED通信還可以在大型復(fù)雜場所、建筑物內(nèi)等環(huán)境，實現(xiàn)掌上移動終端的定位和導(dǎo)航。在這些環(huán)境內(nèi)，每一盞小小的LED燈就如同一個個小衛(wèi)星，可以作為提供定位信息的位置傳感器。比如消費者如果在商場內(nèi)找不到需要的貨物，可以通過手上的終端接收“小衛(wèi)星”發(fā)布的信息，鎖定商品位置，同時還能將最新商品和折扣信息傳給消費者，極大地方便了顧客購物。

　　其實，早在上個世紀(jì)70年代，科學(xué)界就開始對可見光通信進行相關(guān)的研究，而且，隨著半導(dǎo)體照明技術(shù)的快速發(fā)展，可見光通信技術(shù)的研究也會越來越深入。在徐正元看來，LED通信綠色節(jié)能，安全環(huán)保，抗電磁干擾的能力有很強，同時可以利用已有照明基礎(chǔ)設(shè)施，減少了專門鋪設(shè)的成本，所以，作為一種新型無線通信手段，泛在性、廣覆蓋性等優(yōu)勢為LED通信的發(fā)展提供了無限可能的空間。



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