导读
当前无线通信面临频谱拥塞问题，难以为6G通信网络爆炸性增长的信道容量提供新的频谱资源。可见光通信具有比射频、红外波段更为广阔且无需授权的频谱资源（约400 THz），因此受到研究人员的关注。复旦大学迟楠教授团队特邀综述总结了近年来可见光通信的关键技术，包括发射与探测器件、信道建模与优化、调制与编码技术、信道均衡与信号处理技术以及多输入多输出（MIMO）与波束赋形技术；探讨了可见光通信与其他通信技术的融合，如与无源光网络和车联网的融合，并对可见光通信领域面临的挑战和未来应用前景进行了分析与展望。该文被选为
2025年第13期亮点文章 |
01
研究背景
6G通信是我国新型重要信息基础设施的战略发展方向，具有超高速率、超高数据密度、超低时延的特点，相较于5G通信容量将提升百倍至千倍。通信网络体系预计将由地面网络向空天地海一体化网络发展，推动传统光通信网络拓展天基光通信和海基光通信的新域空间；以ChatGPT为代表的人工智能大模型不仅引爆了对算力的巨大需求，也让数据中心光互连传输容量爆发式增长，寻求新域、新频谱、新模式光传输机理与方法是光通信技术面临的重大挑战。
可见光通信可用带宽高达400 THz，是C波段光通信频段的80倍。可见光通信作为6G通信的重要组成部分，极大拓展了新型频谱载波资源的应用范围，探索可见光波段新型频谱载波资源成为重要的研究方向。这一研究不仅为国家下一代无线通信技术转型奠定了坚实的基础，也为构建未来多域、多场景、多模式超高速并存的6G泛光通信网络点亮了前行之路。
图1 目前可见光通信系统的性能统计
02
可见光通信关键技术
2.1 发射与探测器件
在收发器件方面，目前可见光通信系统主要使用发光二极管（LED）和激光二极管（LD）两类光源。LED具有造价低廉、人眼安全性高、易于与照明系统融合等优势。近年来，文献报道了一批速率达到甚至超过Gbit/s量级的LED可见光通信系统，而LD则具有带宽大、准直性好、传输距离长等优势。目前基于LD的可见光波分复用激光通信系统速率已经超过了500 Gbit/s。
而在接收机方面，最新的基于氮化镓的短波长可见光接收机实现了超过10 Gbit/s的通信速率，可用于点对点通信或者MIMO系统。此外还有基于钙钛矿材料的可见光波段柔性接收机。这一类接收机具有较大的视场角度，可用于实现可穿戴设备。
图2 各类可见光发射机、接收机器件结构示意图。（a）多基色LED阵列；（b）扫描电子显微镜（SEM）下GaN基LED量子阱区域的V型坑（有增大光效和器件带宽的作用）；（c）SEM图像中的micro-LED阵列；（d）GaN基光探测器阵列示意图和SEM图像；（e）大视场（FOV）角荧光聚光器示意图；（f）钙钛矿可穿戴接收机器件结构示意图以及SEM下的钙钛矿晶体颗粒；（g）覆盖荧光涂层的纳米图案双曲超表面（HMM）结构
2.2 信道建模与优化
可见光信道情况复杂，可见光通信存在直接电流调制驱动和直接探测下载流子时变效应导致的带宽受限、谱效率低、非线性损伤和通道复用低等难题，传统光通信系统的传输理论、信道模型和处理方法难以直接应用于高速可见光通信系统，且这类方法通常依赖于一定的理论假设。
近年来数据驱动方法，如机器学习，特别是深度学习的信道模型（如双分支异构神经网络、集成学习、端到端信道模型、对抗网络模型等）逐渐受到了研究人员的广泛关注。这些算法创新为准确表征可见光信道提供了新的思路和方法。
2.3 调制与编码技术
先进的调制与编码技术是可见光通信领域的重要研究方向。近年来，单载波技术如无载波幅度相位（CAP）调制技术（多带CAP、多维CAP）可以实现超过奈奎斯特准则的高速可见光传输。借助数字信号处理技术，如滑窗球形解码算法，可以解决引入的码间干扰和信道间串扰。而多载波调制技术（正交频分复用OFDM、离散多音调制DMT）借助比特-功率加载技术，可以根据可见光信道的信噪比，在每个子载波上设置合理的调制阶数以及子载波功率，从而提升系统对于信噪比的利用效率，进而提升系统速率。
除此之外还有一些新型调制方式，例如几何整型（GS）和混合调制等。除了传统的信道编码技术，还应探索基于光信号多维度物理量[如偏振、轨道角动量(OAM)等]的物理层面的编解码技术，在降低数字信号处理带来的算力开销的同时，提高系统的信道容量以及安全性。然而，受限于器件性能，如何实现高度集成化的多维物理编码仍然是一个有待探究的领域。
2.4 信道均衡与信号处理技术
针对可见光通信系统存在的高频衰减、码间串扰线性与非线性畸变问题，研究者们提出了一系列数字信号处理算法和基于神经网络的算法，比如为了缓解信道高频衰落特性提出的硬件预均衡技术和软件预均衡算法。其中软件预均衡算法包括线性（最小均方LMS、递归最小二乘RLS算法）与非线性均衡算法（如Volterra滤波器）。非线性均衡算法可以有效处理信号功率较大时的非线性信道效应。机器学习算法除了可以估测信道，还可以用来缓解信道效应，准确估算出原始信号，同样可以作为一种高效的均衡器，比如结合线性、非线性分支的异构多分支混合神经网络。
2.5 MIMO与波束赋形技术
随着人们对高速率、低延迟、低功耗通信需求的不断增长，融合MIMO架构与波束赋形技术的可见光通信系统受到了广泛关注。目前的MIMO可见光通信系统使用波分复用（WDM）、空分复用、OAM复用等方式，可以实现超过100 Gbit/s的信道容量。此外，结合神经网络以及物理知识，可以降低MIMO通信系统中的计算复杂度。
在波束赋形与波束控制技术方面，基于液晶空间光调制器的大视场角智能广播系统可以实现上下行10 Gbit/s的通信速率。光智能反射面（OIRS）可以实现极近场的波束调控，解决了传统VLC-MIMO系统在高空间相关性下的容量受限问题。
总体而言，MIMO架构不断突破传输速率与信道容量的上限，而波束赋形技术则为系统在复杂环境下的稳定传输与多用户接入提供了灵活支撑。此外，可见光波束赋形技术也将增加可见光信号在水下、星间等场景的传输距离并提升鲁棒性，提升未来空天海地一体化可见光通信系统的信道容量与系统集成度。
图3 大规模 MIMO 可见光激光通信光互连系统示意图。（a）系统示意图，包括发射模块、光学透镜天线阵列和接收机；（b）实验装置示意图和算法流程图
2.6 可见光通信与其他通信技术的融合
可见光通信网络与其他通信网络的融合同样是研究的重点。可见光通信系统可以与传统无源光网络结合，例如一种基于星型拓扑结构的全双工可见光区域网络可以连接光纤网络与LED灯具，实现大规模用户接入。实验中，FDM协议和TDM协议用于光纤和可见光接入点的信号传输，OFDM技术用于提高频谱效率，在25 km标准单模光纤和65 cm自由空间传播中，系统性能表现良好，总吞吐量达到8 Gbit/s。
上述方法也适用于车联网。现有文献报道了基于两个商用大灯和一个自主设计的PIN阵列的可见光MIMO系统。该方案提高了可见光系统的稳定性与可靠性，减少了车辆移动导致的信号干扰和传输中断。
图4 可见光网络(a)与车联网中车载可见光通信系统(b)示意图
03
未来展望
可见光通信契合6G高能源效率、高可靠性、空天地海一体化泛在接入等多个关键特性，具有广阔的应用前景，探索可见光波段新型频谱载波资源成为重要的研究方向。近年来，在光电子器件、数字信号处理、计算光学、材料科学以及 AI 等相关学科的协同发展下，可见光通信技术进展显著。
未来将在高性能外调制相干器件，超高速可见光光互连，星间、星地可见光通信，水下光通信与可见光通信感知一体化等方面进一步突破物理瓶颈，扩展应用场景，最终建成空天地海全光通信及通信感知一体的可见光通信系统。
作者简介
迟楠，复旦大学教授，博士生导师。国家杰出青年科学基金获得者，美国光学学会会士。中国通信学会光通信专委会委员、水下通信分会副主任委员，中国电子学会通信分会副主任委员、电路与系统分会副主任委员。长期从事高速光通信和高速可见光通信方面的研究。发表论文400余篇，Google引用15000余次，出版专著10部。获中国通信学会科学技术奖（自然科学奖）一等奖、教育部自然科学二等奖、中国产学研合作创新一等奖各1项。
徐增熠，于2025年获得电子科技大学工学学士学位。目前在复旦大学信息科学与工程学院攻读博士学位，研究方向包括高速可见光通信系统、氮化镓基可见光收发器件。截至目前以第一作者身份发表SCI论文5篇，EI检索会议论文5篇。
科学编辑 | 徐增熠
编辑 | 杨晨
