1.1 可見光通信的概念及背景

人是社會性動物，需要與同類交往，需要愛和被愛，否則人就無法生存，世上沒有任何人能夠忍受絕對的孤獨，而通信技術的發展對于促進人與人的交流貢獻非常大。倘若再考慮物物互連以及人機交互對通信技術的依賴，就可以毫不猶豫地把通信技術的發展定義為人類社會發展的基礎。這正是各國政府大力建設“信息高速公路”，不斷拓展通信新手段的原因。

通信功能的實現，通常都會借助聲、光、電、磁等物理現象。不過，隨著通信技術的發展，人們可以通過不同的原理和方式對這些物理現象進行控制，從而實現不同的系統通信性能。以光為例，人們可以借助自己的眼睛觀察對方是點頭或搖頭，獲取對方傳遞過來的“贊同”或“反對”的信息；人們也可以借助自己的眼睛觀察烽火臺的狼煙是否點燃，獲取是否有敵入侵以及敵軍人數等信息；人們還可以借助自己的眼睛觀察艦船的燈語，接收26個字母和10個阿拉伯數字的組合通信。從這個簡單的例子可以看出來，即使保持人眼作為光通信系統的接收機這個前提不變，改變發射端的光源就能改變光通信系統的通信能力。對于一個光通信系統來說，采用不同的光源、探測器、調制解調技術對系統的性能影響非常大。

1880年，貝爾發明了光無線電話，他采用太陽作為光源、硒光電池作為探測器，因為光源和探測器的通信性能都不是很理想，加上太陽作為光源只能使用外調制技術，所以雖然貝爾對他的這項便捷的無線通信技術給予了厚望，也申請了發明專利，但最終未能實用化。即便如此，科研界普遍承認貝爾 1880年開創了一項無線通信新技術[1]。若干年后，大家把這項技術定義為可見光通信（Visible Light Communication，VLC）。

在通信技術的發展歷史中，首先影響現代人類生活的無線通信是無線電通信技術。LED 照明光源的出現為可見光通信提供了良好的通信光源。1999年中國香港大學彭國雄教授用LED交通信號實現了音頻信號的可見光傳輸[2]；2000年，日本慶應義塾大學Yuichi Tanaka等論證了用室內照明LED燈組建無線光通信基站的可行性，開啟了可見光通信技術研究的新紀元[3]。

2008年，美國為了建立其在半導體照明和可見光通信領域的優勢，成立了由波士頓大學（負責發光二極管通信、計算機網絡系統技術研究）、仁斯利爾理工大學（負責新材料器件技術與系統應用研究）、新墨西哥大學（負責納米材料、器件、生物成像和顯示的測試平臺建設）組成的智能照明中心。

2008年，歐盟為了建立室內高速網絡接入的國際標準，試圖借助各種不同的網絡技術，實現1 Gbit/s 的室內接入技術綜合，啟動了名為OMEGA 計劃的研究項目。該項目圍繞高速的電力線載波、超寬帶無線、紅外通信、可見光學通信等技術開展研究。歐洲OMEGA 計劃由法國電信Orange Lab 牽頭，包含20 多位工業界和學術界（如牛津大學、雅典大學、西門子公司等）的成員。

2008年，時任中國科學院院長的路甬祥院士批示中國科學院半導體研究所時說：“LED無線通信技術要引起重視，可能是一個方向，因為它不需要新的專用網絡，而且沒有電磁污染，擬請考慮部署，形成研發方向和路線圖，這可能是無線領域從電磁走向光傳輸的很好切入點！”2008年年末，為了依托LED 照明，實現無線領域從電磁向光傳輸的演進，中國科學院半導體研究所整合所內優勢研發力量，啟動了基于可見光通信的“半導體照明信息網”（Solid State Lighting Information Network，S2-Link）的研究，研究范圍覆蓋材料、器件、協議和系統。路甬祥院士對可見光通信技術優點的簡明概括，為可見光通信技術的研究指明了方向。借助于大科學家們的遠見和卓識，中國科研界把握住了這次無線通信新技術研究的先發優勢，在可見光通信研究領域取得了許多有特色的研究成果。

由于傳統無線通信發展迅速，且和廣播電視、藍牙等技術共用微波無線頻段，造成該頻段頻譜資源異常緊張，開發利用新的無線頻段迫在眉睫。近年來陸續出現了毫米波通信和太赫茲通信等解決方案，而隨著白光LED器件的出現，利用頻率更高的可見光頻段進行自由空間無線通信成為可能，不僅理論上可以達到更高的傳輸速率，同時避開了緊張的無線授權波段。可見光通信可以解決無線通信發展過程中亟須解決的無線頻譜資源拓展的問題。發光二極管 LED 器件是一種高效的固體光源，與當前的熒光光源相比具有更低的功耗、更高的亮度和更小的尺寸。LED發出的光譜窄，可以用作無線通信載波調制信號，因此同時具備綠色照明和節能通信兩個優點。此外，處于可見光頻段的光波對人體無傷害，可以保證長時間通信下對用戶的安全。所以，可見光通信還可以解決無線通信發展過程中亟須解決的節能環保的問題。

目前，借助于中國國家半導體照明工程的建設，中國已經擁有全球最龐大的半導體照明產業集群以及最大的半導體照明市場，這種產業優勢和硬件基礎是其他從事可見光通信技術研究的國家所沒有的。了解并牢記可見光通信這項無線通信技術從1880年被冷落到21世紀被追捧的原因，對于技術研究方向的選擇以及應用場景的設想，具有重要的意義。