随着传统射频通信频谱资源的日益紧张，无线光通信技术作为一种新兴的宽带无线接入方式，受到广泛关注。无线光通信（optical wireless communication，OWC）使用光波作为信息传输介质，具有与传统射频无线通信明显不同的特性，包括极宽的免授权频谱资源、视距定向传播、绿色安全、免电磁干扰等。无线光通信按照使用的光谱可分为红外通信、可见光通信和紫外通信等。红外通信可依托于大规模建设的光纤入户基础设施，拥有成熟的器件工艺；可见光通信可与照明设备相结合，易于在室内环境中部署。然而，可见光通信与红外通信在通信性能和标准等方面仍存在着较大的差异，融合使用面临巨大挑战。此外，保密性作为无线光通信相较于传统射频通信的一大优势，其具体的室内系统部署方案仍亟待解决。

近日，清华大学深圳国际研究生院付红岩副教授、韦国丹副教授团队利用可见光-红外双波段探测器成功建立了基于波分复用的多用户通信和加密通信系统，无需光学滤波元件，仅基于探测器自身工作电压的调制编码，即可实现可见光信息和红外信息的同步接收。此外，团队使用基于接收波长的调制电压产生加密密钥，可实现了双波长加密通信。

团队首先设计和制备了基于有机/无机杂化的可见光-红外波段探测器，并对其性能进行表征，包括结构能级、器件在不同波段与不同偏压条件下的响应度、光生电流、响应时间、器件带宽等（图1）。器件性能优化重点关注双波段探测器在不同探测模式之间的切换速度。通过理论推导，建立了模式切换速度同采样频率之间的制约关系。这一性能是影响该无线光通信系统速率的重要因素。

图1.双波段探测器性能表征

研究人员探究了探测器在不同调制电压下的工作模式特征，包括仅可见光接收、仅红外接收、可见光-红外信号加和输出、可见光-红外信号差值输出（图2）。基于探测器在不同波段的调制电压，研究人员采用时分复用的方式构建了支持多进单出（multiple-input-single-output）的波分复用系统。在满足前向纠错要求下，该系统可支持总传输速率为1.1Mbps的无误码通信。

图2.基于波分复用的双波段通信原理及性能

研究人员还利用不同工作模式下的调制电压作为密钥，开发了一种新的物理加密通信方式。基于密钥，接收机必须使用特定的偏置电压调制，对同时传来的可见光和红外光信号进行加法/减法运算，或只接收其中一种信号，才可获得正确的解码信息。工作模式的存在，使得两个独立信道的光信号通过光功率比和算术关系相互耦合，因此窃听者无法分别记录这两个信号，也无法通过暴力尝试进行破译。该加密方案与以往的研究工作相比，极大提高了无线光通信的安全性和保密性。

图3.基于不同工作模式的加密通信方案

相关研究成果以“高速双波段探测器用于双通道波分复用光通信和保密增强”（High Speed Dual-Band Photodetector for Dual-channel Optical Communications in Wavelength Division Multiplexing and Security Enhancement）为题，发表于《先进功能材料》（Advanced Functional Materials）上。

清华大学深圳国际研究生院2019级硕士汪昭明为论文第一作者，2020级博士高雨为论文共同第一作者，2021级硕士生李奕镔为论文第二作者。付红岩、韦国丹为共同通讯作者。合作者包括清华大学深圳国际研究生院教授康飞宇、张晓平，助理教授颜浩，清华大学材料学院教授沈洋等。该研究得到深圳市科技创新委员会国际合作研究项目、国家重大科研仪器研制项目等的支持。