研究人员利用太阳能电池实现快速水下无线通信由 光学学会研究人员表明，通过在水下无线光通信系统中使用太阳能电池阵列作为检测器，可以实现高数据速率。图片来源：浙江大学徐静尽管太阳能电池通常设计用于将光转化为电能，但研究人员表明，它们也可用于实现高数据速率的水下无线光通信。这种新方法使用一系列串联的太阳能电池作为探测器，可以提供一种经济高效、低能耗的水下数据传输方式。“迫切需要高效的水下通信来满足全球海洋保护活动中日益增长的水下数据交换需求，”来自中国浙江大学的研究团队负责人徐静说。例如，在珊瑚礁保护工作中，需要数据链路将数据从潜水员、载人潜艇、水下传感器和无人自主水下航行器传输到支持其工作的水面舰艇。

在《光学快报》杂志上，Xu 及其同事报告了实验室实验，他们使用一系列市售太阳能电池来创建优化的无透镜系统，用于水下高速光学检测。与传统上用作无线光通信中的检测器的光电二极管相比，太阳能电池提供了更大的检测区域。

“据我们所知，我们展示了具有大检测区域的商用硅太阳能电池板光通信系统所达到的最高带宽，”徐说。“这种类型的系统甚至可以通过一个设备进行数据交换和发电。”

优化用于通信的太阳能电池

与使用无线电波或声波相比，基于光的水下无线通信具有更高的速度、更低的延迟和更少的功耗。然而，大多数长距离高速光学系统不适用于水下实施，因为它们需要在发射光的发射器和检测入射光信号的接收器之间严格对准。研究人员在模拟水下通道的 7 米长水箱中测试了由 3×3 太阳能电池阵列制成的探测器。镜子被用来延长光信号的路径长度。图片来源：浙江大学徐静由于太阳能电池检测来自大面积的光并将其转换为电信号，因此将它们用作检测器可以减轻水下无线通信系统中发射器-接收器对齐的要求。然而，很难实现高带宽，因为太阳能电池针对能量收集而不是通信进行了优化。

“到目前为止，使用现成的硅太阳能电池实现高速链路需要复杂的调制方案和算法，这需要大量的计算资源来消耗额外的功率并产生高处理延迟，”徐说。“通过对连接的太阳能电池进行建模和仿真，我们优化了外围电路，显着提高了我们基于太阳能电池的探测器的性能。”水下测试

研究人员在模拟水下通道的 7 米长水箱中测试了新设计，该设计使用 3×3 太阳能电池阵列创建 3.4×3.4 厘米的检测区域。镜子被用来延长光信号的路径长度，创造了 35 米的传输距离。该系统表现出可靠的稳定性、低功耗和高性能。随着太阳能电池阵列的尺寸从 1×1 增加到 3×3，-20-dB 带宽从 4.4 MHz 增加到 24.2 MHz。

尽管使用了简单的调制方案，但与使用具有大检测区域的商用硅太阳能电池作为检测器的其他研究中报道的相比，新系统显示出更高的检测带宽 - 这导致更高的数据速率。施加 90 V 的反向偏置电压进一步提高了带宽，使它们能够实现 63.4 MHz 的 -20-dB 带宽。该带宽使用最简单的幅移键控调制形式实现了 35 米/150 Mbps 水下无线光链路。

“由于太阳能电池是大规模生产的，因此所提出的方案非常具有成本效益，”徐说。“除了水下世界，这种类型的探测器还可以用于可见光通信，这是一种无线通信，使用来自 LED 和其他来源的可见光来远距离传输数据。”

为了优化系统在水下通信中的实际应用，研究人员计划接下来研究其在弱光信号下的性能。这将显示它在浑水和运动中的效果如何。他们还致力于通过微调阵列中太阳能电池的数量和所需的反向偏置电压等关键参数来使系统更加实用。