通信對於(yu) 人類生活來說，已經變得越來越普遍和重要，通信技術的發展和進步更是會(hui) 引起我們(men) 的格外關(guan) 注。光纖通信、無線通信、寬帶、Wi-Fi等通信方式是我們(men) 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(men) 就去一探究竟，聆聽其中的科學故事。

　　愛迪生發明白熾燈的故事幾乎所有人都聽說過，甚至熟悉到已經缺乏了新鮮感。不過，在白熾燈誕生的一百多年後，現在的人們(men) 則更喜歡電光源的新秀，那就是LED燈，這是我們(men) 經常聽到的一個(ge) 詞，意思是“發光二極管燈”，它的誕生，還有一段波折的傳(chuan) 奇故事呢。誰能想到，如今萬(wan) 眾(zhong) 矚目的新光源曾經被人們(men) 拋棄過好幾次呢？

　　1907年，英國物理學家朗德在研究碳化矽晶體(ti) 時，意外地發現，當電流通過碳化矽的時候，碳化矽就會(hui) 發出暗淡的黃色光。

　　我們(men) 知道，愛迪生發明的鎢絲(si) 燈之所以能發光，是因為(wei) 電流在通過鎢絲(si) 時會(hui) 產(chan) 生非常高的熱量，溫度可以達到2000攝氏度以上；鎢絲(si) 處於(yu) 高溫的白熾狀態時，就會(hui) 像燒紅的鐵塊一樣發出光亮。從(cong) 這裏我們(men) 可以了解到，鎢絲(si) 燈有兩(liang) 個(ge) 非常嚴(yan) 重的缺點：首先，它的能量利用率不高。發出的光隻是鎢絲(si) 發熱時的“副產(chan) 品”，大部分的電能都被熱量消耗掉了；其次，高溫會(hui) 不斷蒸發鎢絲(si) ，進而導致白熾燈的壽命會(hui) 很短。

　　而碳化矽發光的原理則和白熾燈完全不同：碳化矽出於(yu) 某種特殊的物理結構，電子可以直接激發光線，直接跳過了“高溫”這一步。敏銳的朗德立即想到了利用碳化矽作為(wei) 新光源的意義(yi) ，但它的光實在是太弱了，還需要進行研究。幾年後，沒有絲(si) 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20年代後期，兩(liang) 位德國科學家重新把這項研究翻了出來，這次他們(men) 使用的不再是碳化矽，而是鋅硫化物和銅中提煉出的黃磷。和碳化矽一樣，黃磷也可以在電子的激發下發出可見光，這些物質統稱為(wei) “發光二極管”，也就是LED。不幸的是，兩(liang) 位科學家把情況想得太過樂(le) 觀了，在花費了大量時間精力之後，最終他們(men) 也沒有戰勝這暗淡的光線。於(yu) 是，LED的美麗(li) 光芒，就這樣又被埋沒了起來。

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

　　大家或許已經注意到了，LED燈，根據材質的不同，隻能發出單色的光。砷化镓二極管能發出紅光，碳化矽二極管能發出黃光，後來人們(men) 又發現磷化镓二極管能夠發出綠光，但人類最需要的，是白光。想要合成白光，僅(jin) 靠紅光、黃光、綠光是不夠的，人們(men) 還需要藍光。

　　尋找藍光LED的道路是崎嶇的，也是漫長的。曆經30多年的研究，科學家終於(yu) 在1994年，製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(you) 點是發光效率高，一個(ge) 白熾燈電能轉化為(wei) 光能的轉化率隻有10%左右，而LED燈可以達到60%，利用率比節能燈還高；另外，它壽命長達10萬(wan) 個(ge) 小時，可以使用10年以上，而白熾燈的壽命隻有1000小時左右。

　　目前，LED燈早就已經廣泛滲入到我們(men) 的生活中。從(cong) 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、更加明亮鮮豔的背光LED燈，我們(men) 無時不刻在享受著前人智慧的成果。

　　聽過LED燈的發展故事之後，很多人應該都沒想過LED燈的研製竟然會(hui) 如此曲折，接下來，咱們(men) 就再回到節目開始時提到的LED燈通信技術，聽聽LED燈為(wei) 什麽(me) 可以具有通信功能？

　　首先，我們(men) 要知道，LED燈和白熾燈、節能燈不一樣，LED屬於(yu) 半導體(ti) 照明器件，它的內(nei) 部結構、材料和製作機理等等都和傳(chuan) 統燈具不同，具有比較快的響應速度。如果把LED的響應速度換算成帶寬的話，大概能夠達到10兆赫茲(zi) 。也就是說，在這種高響應速度和高帶寬的條件下，隻要將LED燈與(yu) 信息源相連，就能使LED燈在發光的同時，將信息傳(chuan) 輸到相應空間。

　　另外，據科學家介紹，在光纖通信中，光纖就像一根管道，信息就在這個(ge) 管道裏進行傳(chuan) 輸；而室內(nei) 的LED照明，信息則可以來源於(yu) 光纖、某個(ge) 無線基站、電話線或者電力線通信等方麵，這些信息進入房間裏的LED燈上後，LED燈就會(hui) 把信息實時加載到照明光上進行信息傳(chuan) 輸。

　　燈光在空氣中傳(chuan) 輸類似於(yu) 光纖通信中信息在光纖中傳(chuan) 輸，而要想知道光是否載有信息，隻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(hui) 影響正常的照明。當傳(chuan) 輸的信息量比較大、速度非常快的時候，人眼不會(hui) 感覺到明暗變化，但探測器能夠分辨出來。

　　但是，光線是散亂(luan) 、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？

　　對於(yu) 這個(ge) 問題，我國無線光電通信專(zhuan) 家徐正元教授解釋說，根據照明的需求，LED光的發散角度可以達到60°到120°不等。對於(yu) 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(ge) 透鏡係統，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(ge) 點上，就能點燃樹葉，是類似的道理。光學透鏡係統就好像是放大鏡，它能把LED發散的光匯集到探測器上，探測器再將光信號轉換成電信號，進行後續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(chuan) 輸的拉線、布網等繁瑣環節，隻要在LED照明範圍內(nei) 的自由空間都可以實現無線數據通信。不僅(jin) 方便快捷，而且應用前景也非常廣泛。

　　在他看來，LED可見光通信能很好地解決(jue) 全球無線頻譜資源嚴(yan) 重短缺的狀況，而且它的覆蓋範圍相當廣泛，如果研發順利，或許以後有LED的地方就會(hui) 有通信，全麵實現LED的信息化。

　　在應用方麵，LED通信能夠對填補無線通信的覆蓋盲區，在醫院、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境下所使用LED光源進行通信，將會(hui) 是很好的選擇，而在室內(nei) 照明環境下通過LED燈進行高速網絡接入的應用前景也很樂(le) 觀。

　　眾(zhong) 所周知，為(wei) 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(chuan) 遞信息隻能跑到特定的區域，用專(zhuan) 門的電話通信，而如果一旦發生礦難，礦道封閉，井下與(yu) 井外的通信必定會(hui) 中斷。徐正元表示，如果礦工頭盔上裝配的是LED燈，就能實現彼此間的通訊，或者通過隧道兩(liang) 側(ce) 照明燈內(nei) 特定發射和探測裝置，也能實現與(yu) 井外的通信。

　　在這一應用領域，徐正元表示說：“LED通信技術除了簡單的通信聯絡功能之外，還能對礦工所處的位置進行定位和反饋，遇到礦難等突發狀況，外界還能第一時間獲知礦工在井下的具體(ti) 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、特殊環境下運用外，LED通信還可以在大型複雜場所、建築物內(nei) 等環境，實現掌上移動終端的定位和導航。在這些環境內(nei) ，每一盞小小的LED燈就如同一個(ge) 個(ge) 小衛星，可以作為(wei) 提供定位信息的位置傳(chuan) 感器。比如消費者如果在商場內(nei) 找不到需要的貨物，可以通過手上的終端接收“小衛星”發布的信息，鎖定商品位置，同時還能將最新商品和折扣信息傳(chuan) 給消費者，極大地方便了顧客購物。

　　其實，早在上個(ge) 世紀70年代，科學界就開始對可見光通信進行相關(guan) 的研究，而且，隨著半導體(ti) 照明技術的快速發展，可見光通信技術的研究也會(hui) 越來越深入。在徐正元看來，LED通信綠色節能，安全環保，抗電磁幹擾的能力有很強，同時可以利用已有照明基礎設施，減少了專(zhuan) 門鋪設的成本，所以，作為(wei) 一種新型無線通信手段，泛在性、廣覆蓋性等優(you) 勢為(wei) LED通信的發展提供了無限可能的空間。



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