可見光通信（Visible Light Communication，VLC）技術是一種無線通訊技術，它利用處于可見光波段的光線作為信息載體，在空氣中直接達成訊息傳輸的目的。VLC技術相較傳統的無線電技術具有更高的帶寬（》400 THz），并且發光器件在照明、顯示以及移動電話等領域都有廣泛應用，使得VLC技術成為新興的研究熱點。

迄今為止已報道的最快的VLC鏈路是基于無機半導體材料的發光二極管（LED）和激光二極管（LD），傳輸速度最快可達35Gb/s。

而對于使用了有機發光二極管（OLED）的VLC系統來說，雖然傳輸速度（Mb/s）遠低于無機VLC系統，但已足夠滿足某些場景的應用。

例如物聯網（internet of things，IoT）和上行鏈路（uplink），只需要幾兆每秒的傳輸速度；

更重要的是，有機半導體可以通過熱蒸鍍等方法廉價地沉積在大面積區域上，這將VLC性能的評判標準從數據傳輸速率轉移到諸如制造成本、毒性、可持續性、產量和靈活性等規格上，使得OLED在VLC技術領域占有舉足輕重的地位。

然而，無論是無機LED還是OLED，由于可見光在非透明介質中的穿透深度較低，使得VLC的使用受到了限制。

一種解決方法是將光譜范圍拓展到近紅外區域（NIR，700-1000 nm），該方法不僅可以拓寬VLC鏈路的帶寬，同時考慮到近紅外光能夠穿透生物組織，使得VLC技術在光子生物領域的應用成為可能。

目前，基于有機-無機雜化材料（Narrow-gap hybrid organic–inorganic materials）和金屬有機磷光配合物（organometallic phosphorescent complexes）的NIR OLEDs雖然外量子效率可以達到10%，但由于它們含有重金屬，因此具有一定的毒性，無法應用于生物醫藥以及食品行業。

近日，由紐卡斯爾大學、倫敦大學學院、倫敦納米技術中心、波蘭科學院等機構組成的研究團隊，通過使用一種不含有重金屬的新型OLED開發出了數據傳輸速率能夠達到2.2Mb/s的 VLC裝置，并將光譜范圍拓展到了近紅外區域，為物聯網以及生物傳感技術創造了機遇。該成果以“Visible light communication with efficient far-red/near-infrared polymer light-emitting diodes”為題發表在Light： Science & Applications，通訊作者為Daniel T. Gryko教授， Izzat Darwazeh教授和Franco Cacialli教授。

在這項工作中，研究人員制備的紅/近紅外OLED（650-800nm）外量子效率可達2.7%，照度以及亮度分別達到了3.5 mW/cm2和260 cd/m2。這里報道的效率是目前已知的在該光譜范圍內，活性層不含有毒性重金屬的NIR OLEDs中最高的量子效率。在不采用復雜計算的高功耗均衡器的情況下，使用該OLED制成的實時（real-time）VLC裝置，無誤差傳輸速率高達2.2Mb/s，這也是在同類VLC鏈路中已知的最高傳輸速率。這一速率足夠滿足室內點對點鏈路（如物聯網）以及生物傳感應用的需要。

圖 VCL的簡化裝置示意圖

該項工作的參與者之一Haigh 博士說：“我們團隊首次開發出高效、長波長（遠紅/近紅外）且不含重金屬的聚合物LED，這一直是有機光電子學界長期面臨的研究挑戰，達到如此高的數據傳輸速率，為將便攜、可穿戴或植入式有機生物傳感器集成到可見光/近可見（不可見）光通信鏈路中創造了機遇。”

文章信息

Minotto， A.， Haigh， P.A.， ?ukasiewicz， ?.G. et al. Visible light communication with efficient far-red/near-infrared polymer light-emitting diodes. Light Sci Appl 9， 70 （2020）。

論文地址

https://doi.org/10.1038/s41377-020-0314-z
責編AJX