工程师开发增强型GaN基LED阵列可见光通信系统

随着5G的大规模商用，全球学术界和工业界纷纷启动下一代移动通信技术(6G)的研究。

然而，现有射频频谱资源严重枯竭，无法满足6G超高速、超大容量的频谱需求。这一严峻的挑战促使研究人员关注太赫兹、红外和可见光等更高频段。其中，可见光通信利用400THz至800THz的超宽光谱，具有无需许可、保密性高、环保、无电磁辐射等优点。

同时，借助商用LED技术，可见光通信系统可以与照明系统集成。然而，受限于LED器件的电光响应性能，系统实际可用带宽与可见光频段相比非常小。

提高可见光通信系统中LED器件的可用带宽成为实现高速可见光通信的重要问题。Micro-LED具有GHz级-3dB器件带宽。然而，随着器件尺寸缩小至数十微米，Micro-LED器件的电流密度急剧增加，难以进一步提高。

(a)建议的等效电路，用于安装有和没有V坑(有微小V坑)的LED。黄色虚线框中的分支专用于表示V坑区域引入的额外电流。本征LED部分的另一个分支代表平坦量子阱区域。使用建议的等效电路对(b)无V凹坑的样品和(c)有V凹坑的样品进行拟合的结果。图片来源：光电科学(2023)。DOI：10.29026/oes.2023.230005

在电流密度的限制下，Micro-LED很难达到瓦级光功率，不适合需要大功率光发射器件的长距离和水下光通信。因此，如何提高常规尺寸LED的通信性能也是目前的一个关键问题。

发表在《光电科学》上的文章作者研究了一种基于多色LED的波分复用可见光通信系统。该系统使用具有3D结构量子阱的Si衬底GaN基LED。在该LED的有源层中，有一个具有六边形轮廓的三维结构(“V”形凹坑，或V-pit)，开口朝向P型GaN层。

一般来说，对于GaN基LED来说，为了实现更长的自发发射波长，需要在量子阱中添加更高的铟成分，这导致了严重的GaN和InN晶格失配问题。然而，V坑结构有助于屏蔽GaN基LED中晶格失配引起的位错，从而显着提高长波长(如黄绿波段)GaN基LED的量子阱质量和光学效率。

本研究中使用的多色LED阵列包含八个不同的LED单元。最多可同时使用8个独立的WDM通道。除660nm和620nm红色LED单元外，570nm-450nm波段的其他6个LED单元均采用南昌大学国家硅衬底LED研究所开发的硅衬底GaN基LED。

基于LED阵列，复旦大学团队搭建了通信系统，并编写了系统所需的先进数字信号处理技术程序，包括位功率加载DMT调制/解调程序、DZN数字预均衡器以及基于软件后均衡器的程序。关于循环神经网络。该通信系统总传输速率达到31.38Gb/s。

作者还结合物理模型仿真和等效电路建模解释了V坑的原理。在模型模拟过程中，作者发现V坑强烈增强了其附近的电流密度。大量载流子涌入V坑，然后在量子阱中水平输送到邻近的平坦区域。

根据这一现象，在LED等效模型中V坑附近添加了代表量子阱的特殊分支。这种新的电路模型成功地拟合了器件的响应曲线。模型表明，V形凹坑有效降低了器件的串联电阻，增强了器件对高频信号的响应。这意味着V-pit带来了更高的电光转换效率和更大的器件带宽。由此，从理论上初步解释了V坑结构对LED器件通信性能的积极影响。

　　免责声明：本文由用户上传，与本网站立场无关。财经信息仅供读者参考，并不构成投资建议。投资者据此操作，风险自担。 如有侵权请联系删除！