藍(lán)光LED和GaN PD集成芯片雙向照明通信性能研究

楊馥瑞等

摘要： 針對(duì)LED照明通信集成芯片的應(yīng)用，設(shè)計(jì)了一種包括藍(lán)光LED和GaN PD的雙向通信集成芯片。工作時(shí)藍(lán)光和紫外光形成兩路光通信。集成芯片的小尺寸可使LED照明通信減少一半的燈珠數(shù)量以利于縮小系統(tǒng)體積。對(duì)集成芯片采用串口通信協(xié)議和開關(guān)鍵控（OOK）調(diào)制解調(diào)裝置進(jìn)行單向、雙向通信測(cè)試及分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，集成芯片實(shí)現(xiàn)單向照明通信時(shí)，紫外通信誤碼率在10-6以下，在雙向通信且藍(lán)光LED電流密度不大于2.8 mA/mm2時(shí)，紫外通信誤碼率在10-3以下。

關(guān)鍵詞： LED照明通信； 藍(lán)光LED； GaN PD； 集成芯片

中圖分類號(hào)： TN 303文獻(xiàn)標(biāo)志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2015.03.014

Abstract： In this letter， we studied a kind of bidirectional optical communication chip that contains a particular GaN PD and a blue LED. The bidirectional lighting communication consists of blue light and UV light optical communication link. This integrated chip is outstanding with its small size and easy implantation， and can be used in the bidirectional lighting communication to reduce amount of bulls， shrinking system size. We tested and analyzed its performance in one way and bidirectional communication with serial communication protocol and simple modulating method for onoff keying （OOK）. In the guarantee of the integrated chips normal working， the results for the first time display the feasibility of integrated chips into one way lighting communication with bit error rate below 10-6， demonstrating bidirectional communication with bit error rate below 10-3 when injecting blue LED with 2.8 mA/mm2 current density.

Keywords： LED lighting communication； blue LED； GaN PD； integrated chip

引言白光LED具有低功耗、高亮度以及良好的線性度等優(yōu)點(diǎn)，作為無線光通信的發(fā)信端相比傳統(tǒng)射頻具有突出的優(yōu)勢(shì)，光源至今已有RGB組合或藍(lán)光芯片與熒光粉結(jié)合等種類[12]。調(diào)制技術(shù)也由開關(guān)鍵控（OOK）調(diào)制向脈沖位置調(diào)制（PPM）等發(fā)展[3]，復(fù)用技術(shù)包括波分復(fù)用[4]，頻分復(fù)用[5]，多輸入多輸出正交頻分復(fù)用（MIMOOFDM）[6]等，已有不少研究成果。LED光通信速率已由最初的Mbit級(jí)別提高到現(xiàn)在的Gbit級(jí)別[7]。目前LED照明通信已取得突破性進(jìn)展，高速通信調(diào)制系統(tǒng)研制成功標(biāo)志著LED照明通信開始向產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。隨著光刻等半導(dǎo)體生產(chǎn)技術(shù)的不斷提高，集成器件的尺寸也越來越小，上述系統(tǒng)必然會(huì)被進(jìn)一步集成。目前，復(fù)旦大學(xué)采用光波分復(fù)用和子載波調(diào)制，已實(shí)現(xiàn)雙向無線光通信，可實(shí)現(xiàn)575 Mbit/s的RGB LED上行鏈路通信和300 Mbit/s 的基于熒光粉LED下行鏈路通信，通信距離66 cm，誤比特率在硬判決前向糾錯(cuò)時(shí)限制在3.8×10-3以下[8]，但其損耗大、復(fù)雜性高、設(shè)備龐大，因此，雙向無線雙工光通信亟需低功耗且緊湊簡(jiǎn)易的裝置。本文提出了一種雙向照明通信集成芯片，其上有藍(lán)光LED和GaN PD芯片。利用藍(lán)光通信鏈路和紫外光通信[910]鏈路構(gòu)成雙向通信，同時(shí)降低串?dāng)_。采用串口通信協(xié)議和簡(jiǎn)易OOK調(diào)制解調(diào)裝置對(duì)集成芯片進(jìn)行單向、雙向光通信測(cè)試及分析。

1系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1集成芯片封裝結(jié)構(gòu)集成芯片支架采用3 W大功率LED 6引腳支架，6個(gè)引腳各自隔離，直徑3.5 mm的支架銅座通一圓孔，孔直徑1 mm，置GaN PD于圓孔處，調(diào)整藍(lán)光LED位置遠(yuǎn)離圓孔。藍(lán)光LED和GaN PD除了有公共的襯底，在電路上相互隔離。光學(xué)儀器第37卷

第3期楊馥瑞，等：藍(lán)光LED和GaN PD集成芯片雙向照明通信性能研究

紫外光源選取峰值波長(zhǎng)365 nm的大功率LED燈珠（首爾半導(dǎo)體，CUN6AF1B）。藍(lán)光LED光譜峰值波長(zhǎng)450 nm，工作電流20 mA。GaN PD響應(yīng)光譜峰值約為365 nm，截止波長(zhǎng)約為370 nm，在365 nm和450 nm處峰值比為102。較大的峰值比使得同時(shí)進(jìn)行可見光和紫外光通信在理論上可行，同時(shí)GaN PD對(duì)室內(nèi)可見光不敏感。

系統(tǒng)組件如圖1所示：同軸線上從左往右依次為硅光電二極管、紫外濾波片、集成芯片燈珠、石英雙凸透鏡、紫外光源，工作距離15 cm。實(shí)驗(yàn)時(shí)使紫外光源發(fā)送信號(hào)，同時(shí)測(cè)試在藍(lán)光LED點(diǎn)亮、熄滅或調(diào)制光信號(hào)情況下GaN PD的響應(yīng)波形。由于GaN PD光電流較小，容易受影響，故紫外通信質(zhì)量為討論重點(diǎn)，藍(lán)光LED的可見光通信解調(diào)不再贅述。

圖2為支架內(nèi)集成芯片的示意圖：左側(cè)的藍(lán)光LED向上發(fā)射藍(lán)光，紫外光線垂直入射到右側(cè)的特殊結(jié)構(gòu)紫外GaN PD底面，兩個(gè)二極管之間距離d為1 mm，GaN層為未摻雜半導(dǎo)體層。與以往nGaN和n+GaN傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)不同，此處使用n型摻雜和未摻雜的GaN來形成肖特基結(jié)。此時(shí)，nGaN與金屬接觸為歐姆接觸，GaN與金屬接觸為肖特基接觸。n型歐姆接觸用蒸發(fā)沉積Ti/Al/Ti/Au形成，LED上的p型歐姆接觸通過濺射沉積Ni/Ag得到，肖特基接觸通過蒸鍍Ni/Al/Ti/Au得到，該類型GaN PD對(duì)波長(zhǎng)370 nm以上的可見光幾乎無響應(yīng)。GaN PD和藍(lán)光LED在同一個(gè)外延片上制作，一方面保證LED的質(zhì)量，另一方面延續(xù)生產(chǎn)的流暢性。

1.3調(diào)制解調(diào)電路為了測(cè)試集成芯片性能選擇簡(jiǎn)便的OOK調(diào)制。調(diào)制電路如圖3所示，“PC”為電腦端，“MAX232”模塊為串口電平轉(zhuǎn)換電路，“轉(zhuǎn)換電路”模塊為驅(qū)動(dòng)電壓轉(zhuǎn)換電路。發(fā)送信號(hào)控制三極管工作于飽和與截止?fàn)顟B(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)紫外光源、藍(lán)光LED的調(diào)制。為了讓紫外光源恒流工作電流達(dá)到300 mA且不發(fā)送信號(hào)時(shí)處于常亮，需要將信號(hào)電壓升壓和反相并采用9 V的電源電壓。圖中轉(zhuǎn)換電路由比較器組成，完成升壓反相功能。通信軟件選擇串口通信助手，發(fā)送信號(hào)經(jīng)MAX232轉(zhuǎn)化為TTL電平，控制調(diào)制。設(shè)置發(fā)送波特率9 600 bit/s。

1.4恢復(fù)電路接收到的微弱光電流經(jīng)前置放大器放大，轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，主放大器對(duì)電壓再放大以利于濾波器濾除雜波，最后由比較器恢復(fù)波形。前置放大器我們采用了SR570，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)；波形恢復(fù)中主放大器使用MCP6022芯片，將電壓信號(hào)放大；最后使用LM393比較器正向輸入比較，電位器調(diào)節(jié)參考電壓，最終恢復(fù)波形。恢復(fù)電路如圖4所示。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1GaN PD光電流用半導(dǎo)體分析儀測(cè)量了在藍(lán)光LED不同工作電流下，GaN PD兩端偏置電壓為0～20 V時(shí)電流的大小變化曲線，如圖5所示GaN PD在紫外光照射下熄滅藍(lán)光LED的IV曲線和藍(lán)光LED工作電流密度變化下的IV曲線及暗電流IV曲線。圖6調(diào)制信號(hào)（上）和接收信號(hào)（下）波形兩端反向電壓變化范圍0～20 V，可以看出反向電流都有隨著藍(lán)光LED的工作電流增大而增大的趨勢(shì)。芯片結(jié)構(gòu)（見圖2）中部分藍(lán)光向GaN PD出射，光子被吸收到一部分，以及GaN材料都會(huì)吸收到LED的藍(lán)光。目前為止，這種吸收造成的干擾無法排除，只有增大紫外光源的光功率，或者重新設(shè)計(jì)芯片結(jié)構(gòu)，增加光學(xué)隔離層才能減少藍(lán)光吸收對(duì)紫外通信的影響。

2.2集成器件單向照明通信質(zhì)量測(cè)試電腦端發(fā)送字母“a”，GaN PD電流經(jīng)前置電流放大器SR570放大轉(zhuǎn)換后，用示波器同時(shí)觀察發(fā)送信號(hào)和接收信號(hào)波形。圖6給出了調(diào)制信號(hào)與探測(cè)信號(hào)的波形，對(duì)比兩個(gè)波形可以看出，接收信號(hào)受調(diào)制電路帶寬影響有些畸變，但響應(yīng)速度較好。將藍(lán)光LED恒流點(diǎn)亮，工作電流12 mA。讓紫外光源發(fā)送信號(hào)，通過MAX232把接收信號(hào)傳送至第二臺(tái)電腦，觀察串口通信助手接收區(qū)情況。發(fā)送端發(fā)送單個(gè)字母時(shí)，接收端接收的誤比特率可達(dá)到10-6以下。該系統(tǒng)還可完成傳送圖像功能，串口助手啟用文件數(shù)據(jù)源，如圖7所示，接收端數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)向文件，文件類型事先設(shè)置為與發(fā)送端一致的jpg格式，圖片大小5.7 kbit，發(fā)送完畢，接收端打開文件，圖8為“學(xué)校LOGO.jpg”傳輸結(jié)果。

該實(shí)驗(yàn)說明在保證紫外GaN PD正常工作，且藍(lán)光LED恒流工作，無意外抖動(dòng)和斷路的情況下，可以實(shí)現(xiàn)單向照明通信。

2.3集成器件雙向通信質(zhì)量測(cè)試調(diào)制藍(lán)光LED，設(shè)置與紫外光源調(diào)制相同的發(fā)送波特率，紫外光源發(fā)送目的信號(hào)“a”字母，藍(lán)光LED發(fā)送“j”字母作為噪聲。GaN PD接收結(jié)果分為3組，分別對(duì)應(yīng)藍(lán)光LED工作電流密度84.8 mA/mm2、 168.0 mA/mm2、288.0 mA/mm2。圖9（a）、（b）、（c）是藍(lán)光LED恒流工作，不發(fā)送噪聲下GaN PD輸出，顯示的均為“a”字母的波形。圖9（d）、（e）、（f）是調(diào)制藍(lán)光LED發(fā)送噪聲時(shí)GaN PD的輸出，顯示為噪聲與目的信號(hào)疊加。對(duì)比圖9（a）、（b）、（c）可看出暗電流的增大對(duì)于紫外通信的質(zhì)量沒有明顯的影響。這是因?yàn)榘惦娏骱愣ㄔ龃螅聪螂娏骺偤驮龃螅瑑烧叩牟钪导垂怆娏鞑蛔儯什粫?huì)影響通信質(zhì)量。而圖9（d）、（e）、（f）中出現(xiàn)的波形為“j”字母的信號(hào)波形，結(jié)果說明紫外通信目的信號(hào)被淹沒在噪聲中。將藍(lán)光LED工作電流密度設(shè)為2.8 mA/mm2時(shí)，單向紫外通信接收端接收到“a”字母，誤碼率在10-6以下，見圖10（a）。調(diào)制藍(lán)光LED發(fā)送“j”字母干擾源，如圖11所示，上方為“j”原波形，下方為硅光電二極管光電流放大后信號(hào)。由圖可知波形除了背景噪聲未有任何明顯“a”波形痕跡，且紫外GaN PD光電流較小，不足以影響藍(lán)光通信。圖10（b）為GaN PD接收信號(hào)恢復(fù)的“a”波形，波形中也沒有明顯受藍(lán)光LED調(diào)制信號(hào)影響的痕跡，但誤碼率為10-3。

4結(jié)果分析對(duì)可見光響應(yīng)的原因有兩種：（1）內(nèi)光電效應(yīng)吸收（IPA）電流和體光生電流；（2）由于金屬和uGaN接觸面的表面捕獲到電子導(dǎo)致肖特基勢(shì)壘降低，以及外加電場(chǎng)下鏡像力增大，使得電流增大。響應(yīng)度R的表達(dá)為R=IP（1）式中：P為入射光功率；I為光照下產(chǎn)生的電流。一定光功率下，I越大，響應(yīng)度越高，對(duì)外界的影響就越不敏感。I=-expΔΦsbKTIr-IGEN-IIPA（2）式中：K為玻爾茲曼常數(shù)；T為絕對(duì)溫度；IGEN為光生電流；IIPA為內(nèi)光電效應(yīng)吸收電流，由Vickers model計(jì)算得到；ΔΦsb是肖特基勢(shì)壘下降的高度；Ir為反向暗電流。在紫外輻射下，GaN PD的光電流為基于勢(shì)壘下降因子ΔΦsb1的指數(shù)形式，由于ΔΦsb1與空乏區(qū)寬度d呈線性比例，而d隨反向偏壓增大而增大，d∝V1/2故I在高反向電壓時(shí)激增，所以，可以嘗試增大反向電壓來提高雙向通信質(zhì)量。由于雙向通信質(zhì)量也受制于GaN PD中缺陷情況，缺陷越多則對(duì)非紫外光子吸收越強(qiáng)，暗電流增大，光電流不變時(shí)，后續(xù)恢復(fù)電路對(duì)器件要求很高。藍(lán)光LED與GaN PD距離很近，當(dāng)藍(lán)光LED工作電流超過一定數(shù)值，由于缺陷吸收產(chǎn)生的電流將嚴(yán)重影響通信質(zhì)量，故提高外延片的質(zhì)量為改進(jìn)集成芯片性能的第一步。3結(jié)論本文使用簡(jiǎn)單的OOK調(diào)制和解調(diào)方法對(duì)藍(lán)光LED和紫外LED進(jìn)行通信調(diào)制，證實(shí)了藍(lán)光LED和GaN PD的集成芯片可以實(shí)現(xiàn)照明通信。在保證藍(lán)光LED和GaN紫外GaN PD正常工作的情況下，GaN紫外GaN PD具有對(duì)室內(nèi)光良好的抗干擾性，可以實(shí)現(xiàn)單向照明通信即藍(lán)光LED恒流照明同時(shí)紫外光路通信。由于GaN PD對(duì)藍(lán)光有一定吸收，造成雙向通信時(shí)不能供給藍(lán)光LED過大電流，否則通信失敗。對(duì)于這種集成芯片，可以在幾個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化：（1）提高外延片質(zhì)量；（2）改變GaN PD位置及其半導(dǎo)體層厚度，或增加反射層，以減少GaN PD對(duì)毗鄰LED光的吸收；（3）增大GaN PD兩端反向電壓等等。參考文獻(xiàn)：

[1]熊飛嶠，敖邦乾.白光LED可見光無線通信系統(tǒng)的研究[J].無線光通信，2013，37（1）：6062.

[2]黃凌晨，鐘擎，王曉萍.用于室內(nèi)照明的節(jié)能環(huán)保型智能LED照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].光學(xué)儀器，2011，33（5）：6569.

[3]譚家杰，鄒常青，室內(nèi)白光LED照明通信的現(xiàn)狀與展望[J].衡陽師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，32（3）：3944.

[4]許海燕，艾鑫.基于波分復(fù)用的光纖入侵探測(cè)系統(tǒng)[J].光學(xué)儀器，2014，36（5）：385388.

[5]ELGALA H，MESLEH R，HAAS H.An LED model for intensitymodulated optical communication systems[J].IEEE Photonics Technology Letters，2010，22（11）：835837.

[6]AZHAR A H，TRAN T A，OBRIEN D.A Gigabit/s indoor wireless transmission using MIMOOFDM visiblelight communications，[J].IEEE Photonics Technology Letters，2013，25（2）：171173.

[7]COSSU G，KHALID A M，CHOUDHURY P.3.4 Gbit/s visible optical wireless transmission based on RGB LED[J].Optics Express，2012，20，（26）：501506.

[8]WANG Y Q，WANG Y G，CHI N，et al.Demonstration of 575Mb/s downlink and 225Mb/s uplink bidirectional SCMWDM visiblelight communication using RGB LED and phosphorbased LED[J].Optics Express，2013，21（1）：38.

[9]HE Q F，XU Z Y，M SADLER B.Performance of shortrange nonlineofsight LEDbased ultraviolet communication receivers[J].Optics Express，2010，18（12）：226238.

[10]何攀，李曉毅，侯倩，等.基于LED的紫外光通信調(diào)制方式研究[J].光通信技術(shù)，2010，34（4）：5153.

（編輯：劉鐵英）