大功率LED的發光瞬態響應及光調制

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大功率LED的發光瞬態響應及光調制

引文格式： 梁仕，何志毅，尹椿淑.大功率LED的發光瞬態響應及光調制[J].桂林電子科技大學學報，2016,36(1)：14-18.

梁仕，何志毅，尹椿淑

(桂林電子科技大學 信息與通信學院，廣西 桂林541004)

摘要：為實現LED無線光通信大范圍、遠距離、高速率的傳輸，研究了大功率LED載流子注入與復合對光電響應速度的影響，設計了在FPGA控制下的載流子加速注入/抽出調制方案。通過在驅動電壓脈沖上升沿施加一個瞬時過壓和下降沿，將驅動輸出端下拉或反偏，加速光脈沖的上升/下降沿，以避免光脈沖重疊所造成的碼間干擾。測試結果表明，大電流調制可提高大功率LED的光信號質量和傳輸速率。

關鍵詞：大功率LED；無線光通信；光響應；FPGA；脈沖整形

LED具有發光效率高、成本低、壽命長、體積小、低功耗、無汞環保等優點，取代傳統照明光源已成發展趨勢。利用LED低壓驅動、光電響應速度快的特點，可將信號調制到LED的可見光進行傳輸。這種將照明用可見光作為載波進行數據傳輸的技術稱為可見光通信。盡管LED的響應速度比熒光燈快，但其開關速率小于20 MHz，且隨著功率的增大，其響應速率更低，1 W以上大功率LED的響應速率小于10 MHz[1-2]。受熒光粉余輝效應的限制，目前市場上廣泛使用調制帶寬更低的藍光激發型白光LED。

采用藍光過濾、高階調制、波分復用、均衡等[3-6]可大大提高LED的傳輸速率。如目前采用最多的高階調制格式為正交振幅調制(quadrature amplitude modulation，簡稱QAM)，可實現高達100 Mbit/s的傳輸速率。同時，為實現遠距離數據傳輸，需要較大的光源發射功率。然而，目前高速調制的LED均是小電流調制，調制電流的峰峰值僅為幾十毫安[7]。因此，要增大數據的傳輸距離和傳輸范圍，提高光源的發射功率具有重要的實際意義。

1LED脈沖調制特性

高階調制格式(如QAM)雖然有很高的頻譜利用率，可大大提高通信系統的傳輸速率，但QAM系統對幅度和相位檢測的信噪比要求很高，驅動設計復雜，采用連續波調制，器件運行在放大區，發熱比較嚴重，功耗也比較大，不利于提高光源的發射功率，可采用脈沖調制加以改善。脈沖調制時，器件只有導通和截止2種狀態，功耗低，而且脈沖調制相對簡單，對發射和接收的要求較低。

為避免小功率LED多路并聯使用，要達到一定的總光源功率，應采用大功率LED，即單個芯片功率達到1 W。分析采用目前市場上標稱為3 W的單個芯片LED，由于散熱和大電流驅動下效率降低，實際使用時，電流為700 mA，電壓為3.6 V，實際功率約為2.5 W。

大功率LED的光脈沖響應時延如圖1所示，其中，圖1(b)為對三極管Q基極輸入1 MHz頻率、50%占空比的脈沖信號(脈沖寬度500 ns)，測量平均驅動電流300 mA的光脈沖波形和電流脈沖波形，電流脈沖波形通過電阻Rs采樣。實驗中，光信號接收采用PIN光電二極管和低噪跨阻放大器組成的接收電路，光波形和電流波形通過示波器檢測。

圖1　大功率LED的光脈沖響應時延Fig.1　Pulse response delay of high power LED

從圖1可看出，光脈沖的上升沿和下降沿均有較大時延，而且明顯比電流脈沖時延要長。大功率LED芯片面積較大，其結電容也大。在1 MHz時，光脈沖波形開始明顯失真，在更高調制速率下，這時種遲必然造成前、后碼元重疊，引起碼間串擾。因此，在增大發射功率的同時，提高LED的響應速率也是需要解決的關鍵問題。

2LED光電響應時延機制分析

為提高LED的光響應速率，可優化器件結構設計。文獻[3]簡單地把發光時延歸因于它的結電容和阻抗，但這種RC阻容時延只是它在驅動電路中的外部表現，是由LED內部載流子的傳輸過程造成的。為獲得較高的發光效率，藍光LED有源區由InGaN多量子阱構成。量子阱對載流子有較強的束縛作用，尤其是遷移率較低的空穴，跨過多量子阱的速率遠比電子慢，由此引起的電子-空穴復合過程的離散性，造成發光脈沖緩慢的上升沿；同時，電子和空穴在各量子阱中分布不均等[8]，驅動脈沖結束后存余的電子和空穴分別處在不同空間位置的量子阱中，需要相向運動到近距離才能復合，脈沖低電平期間無外加電場，需要依靠電子-空穴之間庫倫作用力形成的極化電場或擴散的方式移動，因此，造成了光脈沖下降沿時延。光脈沖的下降過程隨著LED有源區的量子阱增多而變長[9]，也說明了多量子阱結構對發光響應過程的影響。但是，這僅解釋了LED光脈沖響應時延，并不能說明不同功率、多量子阱結構的LED發光時延不同。

目前大功率LED的N型電極和P型電極分別位于芯片的頂部和底部，N電極主要為條形或條形與點狀的結合，P電極覆蓋整個芯片的底部。這樣的結構設計使得注入電路分布不均勻的問題得到解決。在PN結正偏時，N型電極注入電子，P型電極注入空穴，電子和空穴在外加電場的作用下相向運動復合發光。空穴的遷移率比電子低，由于P電極覆蓋整個芯片底部，空穴在芯片中是均勻分布的，因此，電子從N電極側向運動到P電極與空穴發生復合的時間，決定了LED的響應速率。

不同的功率、芯片面積LED，其光脈沖時延也不同，這與載流子垂直外加電場方向的側向傳輸過程有關。采用晶體管集電極負載LED共射極連接的驅動電路，用一個200倍可調的PC機顯微工業攝像頭觀察脈沖驅動下的3 W藍光LED芯片的表面光場分布，如圖2所示。圖2(b)為頻率5 MHz、占空比20%、寬度40 ns脈沖驅動下的芯片表面光場。圖2未觀察到所預期的不均勻分布，但這并不能說明在40 ns內載流子完成了電極之間的傳輸。因為載流子仍然可在脈沖結束后，其尚未復合的剩余部分繼續擴散或遷移，達到均勻分布。

圖2　3 W藍光 LED芯片Fig.2　3 W blue LED

為了觀察電脈沖期間載流子傳輸和復合的情況，設計注入電流脈沖結束時載流子抽出的實驗方法，同樣在電脈沖下降沿，將LED短路，至少相當一部分剩余載流子通過外部回路抽出，此時觀察器件表面光場分布。由于3 W大功率LED不可能采用負載電流只有幾十毫安的CMOS門驅動電路[10]，一些大電流高速BJT(雙極型晶體管)是比較合適的選擇。為了避免隔離控制，注入與抽出電路應設計為共地連接。圖3為載流子抽出對LED發光的影響，驅動晶體管采用共集電極連接方式，通過晶體管Q1對LED注入載流子，Q2進行抽出，對它們的控制脈沖信號電壓Vin1和Vin2由相位關聯信號源的2個端口輸出，Vin2的上升沿緊跟著Vin1的下降沿(不能重疊，否則會導致Vcc與地之間的短路)，這樣注入電流脈沖結束后，LED有源區的載流子很快通過Q2被抽出一部分。從圖3(b)可看出，LED芯片光場分布不均勻，在電極周邊亮度較高，在遠處的電極間隙較暗。

圖3　載流子抽出對LED發光的影響Fig.3　LED emission effect on carrier extraction

3光脈沖整形電路設計

為了加快大功率LED的光脈沖響應速率，采用分布較密的網狀電極結構或ITO透明電極，改善載流子在注入后沿側向的傳輸，可提高其光響應速率。顯然量子阱數目對于發光響應速率的影響較大，但LED器件設計首先要考慮發光效率，獲得高效發光的多量子阱結構不能輕易改變。考慮到LED通信與照明的兼容性，也可選擇從外部驅動電路的設計[10]著手，這樣可直接采用商業化的LED光源，而無需專業化設計，有利于降低成本和便于實際應用。

由此可知，上升沿和下降沿的緩慢變化過程是由于載流子在側向傳輸緩慢而造成。因此，設計了在脈沖的上升沿施加一個瞬間較高的電壓來加速載流子的注入和傳輸，該電壓超過了LED的額定電壓，但該瞬時過壓仍在器件能承受的安全范圍。同時，在脈沖下降沿將LED兩端短路，將剩余載流子抽出，從而加快下降沿。

如何提供一個幾百毫安甚至安培量級的大電流，并在幾兆赫茲范圍工作是面臨的最大挑戰。高速門器件如與門、或門、非門可驅動LED，基于它們具有較低的輸出阻抗，將LED兩端瞬間短路，加速載流子的泄放。門電路通常用于數字電路，具有損耗低的特點，但負載能力非常有限，輸出電流不超過20 mA，而且其能承受的最大電壓只有約7 V。可考慮將多個門電路并聯，以提高帶負載能力，但是耐壓低的特點決定了它們不可能工作于大功率。MOFET因其高輸入阻抗而常被用于開關電路中，但受結電容的限制，此類器件工作的頻率范圍一般不超過100 kHz。要達到數兆赫茲的范圍且實現大電流，開關晶體管是比較合適的選擇。

圖4　大功率LED光脈沖整形驅動電路Fig.4　The drive circuit for optical pulse shaping of high power LED

圖4為設計的大功率LED光脈沖整形驅動電路。因為FPGA具有在線編程靈活和高速實時處理的特點，所以，三路輸入脈沖信號均由FPGA產生。泄放控制脈沖電壓Vin2的上升沿緊跟輸入脈沖電壓Vin1的下降沿，過壓控制脈沖電壓Vin3的上升沿緊跟輸入脈沖電壓Vin1的上升沿。當輸入脈沖電壓Vin1為高電平時，Q1和Q2導通，驅動LED發光；同時過壓控制脈沖Vin3使Q4和Q3導通，通過Vcc2給LED提供一個瞬間高壓，使載流子迅速注入，從而加速上升沿；當輸入脈沖電壓Vin1結束時，泄放控制脈沖電壓Vin2使Q5導通，LED兩端相當于短路，LED內部剩余的載流子通過Q5泄放，從而加速光脈沖下降沿。圖5為輸入信號與光信號波形。FPGA產生偽隨機信號并進行2PPM調制后，輸入共射極電路，示波器觀測到傳輸速率為4 Mbit/s、平均驅動電流300 mA的光信號眼圖(未整形)如圖5(a)所示。在同樣的條件下，用FPGA產生圖4的三路脈沖相關信號并調制后，測得相同傳輸速率、相同電流下整形電路驅動的光信號波形如圖5(b)所示。

從圖5可看出，未整形的光脈沖“眼睛”具有人類眼睛“血絲”的特征，其“眼睛”張開很小，光信號邊沿有較大時延。而通過上升沿和下降沿加速的整形方法，“眼睛”明顯張大，“眼睛”內沒有“血絲”，光信號波形得到很大的改善，說明通過脈沖整形的方法提高LED的響應速率是有效的。圖5(c)為與圖5(a)對應的輸入信號與光信號的瞬時波形。由于傳輸時延，光信號波形相對輸入信號有接近一個碼元的時延。由此可見，當輸入信號脈沖較寬(對應“10”碼)時，光脈沖幅度相對較大，而輸入脈沖較窄(對應“00”、“01”、“11”碼)時，光脈沖幅度小于1/2。這種差異與

圖5　輸入信號與光信號波形Fig.5　The electric and optical signal waveforms

LED在高電平期間存儲載流子的多少有關，經過較長時間高電平注入的載流子較多(即出現“10”時)，因此，光脈沖的幅度較大。而短時間高電平(即出現“00”、“01”、“11”時)存儲載流子較少，光脈沖的幅度相對較小。光脈沖下降沿不僅與高電平期間注入的載流子多少有關，還與低電平泄放的載流子數目有關，即出現“101”的情況。那么，“0”之后緊接的低電平只有一個時隙(125 ns)，光脈沖還未下降到最低點，下一個脈沖就開始了，如圖5(c)中虛線框所示。因此，圖5(a)的光信號眼圖出現多個“眼皮”。經過整形，在輸入脈沖下降沿LED內部的載流子存儲通過外部回路泄放，下降沿的抖動消失。在輸入信號的上升沿，通過電源提供瞬間高壓加快載流子注入和傳輸，上升沿得到加速。

采用QAM調制可達到100 Mbit/s以上的傳輸速率，但是這都是小功率的傳輸速率。因為受器件發熱的影響，采用QAM調制難以做到大功率。而脈沖調制因其較小的器件功耗，光源發射功率可達到很高。雖然脈沖調制的傳輸速率不比QAM高，但是對于實際應用來說，脈沖調制更適合于可見光通信。

4結束語

無線光通信遠距離、大范圍的數據傳輸要求光源具有較大的發射功率。然而，大功率LED的響應速率比小功率的要低。為提高無線光通信的傳輸速率，必須加快大功率LED的響應速率。LED器件內電子和空穴的不均勻分布以及載流子沿電場側向傳輸發生復合的時間決定了LED的響應速度。通過FPGA產生驅動脈沖，在不改變硬件電路的情況下，可滿足對LED高速調制與驅動電路的控制要求，具有控制精確的特點。采用光脈沖整形的方法，信號眼圖的上升沿和下降沿變陡，邊沿抖動相比未整形的變小，說明光脈沖整形對提高LED響應速率是有效的。

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編輯：梁王歡

Luminous transient response and optical modulation of high power LED

LIANG Shi, HE Zhiyi, YIN Chunshu

(School of Information and Communication Engineering, Guilin University of Electronic Technology, Guilin 541004, China)

Abstract：To achieve a wide range or long distance of the LED-based wireless communication, the power LED carrier injection and recombination process and their influence on optical-electric response in the pulse drive are investigated. The modulation technique is designed by accelerating carrier injection/extraction in the control of FPGA. A transient over-voltage is applied to the rising edge of the driving pulse and a pull-down or reverse bias is set at the falling edge. The rising/falling edges are speeded up for avoiding the intersymbol interference. The measurement results show that the optical signal quality under the large current of modulation is significantly improved, and the transmission rate can be effectively promoted.

Key words：high power LED; optical wireless communication; optical response; FPGA; pulse shaping

中圖分類號：TN929.12

文獻標志碼：A

文章編號：1673-808X(2016)01-0014-05

通信作者：何志毅(1965-)，男，湖南永州人，教授，博士，研究方向為LED無線光通信、光電顯示與圖像技術。E-mail:hezhiyi@guet.edu.cn

基金項目：廣西無線寬帶通信與信號處理重點實驗室開放基金(12108)

收稿日期：2015-04-08