基于垂直結構GaN LED的水下藍光通信系統

王永進 高 羽 王林寧 高緒敏 胡澤鋒

(南京郵電大學通信與信息工程學院 南京 210003)

1 引言

海洋是人類最寶貴的資源和財富，由于陸地資源的短缺，對海洋的勘探和開發日益加強。水下無線光通信(Underwater Wireless Optical Communication， UWOC)技術[1–5]成為一個令人興奮的新前沿，在海洋勘探、水下傳感器網絡和海底通信方面具有突出的技術優勢和潛力。一方面，由于趨膚效應[6]，射頻電磁波在水中傳播時衰減過大，而光避開了由于海水的高導電性(3.5～5 dB/m)而導致射頻在水中衰耗過大，解決了通信距離過短，帶寬低，延遲高等水聲通信的難題[7]。而隨著LED性能的不斷提升，UWOC的相關研究和產業化越來越熱，相比較聲學和射頻同類產品更節能，更具成本效益。同時，UWOC系統相比于高能耗的大型且昂貴的聲學和RF收發器，它可以實現相對較小且低成本的光學水下收發器。另外，光波具有高帶寬，但由于溫度波動、散射、色散和光束轉向，它們會受到其他傳播效應的影響，由于光學頻段的嚴重吸水和懸浮粒子的強烈反向散射，無線水下通信僅限于短距離，但水下EM光譜的藍綠色波長存在相對低衰減的光學窗口[8]，因此藍綠色的光在水中的傳輸距離較長。同時，光在海水中受溫度和鹽度的影響較小抗干擾能力強[9–11]。

當前水下可見光通信主要分為基于藍綠光LED和激光通信兩種方式，其中激光通信的通信功率大，在水中的傳輸距離較遠，但由于存在相干閃爍問題且實際通信中需要精確對準，在實際的操作過程中會造成困難，而基于藍綠光LED的通信方式在通信過程中無需嚴格對準，并且集聚照明與通信功能為一體[12]。因此，基于藍綠光LED的水下可見光通信技術是未來水下通信的主要發展方向。本文通過自主研發的垂直結構GaN LED作為發射器，利用高靈敏APD作為接收器設計了一款發射功率大，通信速率為2Mbps的全雙工視頻通信系統。

正文主要分為兩大部分進行闡述，第1部分介紹高性能垂直結構GaN LED的制備與性能分析，第2部分詳述搭載該LED的光通信系統，包含水下藍光通信系統的搭建，高速大功率驅動發射電路設計，高靈敏接收放大的實現，以及現場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array， FPGA)與外部設備數據交互組網。

2 水下藍光通信系統的實現

在國內外中，現階段大多數高速遠距離的水下可見光通信系統均采用任意波形發生器(Arbitrary Waveform Generator， AWG)產生的調制信號來驅動LED并通過接收器在示波器上進行顯示，對實驗具有指導意義，但是在實際的通信需求中仍有很大區別，如表1給出近幾年水下可見光通信的部分研究成果。而本文則是通過攝像頭傳輸實際的720P視頻信號，其中水下藍光視頻通信系統的實現主要分為以下4個方面：GaN LED的制備以及器件特性是水下通信的物理基石，水下通信系統的設計是整個通信實驗的基本框架，硬件電路是合理驅動LED和光電探測器的必要條件，FPGA部分的軟件代碼是實現通信傳輸的基石。

2.1 GaN垂直結構LED制備和器件表征

硅基GaN垂直結構器件的制備過程如圖1(a)所示。首先，為了去除晶圓表面的顆粒物等雜物，本文使用超聲清洗機對外延晶圓進行清洗，然后對晶圓進行脫水烘烤[17]；其次，使用旋涂法在晶圓的表面涂抹7μm的光刻膠，經離心力的作用下在整個晶圓上均勻鋪開，為了將掩膜版上的器件形狀轉移到光刻膠上則使用紫外光線透過掩膜版照射曝光，并加以顯影處理。同時，通過感應耦合等離子體(Inductive Coupled Plasma， ICP)刻蝕技術使用Cl2/BCl3混合氣體在磁場的作用下高速運動撞擊晶圓表面，對沒有光刻膠保護的部分晶圓進行刻蝕，最終得到設計好的器件形狀[18，19]。在經過刻蝕之后，本文采用無掩模刻蝕工藝對緩沖層以及GaN層進行去除，以及n-GaN層的減薄、粗化處理，由此可以有效抑制芯片內部的光波導模式，可以制備出光效率高的GaN垂直結構器件[20]，為了進一步提高LED出光效率和發光強度，將減薄后的氮化物底部集成金屬反射Ag鏡。最后，在器件表面涂抹光刻膠使用紫外線透過另一個掩膜版進行照射并放入顯影液顯影，接著通過ULVAC Ei-5z電子束蒸發機在芯片表面進行電子束蒸鍍 Cr/Pt/Au(10/200/1800 nm)[21]，然后將多余的金屬以及光刻膠進行去除得到n電極；同樣地，在器件的背后電子束蒸鍍形成p電極，這樣就完成了垂直結構GaN LED的全部制備流程。圖1(b)為制備的垂直結構GaN LED掃描電鏡圖，器件的尺寸約為990 μm×428 μm。垂直結構LED能夠減少器件內部的光學模式，提高出光效率；減小器件的電容電阻時間常數，提升器件的調制帶寬[22]。

圖1 GaN垂直結構LED制備

對此GaN器件主要包括電流-電壓(I-V)特性表征，光譜特性和通信性能的測試。GaN LED的電流-電壓(I-V)特性采用半導體參數儀進行表征。如圖2(a)所示，當注入電流為0.26A時測得電壓為3.5 V，并使用PM100A光功率計測量單顆GaN LED的輸出光功率約為60～65 mW，同時該I-V曲線在3.5 V至5 V呈線性趨勢，可以計算出動態電阻為1.36 Ω，正常工作時功率約為6 W。圖2(a)的插圖所示為GaN LED當注入0.26A時的發光圖像，該器件的發光強度隨著電流的增加而線性增加。

由于在GaN量子阱層內約束載流子的復合，LED可以發出寬譜的光，采用直流電源為GaN-LED提供不同的恒定電流，同時用光譜儀對LED的發光強度進行測試。如圖2(b)所示，LED的電致發光(EL)光譜被繪制成與注入電流相關的函數。當LED流入電流從0.4 A增加到0.8 A時，發光強度逐漸增強，發光譜峰從450 nm偏移到456 nm，且隨電流增加偏移不明顯。

圖2 GaN垂直結構LED器件表征

本文搭建了藍光通信實驗系統，驗證GaN LED的通信性能。其中發送端由信號發生器以0.8 V的峰值電壓和4V的偏置電壓直接驅動LED，將偽隨機二進制序列(Pseudo-Random Binary Sequence，PRBS)信號調制成光信號。在接收端，采用濱松C12702-11探測器將光信號轉換為電信號，用示波器進行接收及其表征。如圖3(a)所示，接收到的PRBS信號與發送的信號一致，數據通信速率為10 Mbps。同時該PRBS信號的峰值幅度在100 mV左右，包絡線非常清晰，說明GaN LED能夠達到10 Mbps的基帶傳輸速率，且遠遠未達到極限。

圖3 GaN LED通信性能測試

2.2 軟件設計

本文實現了二進制開關鍵控(On-Off Keying，OOK)調制以及里所碼(Reed-Solomon codes，RS)編解碼技術，通過使用該技術可以提高水下藍光通信系統的數據傳輸速率和視頻通信的可靠性，并利用FPGA的優勢，該系統在后續的維護和升級較為簡單。

如圖4所示，FPGA通過以太網接口代碼實現對物理層芯片的數據讀寫，在RGMII數據接口模塊上利用以太網協議實現FPGA與外部設備的數據交互。在發送端，數據從網口取出以后，首先放入FIFO Buff進行數據緩存，然后在有限狀態機的控制下進行數據封幀以及RS信道編碼。OOK調制模塊負責對信道編碼后的數據進行調制，FPGA通過并串轉換將編碼后的字節數據不斷以1 bit方式串行輸出，并配置循環計數器的數值完成OOK信號的頻率設置，持續發送帶寬為1MBaud的OOK信號，當發送1 MHz 方波時表示電平數值“1”，發送2 MHz方波時表示電平數值“0”，若無數據則由VLC_tx控制不斷發送單個字節前導碼“55”。在接收端，經比較器輸入至FPGA的OOK調制信號經過VLC_rx模塊將單比特信號進行串并轉換，使用接收時鐘計數將接收到的8 bit信號轉換成1 Byte數據，由于收發兩端電路不為同一個時鐘，故接收端通過異步接收方式接收單比特數據作為跨時鐘域處理，在接收端，計數器通過檢測到第1個上升沿開始計數，當檢測到下降沿時進行判決，統計高電平持續時長，若該高電平為短電平(200～340 ns)且前一個高電平也為短電平，則判斷接收到的信號為“0”，若檢測到高電平為長電平(300～600 ns)且前一個短電平的狀態位為0則接收到信號為“1”，若接收的電平都過長或過短則發出錯誤位，跳過此次接收等待下一個上升沿檢測；最后將接收到的字節數據通過RS解碼并將解碼后的信號送入到發送端FIFOBuff進行存儲，通過以太網接口將該數據經網口輸出到外部設備，至此完成視頻通信全部過程。

圖4 FPGA軟件系統框圖

2.3 硬件設計

2.3.1 高速調制驅動發射電路

本文水下藍光通信系統，通過設計大功率MOS管驅動電路來控制GaN LED的發光強度變化，利用MOS管的高響應速率實現對水下藍光通信系統的通信速率提升，同時MOS管可承載電流較大可滿足大功率GaN LED的需求，從而改善通信系統的通信性能。由于GaN LED長時間工作在大功率的情況下，溫度會對LED的內阻產生影響，導致在一定的電壓下GaN LED的電流增加。因此，本文設計了反饋恒流電路用來限制LED電流以避免LED在長期工作下因熱損壞而導致通信中斷。在圖5(a)中，本文采用升壓恒流芯片LTC3780為LED提供電壓，同時利用LTC3780具有折返輸出電流限制功能結合MCU的模擬輸入口在MOS管源極對電阻R1進行電壓采樣，并求取電流與設定的LED能接收的最大電流比較，最后將比較后的信號由MCU輸出通過ADC模塊反饋至LTC3780芯片的參考端，以此達到LED端恒流的目的。圖5(a)中的Vled為LTC3780提供的LED驅動電壓，同時為了防回流在LED上串聯肖特二級管SS54。

在圖5(b)中紅色曲線是OOK調制信號經電流放大后加載至MOS管柵極波形，峰峰值電壓為11～12 V，藍色曲線為MOS管漏極電壓，波形與柵極波形相反由此反映出MOS管開斷這一現象，其Vpp約為4 V。

圖5 發射端電路和測試波形

2.3.2 接收增益放大設計

為了接收水下藍光調制信號，本文設計了高靈敏水下藍光接收電路，主要由雪崩光電二極管(Avalanche Photo Diode， APD)、信號處理電路和高電壓電源電路所構成。通過實驗結合發射端GaN LED的光功率以及水中的信道衰減模型，本文采用靈敏度高、速率快的APD，在水下可視范圍內擁有很高的靈敏度。

由于實際通信過程中，因為通信距離突然減小可能會引起接收端APD所接收的光過強，光電流隨之變大而導致比較器輸出電平持續變高，從而導致通信鏈路中斷，因此本文設計了自動增益控制電路，在圖6(a)中，通過AGC模塊采樣跨阻放大器(Transimpedance Amplifier， TIA)輸出端的調制信號，并將采樣的信號送入FPGA中存儲，在正常通信中經過多次采用后進行取平均值得到現階段下的閾值電壓，如果下次采樣后的電壓值偏離閾值電壓超過40%后，AGC模塊將根據偏離的電壓動態調整APD的電壓，從而控制APD的增益，實現了水下藍光視頻通信的距離自適應。同時為了降低自然光的低頻噪聲的影響，將跨阻放大器放大后的調制信號送入高通濾波器中。

圖6 接收端電路和波形測試

2.4 水下藍光通信系統設計

水下藍光通信系統的發射端由網絡攝像頭、FPGA、MOS管驅動電路、GaN LED與光學系統構成，通過傳輸信道，由對端光學系統與APD、TIA放大器、FPGA、計算機作為接收端還原視頻圖像。發射端部分中，由網絡攝像頭輸入的視頻信號通過以太網接口連接至FPGA經RS編碼、OOK調制等過程傳輸至MOS管驅動電路，然后通過GaN LED供電電壓的變化實現對LED的亮暗程度進行控制，再經過發射透鏡減少GaN LED的散射和功率衰減，提高光的傳輸距離。在接收端，通過光學透鏡聚焦的光信號經接收端的APD感知并輸出成電流。經APD探測到的光電流通過TIA放大電路進行放大，并通過遲滯比較器和濾波等多級信號處理后輸出為FPGA的VLC_rx模塊能夠識別判決的數字信號波形；最后，接收的視頻信號被解調、RS解碼后恢復成發送端攝像頭的比特流視頻信號，將信號通過以太網口接口連接至計算機通過網頁顯示視頻圖像。整個視頻通信的過程中是基于網絡攝像頭的TCP協議進行的雙工視頻通信，在通信的過程中可以保證鏈路的穩定。由于TCP協議需要通信雙方進行3次握手連接，因此在圖7(b)中分別有發射接收端1和發射接收端2，至此可以保證通信鏈路為雙工通信。而圖7(a)為水下藍光通信系統在工作時的單向示意圖，在圖中可以看出單向信號的處理過程及流向。

圖7 水下藍光通信系統

3 結束語

本文通過自主研制的垂直結構GaN LED芯片，基于器件的大功率、發光效率高的特性結合FPGA的編碼調制和電路設計，實現了基于網絡攝像頭的全雙工水下藍光視頻通信系統。該系統具備了功率大、誤碼率低、鏈路穩定以及后續升級方便等優勢，將為國內自主研發高速水下可見光通信系統提供新穎可靠的技術方案。