可見光通信感知一體化芯片及關鍵技術

王永進 尹清溪 葉子琪 傅 康 王 浩 蘇宇龍 高緒敏

(南京郵電大學通信與信息工程學院 南京 210003)

1 引言

隨著信息時代的飛速發展，無線通信的用戶也在隨著急劇增長，而無線頻譜資源的短缺和用戶數量的增多的矛盾卻制約了通信的進步[1]。而解決這一問題的關鍵在于對頻譜資源節流開源。與5G相比，6G作為新一代的移動通信系統，支持更高的數據速率、更低的時延和更高的可靠性[2]，并且更加親和用戶和業務，即可以為用戶提供針對性更強的高質量服務。此外，6G也將無線融合通信納入研究范疇，其中通信和感知融合就是一種典型的融合通信。在目前信息時代，通信和感知是獨立存在的，例如4G通信系統只負責通信，雷達系統只負責測速、感應、成像等功能[3]。這樣分離式的設計既造成了頻譜資源和硬件資源的浪費，又因為各自獨立帶來了信息時延較高的問題。而通信感知一體化[4]是節約頻譜資源的可靠方法，除此之外，可見光通信[5]則是有效對現有頻譜資源的補充和開拓，可見光通信作為新一代無線通信技術，是我國“十三五”重點發展的信息技術之一。可見光的波長范圍在380～780 nm[6]，具有高帶寬、高速率、保密性好、頻譜資源豐富等優點[7]，未來能夠在燈光上網、室內導航和定位[8]、水下通信[9]、智能安防[10]、智能交通[11]和智慧城市中得到推廣與應用[12]。

基于以上兩個原因，結合量子阱二極管發光譜和探測譜出現部分重疊的物理現象[13]，同時，量子阱二極管可以吸收另一個同一結構二極管的光子[14]，并轉化為光電流輸出。這意味著在同一個芯片上集成多個相同的量子阱二極管，分別作為通信發送和探測感知器件，就可以實現單個芯片通信感知一體化。將可見光通信和感知融合，可以有效減少頻譜的消耗，同時減少了收發設備的數量和體積。可將其應用于可見光音頻通信、視頻通信、可見光脈搏測量裝置或其他光電反射式傳感器，均有廣闊的應用前景。

進入6G時代，通信頻譜不會局限于電磁波，可見光通信也是重要一環，未來通信的頻譜也會與感知頻譜結合，這就需要研究新技術探討二者融合，可見光通信感知一體化可以方便實現通信與感知資源的聯合調度[15]。

2 氮化鎵量子阱二極管的制備

首先我們采用10 cm藍寶石襯底，利用金屬-有機化學氣相沉積(Metal Organic Chemical Vapor Deposition， MOCVD)技術制造InGaN/GaN 多量子阱(Multiple Quantum Wells， MQW)結構的外延薄膜，然后通過電感耦合等離子蝕刻方法蝕刻外延薄膜實現器件隔離，其次通過濺射法沉積出230 nm厚的透明氧化銦錫(Indium Tin Oxide， ITO)電流擴展層，接著利用氮氣對其進行7 min熱退火，使其穩定，減少變形和裂紋傾向。用HCl/FeCl3混合物腐蝕ITO層，直至暴露n-GaN表面。將混合金屬堆沉積在n-GaN和ITO表面，然后進行金屬脫離和快速熱退火，通過等離子體增強化學氣相沉積(Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD)沉積1000 nm厚的SiO2層。然后通過光刻技術確定鍵合板區域，通過電子束蒸發沉積金屬焊盤，接著進行金屬脫附和快速熱退火。最后采用激光加工技術切割芯片。

該氮化鎵光電子集成系統(Monolithic GaN Optoelectronic System， MGOS)厚度0.2 mm，長5.1 mm，寬4.3 mm，質量19 mg。該系統集成了具有相同量子阱結構的光發射器件(Transmitter)和接收器件(Receiver)。由于發射器件的發射光譜和接收器件的光探測譜存在重疊區，接收器件能夠吸收同質集成、具有相同量子阱結構的發射器件發出的短波長高能光子，生成光電流。圖1(a)為該氮化鎵光電子集成系統的光學圖像，兩個相同結構的量子阱二極管，分別作為發射器件和接收器件。p電極和n電極分別通過金屬線連接到焊盤上，然后通過金屬線進行焊接以進一步測試表征。圖1(b)是量子阱二極管的放大圖像，圖中標記的臺面(mesa)是二極管的發光區域。

圖1 MGOS光學圖像

3 氮化鎵量子阱二極管的表征

對此二極管的表征主要包括電流-電壓(I-V)特性測試，反向光電流的表征，發光強度和探測能力的測試，通信性能的測試。

采用半導體參數儀對二極管的電流-電壓(I-V)特性進行表征。該二極管的電流-電壓(I-V)特性如圖2所示，正向開啟電壓是2.2 V，此時二極管內通過電流為0.22 mA，該二極管的發光強度隨著電流的增加而線性增加。

圖2 I-V特性

采用光譜儀對二極管的發光強度進行測試，同時給二極管注入不同的電流，如圖3所示，二極管的電致發光光譜(ElectroLuminescence， EL)被繪制成注入電流的函數。當二極管注入電流從5 mA增加到25 mA時，發光譜波峰從514.9 nm藍移到512.3 nm。二極管的探測譜通過Oriel IQE-200B系統的單色光照明探測設備來測量。從圖3可以看出此二極管的探測響應率在波長386 nm達到最高點，后面隨著波長的增加而減小。在二極管的EL和響應譜之間有接近26.9 nm的光譜重疊，這一發光探測共存特性使兩個相同的二極管建立通信感知一體光通信系統成為可能。

圖3 發光探測譜

選取同一塊氮化鎵光電子集成系統上相同的兩個器件分別作發射器件和接收器件，給發射器件注入不同的驅動電流，讓其發出不同亮度的光，不同亮度的光透過襯底影響接收器件。使周圍的環境處于暗室條件下，用作接收的二極管處于0 V的偏置電壓下，通過半導體參數儀進行光電流探測表征，如圖4所示，當發射器件的注入電流從0 mA增加到10 mA時，探測到的電流變化范圍從0～–0.656 μA，結果表明量子阱二極管可以吸收另一個同一結構二極管的短波長光子，同時產生光電流。

圖4 接收器的光電流與發射器注入電流的關系

使用兩個相同的量子阱結構的二極管分別作為發射器件和接收器件工作，構成無線光通信系統。波形發生器以1.2 V的峰值電壓和2.6 V的偏置電壓直接驅動發射機將偽隨機二進制序列(Pseudo-Random Binary Sequence， PRBS)信號編碼為光信號。在另一端，零偏置的接收器將光信號轉換成電信號，直接發送到數字存儲示波器進行表征。接收到的偽隨機二進制序列(PRBS)信號與發射到的偽隨機二進制序列(PRBS)信號一致，數據通信速率為2 kbps，如圖5(a)所示。當接收電壓為2.2 V時，正向電壓高于二極管的開啟電壓，數據通信速率為2 kbps，如圖5(b)所示，在這種情況下，二極管同時發光和接收光。

圖5 通信性能測試

4 逆向光通信系統

將具有相同量子阱結構的量子阱二極管器件制備在同一塊芯片上，分別作為發光器件和接收器件，使用一個固定頻率的機械快門和一個銀鏡作為反射光調制器，共同組成自由空間逆向光通信系統，如圖6所示。

圖6 逆向光通信系統示意圖

當發射器件發射的光擊中銀鏡時，它會從鏡上反射回一個反向的光束。機械快門調節反射光，從而對信息進行編碼。分別使用DC直流信號、5 Hz方波信號、10 Hz方波信號作發射器件輸出，得到相應的接收信號如圖7所示。

圖7 發射器與調制器的疊加信號

用作接收器件的二極管吸收反射光，將光學信息轉換為電信號。光輸出隨著發射器件正向電壓的增加而增加，這引起了背景光的增加，此外，反射鏡以固定頻率反射回的光，也因發射器件輸出光的增加而增加，這增加了被調制的光電流的振幅，受這二者影響所產生的光電流是疊加關系。如圖8所示，隨著發射器件正向電壓從3 V增加到3.8 V，背景光電流的幅值由545 nA增加到1195 nA，反射光引起的光電流由12.5 nA增加到17.5 nA，其中接收器件偏置為零。單陣列集成的氮化鎵二極管與接收器件同側使用，吸收反射光產生疊加信號，利用自干擾抵消方法可以有效地解碼。

圖8 接收器的光電流與發射器電壓的關系

5 結束語

本文基于氮化鎵量子阱二極管的發射光譜和光探測譜存在重疊區這一物理現象，將兩個相同量子阱結構的二極管采用兼容制造工藝集成在一塊芯片上，分別作發射器件和接收器件，研制了氮化鎵量子阱二極管芯片。

與傳統通信系統相比，采用可見光通信，可以發揮其抗干擾能力強、傳輸速率高、保密性強等優勢，實現了通信感知一體化，使得系統高度集成，體積更小。將其應用在音頻雙工通信、光學，對于未來6G通信具有重要的意義。