白光LED具有低功耗、高亮度以及良好的线性度等优点,作为无线光通信的发信端相比传统射频具有突出的优势,光源至今已有RGB组合或蓝光芯片与荧光粉结合等种类^{[1, 2]}。调制技术也由开关键控(OOK)调制向脉冲位置调制(PPM)等发展^[3],复用技术包括波分复用^[4],频分复用^[5],多输入多输出正交频分复用(MIMO-OFDM)^[6]等,已有不少研究成果。LED光通信速率已由最初的Mbit级别提高到现在的Gbit级别^[7]。目前LED照明通信已取得突破性进展,高速通信调制系统研制成功标志着LED照明通信开始向产业化发展。随着光刻等半导体生产技术的不断提高,集成器件的尺寸也越来越小,上述系统必然会被进一步集成。目前,复旦大学采用光波分复用和子载波调制,已实现双向无线光通信,可实现575 Mbit/s的RGB LED上行链路通信和300 Mbit/s 的基于荧光粉LED下行链路通信,通信距离66 cm,误比特率在硬判决前向纠错时限制在3.8×10^-3以下^[8],但其损耗大、复杂性高、设备庞大,因此,双向无线双工光通信亟需低功耗且紧凑简易的装置。

本文提出了一种双向照明通信集成芯片,其上有蓝光LED和GaN PD芯片。利用蓝光通信链路和紫外光通信^{[9, 10]}链路构成双向通信,同时降低串扰。采用串口通信协议和简易OOK调制解调装置对集成芯片进行单向、双向光通信测试及分析。 1 系统设计 1.1 集成芯片封装结构

集成芯片支架采用3 W大功率LED 6引脚支架,6个引脚各自隔离,直径3.5 mm的支架铜座通一圆孔,孔直径1 mm,置GaN PD于圆孔处,调整蓝光LED位置远离圆孔。蓝光LED和GaN PD除了有公共的衬底,在电路上相互隔离。

紫外光源选取峰值波长365 nm的大功率LED灯珠(首尔半导体,CUN6AF1B)。蓝光LED光谱峰值波长450 nm,工作电流20 mA。GaN PD响应光谱峰值约为365 nm,截止波长约为370 nm,在365 nm和450 nm处峰值比为10²。较大的峰值比使得同时进行可见光和紫外光通信在理论上可行,同时GaN PD对室内可见光不敏感。

系统组件如图 1所示:同轴线上从左往右依次为硅光电二极管、紫外滤波片、集成芯片灯珠、石英双凸透镜、紫外光源,工作距离15 cm。实验时使紫外光源发送信号,同时测试在蓝光LED点亮、熄灭或调制光信号情况下GaN PD的响应波形。由于GaN PD光电流较小,容易受影响,故紫外通信质量为讨论重点,蓝光LED的可见光通信解调不再赘述。

图 1

Fig. 1

图 1 测试系统 Fig. 1 Test system

图 2为支架内集成芯片的示意图:左侧的蓝光LED向上发射蓝光,紫外光线垂直入射到右侧的特殊结构紫外GaN PD底面,两个二极管之间距离d为1 mm,GaN层为未掺杂半导体层。与以往n-GaN和n⁺-GaN传统结构不同,此处使用n型掺杂和未掺杂的GaN来形成肖特基结。此时,n-GaN与金属接触为欧姆接触,GaN与金属接触为肖特基接触。n型欧姆接触用蒸发沉积Ti/Al/Ti/Au形成,LED上的p型欧姆接触通过溅射沉积Ni/Ag得到,肖特基接触通过蒸镀Ni/Al/Ti/Au得到,该类型GaN PD对波长370 nm以上的可见光几乎无响应。GaN PD和蓝光LED在同一个外延片上制作,一方面保证LED的质量,另一方面延续生产的流畅性。

图 2

Fig. 2

图 2 支架内集成芯片示意图 Fig. 2 Structure of the integrated chip in the lead frame

为了测试集成芯片性能选择简便的OOK调制。调制电路如图 3所示,“PC”为电脑端,“MAX232”模块为串口电平转换电路,“转换电路”模块为驱动电压转换电路。

图 3

Fig. 3

图 3 调制电路连接图 Fig. 3 Modulation circuit connection diagram

发送信号控制三极管工作于饱和与截止状态,实现对紫外光源、蓝光LED的调制。为了让紫外光源恒流工作电流达到300 mA且不发送信号时处于常亮,需要将信号电压升压和反相并采用9 V的电源电压。图中转换电路由比较器组成,完成升压反相功能。通信软件选择串口通信助手,发送信号经MAX232转化为TTL电平,控制调制。设置发送波特率9 600 bit/s。 1.4 恢复电路

接收到的微弱光电流经前置放大器放大,转换为电压信号,主放大器对电压再放大以利于滤波器滤除杂波,最后由比较器恢复波形。前置放大器我们采用了SR570,将电流信号转换为电压信号;波形恢复中主放大器使用MCP6022芯片,将电压信号放大;最后使用LM393比较器正向输入比较,电位器调节参考电压,最终恢复波形。恢复电路如图 4所示。

图 4

Fig. 4

图 4 波形恢复电路 Fig. 4 Waveform recovery circuit

用半导体分析仪测量了在蓝光LED不同工作电流下,GaN PD两端偏置电压为0~20 V时电流的大小变化曲线,如图 5所示GaN PD在紫外光照射下熄灭蓝光LED的IV曲线和蓝光LED工作电流密度变化下的IV曲线及暗电流IV曲线。

图 5

Fig. 5

图 5 GaN PD两端反向IV曲线 Fig. 5 Reverse IV curve of the detector

GaN PD两端反向电压变化范围0~20 V,可以看出反向电流都有随着蓝光LED的工作电流增大而增大的趋势。芯片结构(见图 2)中部分蓝光向GaN PD出射,光子被吸收到一部分,以及GaN材料都会吸收到LED的蓝光。目前为止,这种吸收造成的干扰无法排除,只有增大紫外光源的光功率,或者重新设计芯片结构,增加光学隔离层才能减少蓝光吸收对紫外通信的影响。

电脑端发送字母“a”,GaN PD电流经前置电流放大器SR570放大转换后,用示波器同时观察发送信号和接收信号波形。图 6给出了调制信号与探测信号的波形,对比两个波形可以看出,接收信号受调制电路带宽影响有些畸变,但响应速度较好。

图 6

Fig. 6

图 6 调制信号(上)和接收信号(下)波形 Fig. 6 Waveforms of the modulating signal(above)and the received signal(below)

将蓝光LED恒流点亮,工作电流12 mA。让紫外光源发送信号,通过MAX232把接收信号传送至第二台电脑,观察串口通信助手接收区情况。发送端发送单个字母时,接收端接收的误比特率可达到10^-6以下。

该系统还可完成传送图像功能,串口助手启用文件数据源,如图 7所示,接收端数据转向文件,文件类型事先设置为与发送端一致的jpg格式,图片大小5.7 kbit,发送完毕,接收端打开文件,图 8为“学校LOGO.jpg”传输结果。

图 7

Fig. 7

图 7 发送端选择发送文件 Fig. 7 File selection in the transmitter

图 8

Fig. 8

图 8 接收端接收到正确文件 Fig. 8 Receive the correct file

该实验说明在保证紫外GaN PD正常工作,且蓝光LED恒流工作,无意外抖动和断路的情况下,可以实现单向照明通信。

调制蓝光LED,设置与紫外光源调制相同的发送波特率,紫外光源发送目的信号“a”字母,蓝光LED发送“j”字母作为噪声。GaN PD接收结果分为3组,分别对应蓝光LED工作电流密度84.8 mA/mm²、 168.0 mA/mm²、288.0 mA/mm²。图 9(a)、(b)、(c)是蓝光LED恒流工作,不发送噪声下GaN PD输出,显示的均为“a”字母的波形。图 9(d)、(e)、(f)是调制蓝光LED发送噪声时GaN PD的输出,显示为噪声与目的信号叠加。

图 9

Fig. 9

图 9 不同蓝光LED工作电流下GaN PD输出信号 Fig. 9 Outputs of detector working under lighting LED in each case

对比图 9(a)、(b)、(c)可看出暗电流的增大对于紫外通信的质量没有明显的影响。这是因为暗电流恒定增大,反向电流总和增大,两者的差值即光电流不变,故不会影响通信质量。而图 9(d)、(e)、(f)中出现的波形为“j”字母的信号波形,结果说明紫外通信目的信号被淹没在噪声中。

将蓝光LED工作电流密度设为2.8 mA/mm²时,单向紫外通信接收端接收到“a”字母,误码率在10^-6以下,见图 10(a)。调制蓝光LED发送“j”字母干扰源,如图 11所示,上方为“j”原波形,下方为硅光电二极管光电流放大后信号。由图可知波形除了背景噪声未有任何明显“a”波形痕迹,且紫外GaN PD光电流较小,不足以影响蓝光通信。图 10(b)为GaN PD接收信号恢复的“a”波形,波形中也没有明显受蓝光LED调制信号影响的痕迹,但误码率为10^-3。

图 10

Fig. 10

图 10 接收信号和波形 Fig. 10 Received signal and waveform

图 11

Fig. 11

图 11 蓝光LED调制信号波形(上方)与硅光电二极管接收到的波形(下方) Fig. 11 Modulating signal for the blue LED and the waveform received by silicon PD

对可见光响应的原因有两种:(1)内光电效应吸收(IPA)电流和体光生电流;(2)由于金属和u-GaN接触面的表面捕获到电子导致肖特基势垒降低,以及外加电场下镜像力增大,使得电流增大。响应度R的表达为

由于双向通信质量也受制于GaN PD中缺陷情况,缺陷越多则对非紫外光子吸收越强,暗电流增大,光电流不变时,后续恢复电路对器件要求很高。蓝光LED与GaN PD距离很近,当蓝光LED工作电流超过一定数值,由于缺陷吸收产生的电流将严重影响通信质量,故提高外延片的质量为改进集成芯片性能的第一步。 3 结 论

本文使用简单的OOK调制和解调方法对蓝光LED和紫外LED进行通信调制,证实了蓝光LED和GaN PD的集成芯片可以实现照明通信。在保证蓝光LED和GaN紫外GaN PD正常工作的情况下,GaN紫外GaN PD具有对室内光良好的抗干扰性,可以实现单向照明通信即蓝光LED恒流照明同时紫外光路通信。由于GaN PD对蓝光有一定吸收,造成双向通信时不能供给蓝光LED过大电流,否则通信失败。对于这种集成芯片,可以在几个方面进行优化:(1)提高外延片质量;(2)改变GaN PD位置及其半导体层厚度,或增加反射层,以减少GaN PD对毗邻LED光的吸收;(3)增大GaN PD两端反向电压等等。