Page 43 - 网络电信2020年11月刊上
P. 43

2020年以来，可见光通信作为新一代无线通信技术，是我                          1．超薄LED 性能及优势
            国“十三五”重点发展的信息技术之一，因此得到了蓬勃的发                              衡量系统能否进入实用阶段的关键在于是否有发光效率更
            展。现今COVID-19病毒肆虐，很多人员密集的场所都具备潜在                      高、响应速度快的LED，以满足网络节点间的通信，发光效率直
            的危险性，如公交、ATM机、电梯等封闭式场所。光通信的手段                        接影响到节点距离，响应速度直接影响到系统的上限速度。
            在减少病毒传播方面更有用武之地，因为它作为一种新技术，                              面向高速远距离网络光互联的性能需求，LED器件要同时满
            有着诸多优点，如高速、无线、非接触等，这就要求光互联系                          足开关速度快和出光效率高两种约束条件。现有的LED出光率可
            统接下网络节点互联改革的使命，利用超薄LED器件及高灵敏度                        能达到很高，但速度略有不足，很难在市场上找到一款专用于
            PD  组合的搭配，让非接触式光互联逐渐进入人们的生活，以                        高速通信的，同时考虑到出光效率的成熟LED芯片。因此要实现
            降低细菌传染的可能性。这也与近年来LED行业的发展密不可                         本文的光互联系统，必须从LED的物理特性及机制出发，对LED
            分，高亮度照明LED的推广和普及为LED器件本身物理性质的研                       的器件结构进行重新设计，提升LED器件的电光转化效率，增加
            究和创新创造了重大发展机会，随着下一代可见光通信技术的                          LED器件的开关响应速度。利用这种方法制作的LED  芯片可以在
            提出，众多基于此技术的产品如雨后春笋一样应运而生，如基                          保持较高亮度的过程中同时掺杂快速的发送开关信号的功能。
            于LED  的可见光通信     ［1］ 、功率提升上的研究       ［2］ 、3D建模应用         因此，本文引入基于硅基氮化镓晶圆实现的基于背后工艺
            等 ［3］ 。日本启动的“21  世纪照明计划”、美国能源部的“下                    的超薄氮化镓基LED悬空薄膜器件，图1是超薄氮化镓基LED  悬
            一代照明计划(  NGLI)”以及欧盟的“彩虹计划”都极大推动了                     空薄膜器件的剖面图。这是一种利用深反应离子刻蚀技术剥离
            LED照明市场在全球规模的迅速增长。中国跨部委的半导体照明                        硅衬底，并利用快速原子束刻蚀技术从背后减薄氮化镓外延层
            工作小组启动了“国家半导体照明工程”，该工程也有力地推                          的器件，通过这两种技术，可以将厚度为4．9μm的氮化镓外
            动了LED 产业的发展。随着LED 性能的不断提升，MQW二极管本                    延层减薄至600nm左右。LED悬空薄膜整体变形程度随薄膜直径
            身具备的同质集成效应逐渐进入人们的视野，这个物理现象一                          的增大而增大，随着薄膜厚度的减小而减小，且整体呈现中央
            提出便得到了越来越多的应用，发现利用光实现网络间节点的                          凸起边缘平滑的拱形变形。经过背后减薄使得薄膜干涉模式数
            互联不仅仅保留了传统的高速性能，而且在非接触、设备体积                          少，便可更容易地导出LED  有源层产生的发射光。本研究工作
            小、布线方便和保密性等各方面，较之传统的光纤互联都有着                          实现了厚度小、面积大、总体变形程度小、光学性能优良的LED
            显著的优势。                                               悬空薄膜，这为氮化镓基LED  器件在本文的光互联系统的应用
                这种新型技术所带来的不仅仅是扼制病菌的传输，它还具                        开辟了可能性     ［4］ 。笔者的系统在亚波长理想LED  器件上也运行
            备更为高速的控制方法和更为保密的通信手段。同样，可见光                          成功  ［5］ ，但考虑到系统的热效应与体积等因素，采用了优点更
            也具备一定的优越性，可见光波长范围为380～780nm，其光波                      为明显的薄膜结构。
            频率高，可承载能力强，所占带宽是射频带宽的2000倍以上，
            而且免频谱申请，这对于在日益拥挤的无线频谱资源的背景下                            图1 超薄氮化镓基LED悬空薄膜器件
            具有重要的意义，因此实现大容量数据传输成为可能;  光波具
            有良好的方向性，当光信号被第三方拦截时，接收方能及时发
            现通信链路故障，易于保密;  光波波长较短，所以收发天线
            短、体积小型化。基于可见光的各种优势，光互联系统打破光
            纤网络节点互联的桎梏，以LED本身的物理性质，结合高灵敏度
            接收及高速FPGA  处理模块，使得它能够很好地满足未来无线高
            速互联的效果，即它完全可以取代现有光纤，这是系统的创新
            所在，它可以实现隐蔽高速的信息追踪、点对点的高度保密性
            和隐蔽性，以及体积的小型化，让它成为未来互联网节点互联
            的一个趋势。
                本文基于超薄LED和可见光通信技术，实现了一种新的网
            络互联手段。正文主要分为两部分，第一部分主要阐述超薄LED                            实验室通过中试流片，将超薄LED芯片应用于本文的光互联
            芯片的物理性能及应用于本系统的优势、系统中所用的高性能
                                                                 系统中，取得了成功。利用薄膜器件，能够实现FPGA内部千兆
            硬件电路设计及自主创新的FPGA  软件设计。第二部分主要阐述                      网口的无线光互联，并且发光效率得到显著提高，扫描速度可
            基于此设计，针对光互联系统进行数据与性能分析。
                                                                 达μs  级，从而大大增加了系统的传输速度。为了更好地契合
                                                                 系统，需要从大量LED芯片中选取更优性能的芯片，因此要对它
                一、核心技术                                           的几个参数进行测量。
                光互联系统关键技术的实现分为3个方面，超薄LED的制备                          图2是系统暂时选用的悬空薄膜LED器件光镜图。另外，为
            是光互联系统之所以可以无线高速通信的硬件基础;  硬件电路
                                                                 了明确硬件系统的选型，显然需要对器件的I-V  曲线和I-t  曲
            是LED和PD之间建立光通信的前提;  软件的编写是信号高速处                      线进行测量，以便设置合适的扫描电压。
            理的必要条件，更是系统综合管理和能进行高效传输的重要途
            径。

                                                       网络电信 二零二零年十一月                                           67
   38   39   40   41   42   43   44   45   46   47   48