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陽明交大研究者發(fā)表Micro LED于可見光通訊應(yīng)用新成果

字體變大  字體變小 發(fā)布日期:2021-06-28  來源:陽明交大  瀏覽次數(shù):1278
核心提示:近日,由雷曼光電打造的珠海屏王,珠海傳媒風(fēng)行加建銀都酒店戶外大屏正式亮屏,成為灣區(qū)輻射人群最廣、珠海面積最大、地理位置最佳、傳播視覺最強(qiáng)的戶外LED傳播媒介,刷新了粵港澳大灣區(qū)戶外廣告價(jià)值新高度。

可見光通訊(Visible light communication, VLC)是一種新興的無線通訊技術(shù),可成為室內(nèi)無線通訊如Wi-Fi的替代方案,由于許多無線通訊頻譜已被占用,可見光通訊能有效地利用空白的頻譜資源,以緩解5G及物聯(lián)網(wǎng)(IoT)所使用擁擠的通訊頻譜。

在能源損耗的問題上,使用生活中用來照明的燈光作為VLC系統(tǒng)中傳輸資料工具,必能減少不必要的能源消耗,由此可見VLC在未來肯定也是節(jié)能的一大關(guān)鍵。VLC的潛在應(yīng)用還包括了汽車和航空航太、室內(nèi)網(wǎng)路以及行動(dòng)定位服務(wù)等。舉例像是在室內(nèi)的商業(yè)辦公室中,使用VLC可以得到比現(xiàn)今更快速的資料傳輸速度;或是支持IoT的連接設(shè)備日益增多,需要VLC所提供的高速連接來發(fā)送和接收即時(shí)更新。

因此,Li-Fi的重要性已非常顯著,未來若達(dá)到Li-Fi的普及,不管是路燈、大型看板、紅綠燈及室內(nèi)照明等與LED相關(guān)的應(yīng)用皆可成為網(wǎng)路傳輸?shù)陌l(fā)射源,如圖一(a)為可見光通訊在未來5G世代的實(shí)際應(yīng)用場景。并通過植入芯片網(wǎng)路接入點(diǎn),控制光源發(fā)出高速訊號,來控制終端接收器的網(wǎng)路傳輸,如圖一(b)VLC之工作原理。

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  可見光通訊可由雷射或LED作為系統(tǒng)的光源及發(fā)射端,扮演著傳輸與照明的角色,其中LED具有對人眼較安全、無須頻譜使用許可等優(yōu)點(diǎn),更適合作為VLC系統(tǒng)的光源。

在常見的紅、藍(lán)、綠三色LED中,綠光LED因受限于材料特性的影響,在頻寬的表現(xiàn)上仍有很大的進(jìn)步空間,但綠光LED在塑膠光纖通訊和水下無線光通訊具有較大的優(yōu)勢,因?yàn)榫G光在塑膠光纖和海水中的損耗較小。

一般而言,傳統(tǒng)大尺寸的LED(40 mil)僅能達(dá)到數(shù)10 MHz的頻寬,無法達(dá)到較高速率的傳輸。因此,可以通過縮小芯片尺寸的方式即Micro LED來提高傳輸速率與通訊品質(zhì)。

陽明交通大學(xué)(簡稱“陽明交大”)的郭浩中講座教授、鄒志偉教授與美國耶魯大學(xué)的韓仲教授團(tuán)隊(duì)共同合作,由韓教授的團(tuán)隊(duì)開發(fā)適合高速半極化LED的磊晶片,并由郭教授的研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行Micro LED芯片的設(shè)計(jì)與制作,最后由鄒教授的研究團(tuán)隊(duì)完成通訊性能的開發(fā)與驗(yàn)證。

為了解決芯片縮小因表面缺陷造成LED光電特性不佳的問題,郭浩中教授研究團(tuán)隊(duì)導(dǎo)入原子層鈍化沉積技術(shù)(Atomic layer deposition, ALD)來提升元件輻射復(fù)合的效率,減少漏電流的產(chǎn)生,開發(fā)出高性能的高速綠光Micro LED元件。相關(guān)研究成果發(fā)表于2020年被頂尖光電期刊《ACS Photonics, vol. 7, no. 8, pp. 2228-2235, 2020》。

郭教授提及:“過去本研究團(tuán)隊(duì)在半極化綠光Micro LED研究成果實(shí)現(xiàn)高達(dá)756 MHz頻寬,是綠光LED中已知最 好的成果。今年我們更是通過元件設(shè)計(jì)與制程上的改良來提升頻寬,最終實(shí)現(xiàn)大于1 GHz的頻寬。”

此外,負(fù)責(zé)光通訊系統(tǒng)架設(shè)的鄒教授研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)適合用于綠光Micro LED元件的正交分頻多工(Orthogonal-frequency-division-multiplexing, OFDM)調(diào)變技術(shù),初步地在距離25公分的空氣中進(jìn)行訊號的傳輸與接收,16-QAM和8-QAM的星座圖如圖三(a)所示,達(dá)到大于3 Gbit/s的傳輸速率且符合前向錯(cuò)誤更正的標(biāo)準(zhǔn),上述研究成果也在光通訊領(lǐng)域權(quán)威的光纖與通訊研討會(huì)上公開發(fā)表《2021 Optical Fiber Communications Conference and Exhibition (OFC), IEEE, 2021》。

為了更進(jìn)一步提高傳輸速率,鄒教授的研究團(tuán)隊(duì)導(dǎo)入了更高級別的位元和功率負(fù)載正交分頻多工調(diào)變技術(shù),同樣在滿足前向錯(cuò)誤更正的標(biāo)準(zhǔn)下實(shí)現(xiàn)大于4.3 Gbit/s的傳輸速率,是目前已知的綠光LED中最 高速的傳輸速率,如圖三(b)所示。相關(guān)研究近期也被期刊《IEEE Photonics Journal》接受。

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  圖二、(a) 在VLC系統(tǒng)中使用正交分頻多工調(diào)變技術(shù)之架設(shè)圖;(b) 半極化綠光Micro LED陣列在不同電流下的頻率響應(yīng)。

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  圖三、(a)功率負(fù)載的量測圖及16-QAM和8-QAM
的星座圖;(b)經(jīng)由調(diào)變技術(shù)后綠光LED傳輸速率之比較圖。

該團(tuán)隊(duì)在綠光Micro LED的研究成果展示藉由磊晶制程改善材料特性、Micro LED芯片設(shè)計(jì)與鈍化制程的開發(fā)及通訊調(diào)變技術(shù),突破了綠光LED因材料特性而無法實(shí)現(xiàn)高頻寬的困境,這些成果也受到國際學(xué)術(shù)界的肯定,意味著可見光通訊的來臨指日可待。

 
關(guān)鍵詞: Micro LED 陽明交大
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