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使用UV-A、UV-B和UV-C MicroLED进行10Gbps波分多路复用

MicroLED.cn 技术文章 2022-03-28 21:23:17 40716 0 | 文章出自:proquest MicroLED

深紫外(DUV)光无线通信近年来受到越来越多的兴趣。然而,由于较低的调制带宽和/或源的输出功率, 报告的DUV数据率仍然显著低于可见波长下的可比演示。在这里,我们提出了一个波分多路复用演示,使 用三个紫外微发光二极管发射的标称峰值波长分别为285、317和375nm,每个发射面积约为1369μm2(相 当于直径为~40μm的圆形器件像素)。采用正交频分复用技术,其数据速率分别为4.17、3.02和3.13Gbps 分别为285、317和375nm器件,在0.5m的距离上传输的联合数据速率为10.32Gbps。

  1. 介绍 光无线通信(OWC)作为预测面临射频(RF)通信[1,2]的“数据紧缩”的可能解决方案已受到广泛关注。电磁光谱的可 见光和紫外区域是无许可的,到目前大部分未被利用,因 此,提供了额外的频率带宽来补充射频通信。 紫外线(UV)通信是OWC的一个重要新兴领域,因为它可 以广泛用于应用,如安全通信和非视线(NLOS)通信。在深 紫外(DUV)波长,即UV-B(280-315nm)或UV-C(100-280nm) 光谱波段工作的一个显著好处是,这些波长的阳光被上层 大气吸收,为陆地DUV通信[3]形成一个基本上无噪声的环 境。此外,它还有利于安全的卫星间通信,因为天基紫外 线信号被地面观测者所掩盖。紫外线也很强烈 通过空气分散,允许NLOS无线光通信在物理障碍,如建筑 物。这是由于瑞利散射的强度与λ成反比4,其中λ是光 的波长,因此短波长的紫外线被空气散射比可见波长强得 多。这一特性可以帮助支持通过大气中的NLOS无线光通信 ,放松对收发器指向和跟踪的限制,并允许克服可能阻碍 LOS链路的建筑物等物理障碍。 紫外线源最近有了显著的改善。以前,具有kHz光调制 带宽的汞灯是可用的主要来源,这意味着不可能实现高数 据率。这些来源也体积庞大,脆弱,并含有有毒物质。 DUV激光器也因其高带宽和高功率的[4]而引起了人们的兴 趣。然而,它们的高定向发射和眼睛安全要求[5,6]以及 在制造波长低于315nm的激光二极管方面的挑战阻碍了它 们在现实应用[7]中的广泛采用。

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在另一方面,随着半导体材料质量、输出功率和效率的提 高,紫外发光二极管(led)正成为各种应用的选择来源 ,包括灭菌和紫外光通信。 在这项工作中,我们使用 微米尺(<100μm)led(μLEDs)作为光学发射机。随着高 分辨率显示器[8]和可见光应用[9,10]等最近的发展, 这种μLEDs引起了人们的兴趣激增。与传统的大面积 led相比,μLEDs用于光通信的主要优点是其高带宽。 由于其体积小,μLED电容较小;因此,它们的带宽受 到载流子寿命的限制,而不是像传统led[11]那样具有 较大的RC时间常数。这允许更快的调制,与带宽超过 650MHz被报告为[12],而传统的LED约为10MHz。单个可见 发射μLEDs的数据速率已接近10Gbps[12];然而,迄今为 止,UVμLEDs的相应速率被限制在2Gbps[13]左右,主要 是由于这些波长的输出功率相对较低。 本文利用三个紫外μLEDs技术,其峰值发射频率分别为 285、317和375nm。波分复用允许光学数据在不同的波长 波段单独编码,并并行传输,以提高吞吐量。采用正交频 分多路复用(OFDM)和正交调幅(QAM)编码,数据速率为4。 17、3.02和3。从285、317和375nm的μLEDs中分别显示了 13Gbps,在0.5m上传输的总数据速率为10.32Gbps。据我 们所知,这是迄今为止使用紫外线报告的最高数据率 这是WDM首次被用于跨紫外光谱的OWC。

2. μLED设备 在本研究中,我们制备了三个在UV-C(285nm)、UV- B(317nm)和UV-A(375nm)区域内的μLED阵列。c平面蓝 宝石衬底。晶圆结构的细节 对于UV-C和UV-A器件,可以在我们之前的工作中找到[14- 16]。UV-B晶圆是由智信半导体有限公司定制制作的。有限公 司在2英寸。蓝宝石衬底晶片包含一个2000nm厚的AlN缓冲 液,一个1000nm厚的未掺杂AlGaN层和两个500nm掺杂的 AlGaN:Si层,Al浓度分别为50%和55%。活跃区域包含多 个量子井(MQW)区域和由AlGaNAl的浓度为15%/40%,50纳 米厚的电子阻塞层(EBL)AlGaN:镁铝组成50%,,最后, 300纳米p掺杂区域氮化镓:镁和10纳米厚氮化镓:毫克p 接触区域。 这些μLED阵列的设计和制造过程与我们之前的工作[17] 中报道的相似。如图所示。1、每个阵列由8个梯形的 μLED像素组成,每个像素的发射面积为1369μm2,其面 积相当于直径为~40μm的圆盘状像素。梯形像素在参考文 献中首次报道。[17],推测其形状增加了表活面积比,从 而使更有效的散热。然后将制备的阵列连接到印刷电路板 上进行进一步表征。 光输出功率与电流(L-I)和电流与电压(IV)的关系从 每个设备的代表性像素中进行测量。IV特性使用横河 GS610源测量单元进行测量,L-I特性通过将像素放置在校 准的ThorlabsS120VC功率表头附近来进行测量。结果如图 所示。2. 每像素的最大输出功率约为0.48,0。UV-C、UV-B和UV-A 器件分别为14和1.32mW。最有效的器件是UV-A,这是意料 之中的,因为这种材料技术是最成熟的,而且缺陷等问题 被最小化。UV-B器件相对较低的输出功率可能是由于在这 些波长下相对缺乏材料的发展,因为目前还没有在这个范 围[18]内发射的led的大容量应用。 UV-C、UV-B和UV-A器件在10mA时的正向电压分别为18.4 、22.0和4.4V。

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图1.(a)自上而下的微图像的显微图像表示,显示8个同心和单独寻址的像素。(b)UV-C像素在运行中。

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图2.器件在UV-A、UV-B和UV-C波长下的L-IV曲线。

UV-B和UV-C器件的较高开启电压可归因于AlGaN层的导电 导率较差,导致较低的载流子注入[18],并难以在较高的 铝摩尔分数下产生低电阻欧姆接触。这些都是DUV材料中 普遍存在的问题,在文献[5,19]中也报道了具有较高开启 电压的器件。 利用光谱仪和光纤(AvantesAvaspec-20482光谱仪和海 洋光学QP600-2SR-BX光纤)测量了器件的电流函数光谱图 。3).在10mA条件下,每个器件的峰值波长分别为281.7、 316.5和373.4nm。 随着电流的增加,器件的光谱显示出不同的红移。这表 明加热效应在UV-C器件中是一个更突出的问题,随着电流 从0增加到30mA,峰值波长从3.5nm(从281nm转移到 285.2nm)。.7这种位移在其他设备中并不那么明显,位移 为1。在0-12mA的电流范围内,记录2mA和1。在UVA器件中 记录了16nm,在与UV-C器件相同的电流范围内。测量的光 谱有助于告知在波波复用中将使用哪些滤波器和镜,这将 在第3节中讨论。我们注意到,两者之间有光谱重叠,UV-C和UV-B器件,这可能导致这些WDM通道之间有一定程 度的串扰。 最后,使用雪崩光电二极管(APD,滨松C5668 8867)测 量器件的频率响应,带宽范围为100kHz到1GHz,遵循类似 的程序,如我们之前的工作[16]所述。每个设备的−3db电 对电(E-E)带宽的值从记录的频率响应作为电流的函数得 到。传统上,当在对数频率尺度上绘制时,LED的频率响应 应该在低频时呈现平坦,然后在一定的截止频率以上逐渐 下降。然后,通过寻找LED的响应比响应曲线的平坦低频 部分低−3dB的频率,就可以简单地得到−3dB的带宽。然而 ,UV-B和UV-C器件表现出频率响应行为,其响应最初上升 到一个宽峰,然后逐渐滚动,如图所示。4.这使得估计设 备带宽的过程变得复杂。我们初步将这种行为归因于来自 线键和包装以及μLEDs本身的寄生阻抗的影响。 我们的方法是任意地将响应设置为1MHz作为低频参考 ,并将μLED带宽定义为响应下降到该点以下−3dB的频率 。如图所示。4.这使得μLED带宽与电流的一般行为可以 被估计,尽管它使其他地方报道的μLED带宽的类似比较 具有挑战性。结果E-E带宽作为所有设备的电流的函数显示 在图中。5. 相应的E-E带宽分别为960、780和140MHz。值得注意的 是,APD的带宽(1GHz)接近于UV-B和-C的μLEDs,因此, 可能影响了估计的带宽。迫切需要进一步开发高带宽的 UV/DUV敏感的apd,以促进μLED设备的全面测量,如本文 所报道的那些。与UV-A器件相比,UV-B和-C器件具有较高 的调制带宽和较低的输出功率。

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图3.三种器件在10mA处的EL光谱。

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图4.在20mA时测量的UV-CμLED的频率响应(黑色)。1MHz的 响应(由蓝色水平虚线表示)被用作低频参考点来估计E- E−3dB带宽(由红色十字准星表示)。

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图5.电气带宽响应与电流的关系。 可能归因于较高的缺陷密度,从而增加了较短波长的非 辐射复合。这将导致更低的载波和更高的输出功率和带 宽。我们推测的饱和和减少带宽的UV-B和UV-C,分别可 能归因于设备加热和热效应等载流子溢出减少载流子密 度,从而增加平均载流子寿命和减少带宽[20]。

3 . wdm实验装置 WDM光学装置由三个紫外μLED阵列和两个长通二向色镜 组成,切割波长为355nm(SemrockDi01-R355-25×36)和 300nm(Alluxa8113,300LP二向色)。这些反射镜的透射 光谱如图所示。6,以及在10mA处各自的器件光谱。利 用反射镜将来自三个μLEDs的光组合成一个共同的光路 ,如图所示。7.这些组件连接在一个光机械笼系统中, 阵列安装在手动可调的舞台上,以促进优化对齐。在 μLED发射光谱中,作为电流的函数的相对较小的变化 并不是被发现在区分频道方面会造成任何重大问题。 每个μLED阵列的发射使用单独的2in。直径镜头[埃德 蒙埃ptics84340,焦距40mm的UV-C和UV-BμLEDs,索拉布 斯ACL50832U-A镜头(NA=0。76)UV-A]。三个双biastee(泰 克PSPL5675A,一个迷你电路ZFBT-4R2G,和迷你电路 ZFBT6GW-FT+)为像素提供射频调制信号和直流电源。采用 钥匙视M8195A任意波形发生器(AWG),峰间电压250mV,采 样率65GSamples/s,模拟带宽25GHz,垂直分辨率8位,提 供调制信号。图7显示了实验布置的示意图。 我们使用了一个MATLAB代码来生成dc偏置光学(DCO)- OFDM数据,这与我们之前的工作类似[16,21,22]。该代码 允许对设置的性能进行评估和控制,如峰值电压、OFDM信 号裁剪、调制带宽、子载波数、循环前缀(CP)长度,以及 自适应比特和能量加载算法的目标比特误码率(BER),这 决定了最终获得的数据率。在传输OFDM信号之前,我们使 用一个正弦波形来寻找一个合适的偏置点,并避免任何严 重的非线性失真或饱和。在分析性能后,使用以下参数: CP长度为20,归一化剪切水平设置为信号标准差的3.2, 对应的PAPR为10。1 dB, FFT大小为2048,训练长度为1504QAMOFDM帧。 接下来,执行一个信道和信噪比(SNR)估计过程,其中 4个QAM符号作为导频信号被提供给所有的子载波。经过 FFT(快速傅里叶变换)操作后,将检测到的符号与原始 导频符号进行比较,以估计每个子载波的信道增益和信噪 比。信噪比信息允许使用自适应比特和能量加载算法[12] ,它选择了最合适的QAM星座和传输功率 对于每个副载波,以便最终实现的误码率将保持一致 边缘到一个预定义的阈值,从而最大化可实现的数据率。 接下来,传输有效载荷OFDM信号。根据自适应比特和 能量加载结果,定义了每个子载波上的QAM星座和功率控 制。在接收端,使用估计信道对检测到的频域符号进行等 等。最后,对均衡后的符号进行解码,并与原始二进制位 进行比较,进行误码率计算。这里使用的误码率目标是3 。8 × 10−3,因为这个值允许使用转发纠错码来提供几 乎无错误的通信与7%的开销。 在WDM实验中,每次用一个OFDM信号来调制一个μLED, 而代码同时在其他两个μLED信道中产生干扰信号,以模 拟一个具有多个并行数据流的真实系统。此外,将三个放 大器(一个SFHS126A和两个微型电路FL1000LN+放大器)连 接在AWG和偏置TEE之间,以放大射频信号。

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并增加了信号调制的深度。SFHS126Aam-放大器,增益 为29dB,被连接到μLED发送所需的OFDM信号。接收器 位于距离发射器0.5米处。根据参考文献。[23],在这 些波长下的吸收和散射系数在0左右。1–0.3 km− 1, 这意味着,在这个传输距离下,吸收和散射效应可以被 认为是不可忽略的。特别是,这意味着三个选定的WDM 波长在远远超过几十米范围内的散射实际上没有差异。 单个1英寸。使用透镜(ThorlabsLA4052,焦距35.1mm) 将接收到的信号聚焦到接收机上。使用滑动滤波器支架 (ThorlabsCFS1/M)安装三个滤波器(SemrockFF01 280/20-25,Envin308nm带通滤波器和 EdmundOptics34299 350 nm长通滤波器),并选择感兴 趣的通道。最后,使用一个具有1GHz带宽的APD(滨松 C5668 8867)作为探测器。与该领域[24]中常用的多重 检测器方法相比,该配置中只使用了一个检测器。做出 这个选择是为了简化设置。该探测器连接到一个示波器 (KeysightMXR608A:采样率,16GSamples/s;模拟带宽 ,6GHz;垂直分辨率,10位)和一台笔记本电脑捕捉接 收到的波形用于离线处理。由此,可以确定信噪比、误 码率(BER)和每个信道的最大“无错误”数据速率,这 将在下一节中讨论。 4.实验结果 在进行主波分复用实验之前,研究了光学设置对单个器 件性能的影响。评估一次只有一个信道工作的单个信道 的性能,并与接收机前面和没有滤波器的性能进行比较 。当应用滤波器时,由于光损耗,每个信道的信噪比都 有所下降 从过滤器。信噪比的下降转化为增加 在误码率中,从而降低了最大数据率。 有和没有有的每个通道的误码率与数据率 对应的接收机滤波器如图所示。8(a).UV-A设备的最大数 据速率为3.46和 3.有和不有滤波器分别为56Gbps。UV-B最大数据速率从没 有滤波器的3.4Gbps下降到3。滤波器15Gbps;UV-C相应的 下降从4.52下降到4。17 Gbps.我们注意到,在多载波传 输系统中,如这里所使用的,先进的均衡技术允许调制远 远超过设备的3dBE-E响应,如这里所示和在其他研究[25] 中所演示的。对于全波分复用配置,所有信道都被激活和 调制,一个信道传输随机比特流,其他信道产生随机噪声 ,描述了每个波分复用信道的信噪比。AWG在所有情况下 提供的峰间调制电压均为0.25V。放大后,每个μLED对应 的偏置电流如表1所示。如图所示。8(b)时,UV-B器件的 信噪比均低于其他器件。这是意料之中的,因为该设备的 功率输出明显低于其他设备。此外,UV-A通道的信噪比被 来自UV-B器件的光学串扰降低。这可以在未来通过改进的 接收机滤波器来缓解。图8(b)显示了大约1.30,1。通过对 UV-C、-B和-A通道的信噪比>为5dB,分别完成了10和 1.25GHz的通道带宽。每个WDM信道可用的大带宽允许使用 大量并行的OFDM子载波,并最大限度地提高可实现的数据 速率。每个波分复用通道的M-QAM星座图如图所示。9.如图所 示,UV-C、-B和-A通道使用的最大星座尺寸分别为32、16 和16,对应的BERs为1。12 × 10−4, 2.40 × 10−4,和1 。36 × 10−4.一个更大的星座可能是

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图8.(a)对单个像素应用滤波器时的误码率的比较。(b)WDM设置中设备的(b)信噪比。WDM设置中的三个设备的(c)误码率。(a)和 (c)中的虚线对应的误码率为3。8 × 10−3.

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用于UV-C通道,因为它具有比UV-A通道更高的调制带宽, 以及比UV-B器件更高的输出功率和信噪比。 记录的最大数据率为4。17、3.02和 3.UV-C、-B和-A器件分别为13Gbps,如图所示。8(c).表1 还给出了每个通道的数据速率,误码率约为3。8 × 10−3.总WDM数据速率为10.32Gbps。 根据表征测量, 器件的性能表现符合预期,其中UV-B显示出最低的最大数 据速率。如图所示。2、UV-B器件发出的输出功率是上述 三个器件中最低的。当将三种器件的发射结合为波分复用 时,输出功率也会损失,因为传输小于100% “Alluxa”镜像,如图所示。6.它的带宽也比UV-C设备要 低。这些因素都导致了UV-B设备实现的相对较低的数据速率。

虽然这个设备的带宽比UV-A设备更高。 当将单独操作的单个像素的误码率与WDM值进行比较时 ,UV-C设备在WDM和单个设备配置中都产生了类似的结果 。这可以归因于UV-C经历了最少的串扰,因为滤光镜和反 射镜从UV-B和-A设备中去除了不需要的光。相反,当只有 一个像素打开时,UV-B和UV-A通道表现出明显的改善。这 是由于光谱重叠导致邻近通道的干扰,影响它们,这在UV -A通道中尤其明显。使用校准的光功率计估计的平均接收 功率分别为0.25、0.03和0。UV-A、-B和-C分别为10mW。 然而,由于功率计传感器与APD之间的活动面积的差异(直 径分别为9和0.5mm),实际平均接收功率可能明显低于此 。 据我们所知,单个DUVμLED报道的最高光学无线数据率 是Zhu等人获得的2Gbps。对于UV-CμLED。在UV-B中,Sun 等人。使用LED[26]演示了71Mbps。如表1所示,我们的UV -B和UV-C通道显著超过了这些通道,而据我们所知,这里 显示的最大数据速率是在每个UV-A、-B和-C波段中报告的 最高数据速率。此外,将WDM应用于DUVled的第一个演示 允许聚合数据速率。

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图9.最大的M-QAM星座尺寸:UV-C为(a)32QAM,UV-B为(b)16-QAM,UV-A为(c)16-QAM。

首次使用在DUV中发射的led,超过了10Gbps的基准测 试。5 . 结论 这项工作已经证明了一个三通道紫外-wdm装置,使用 μLEDs在紫外-a(375nm)、UV-B(317nm)和UV-C(285nm)区 域的峰值发射。使用OFDM和QAM调制方案和前向纠错,我 们获得了数据率4。17、3.02和 3.分别来自UV-C、UV-B和UV-A设备的13gbps。据我们所知 ,每个单独通道的数据速率是迄今为止报告的UVμLED的 最高速率,加在一起,综合数据速率为10.32Gbps,表明 基于led的UV光学无线链路超过10Gbps。 资金。工程与物理科学研究委员会(EP/M01326X/1、 EP/S001751/1、EP/T00097X/1)。 确认。我们感谢智信半导体有限公司。有限公司为LED晶 片材料。我们交流 知识弗劳恩和夫英国研究有限公司。为DM的博士奖学金资 助。所有作者声明,这项工作不涉及相互竞争的经济利益 。

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10 Gbps wavelength division multiplexing using UV-A, UV-B, and UV-C micro-LEDs.pdf


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