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阳明交大发表MicroLED于可见光通讯应用新成果

MicroLED.cn 技术文章 2021-06-26 16:22:35 4371 0 | 文章出自:阳明交大 MicroLED

可见光通讯(Visible light communication, VLC)是一种新兴的无线通讯技术,可成为室内无线通讯如Wi-Fi的替代方案,由于许多无线通讯频谱已被占用,可见光通讯能有效地利用空白的频谱资源,以缓解5G及物联网(IoT)所使用拥挤的通讯频谱。

在能源损耗的问题上,使用生活中用来照明的灯光作为VLC系统中传输资料工具,必能减少不必要的能源消耗,由此可见VLC在未来肯定也是节能的一大关键。VLC的潜在应用还包括了汽车和航空航太、室内网路以及行动定位服务等。举例像是在室内的商业办公室中,使用VLC可以得到比现今更快速的资料传输速度;或是支持IoT的连接设备日益增多,需要VLC所提供的高速连接来发送和接收即时更新。

因此,Li-Fi的重要性已非常显着,未来若达到Li-Fi的普及,不管是路灯、大型看板、红绿灯及室内照明等与LED相关的应用皆可成为网路传输的发射源,如图一(a)为可见光通讯在未来5G世代的实际应用场景。并通过植入芯片网路接入点,控制光源发出高速讯号,来控制终端接收器的网路传输,如图一(b)VLC之工作原理。

阳明交大发表MicroLED于可见光通讯应用新成果  第1张

                                    图一、(a)可见光通讯在未来5G世代的应用场景;(b)VLC之工作原理。

可见光通讯可由雷射或LED作为系统的光源及发射端,扮演着传输与照明的角色,其中LED具有对人眼较安全、无须频谱使用许可等优点,更适合作为VLC系统的光源。

在常见的红、蓝、绿三色LED中,绿光LED因受限于材料特性的影响,在频宽的表现上仍有很大的进步空间,但绿光LED在塑胶光纤通讯和水下无线光通讯具有较大的优势,因为绿光在塑胶光纤和海水中的损耗较小。

一般而言,传统大尺寸的LED(40 mil)仅能达到数10 MHz的频宽,无法达到较高速率的传输。因此,可以通过缩小芯片尺寸的方式即Micro LED来提高传输速率与通讯品质。

阳明交通大学(简称“阳明交大”)的郭浩中讲座教授、邹志伟教授与美国耶鲁大学的韩仲教授团队共同合作,由韩教授的团队开发适合高速半极化LED的磊晶片,并由郭教授的研究团队进行Micro LED芯片的设计与制作,最后由邹教授的研究团队完成通讯性能的开发与验证。

为了解决芯片缩小因表面缺陷造成LED光电特性不佳的问题,郭浩中教授研究团队导入原子层钝化沉积技术(Atomic layer deposition, ALD)来提升元件辐射复合的效率,减少漏电流的产生,开发出高性能的高速绿光Micro LED元件。相关研究成果发表于2020年被顶尖光电期刊《ACS Photonics, vol. 7, no. 8, pp. 2228-2235, 2020》。

郭教授提及:“过去本研究团队在半极化绿光Micro LED研究成果实现高达756 MHz频宽,是绿光LED中已知最好的成果。今年我们更是通过元件设计与制程上的改良来提升频宽,最终实现大于1 GHz的频宽。”

此外,负责光通讯系统架设的邹教授研究团队开发适合用于绿光Micro LED元件的正交分频多工(Orthogonal-frequency-division-multiplexing, OFDM)调变技术,初步地在距离25公分的空气中进行讯号的传输与接收,16-QAM和8-QAM的星座图如图三(a)所示,达到大于3 Gbit/s的传输速率且符合前向错误更正的标准,上述研究成果也在光通讯领域权威的光纤与通讯研讨会上公开发表《2021 Optical Fiber Communications Conference and Exhibition (OFC), IEEE, 2021》。

为了更进一步提高传输速率,邹教授的研究团队导入了更高级别的位元和功率负载正交分频多工调变技术,同样在满足前向错误更正的标准下实现大于4.3 Gbit/s的传输速率,是目前已知的绿光LED中最高速的传输速率,如图三(b)所示。相关研究近期也被期刊《IEEE Photonics Journal》接受。

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                                       (b) 半极化绿光Micro LED阵列在不同电流下的频率响应。

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图三、(a)功率负载的量测图及16-QAM和8-QAM的星座图;(b)经由调变技术后绿光LED传输速率之比较图。

该团队在绿光Micro LED的研究成果展示藉由磊晶制程改善材料特性、Micro LED芯片设计与钝化制程的开发及通讯调变技术,突破了绿光LED因材料特性而无法实现高频宽的困境,这些成果也受到国际学术界的肯定,意味着可见光通讯的来临指日可待。

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