楊馥瑞等

摘要： 針對LED照明通信集成芯片的應用，設計了一種包括藍光LED和GaN PD的雙向通信集成芯片。工作時藍光和紫外光形成兩路光通信。集成芯片的小尺寸可使LED照明通信減少一半的燈珠數(shù)量以利于縮小系統(tǒng)體積。對集成芯片采用串口通信協(xié)議和開關鍵控（OOK）調制解調裝置進行單向、雙向通信測試及分析。實驗結果顯示，集成芯片實現(xiàn)單向照明通信時，紫外通信誤碼率在10-6以下，在雙向通信且藍光LED電流密度不大于2.8 mA/mm2時，紫外通信誤碼率在10-3以下。

關鍵詞： LED照明通信； 藍光LED； GaN PD； 集成芯片

中圖分類號： TN 303文獻標志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2015.03.014

Abstract： In this letter， we studied a kind of bidirectional optical communication chip that contains a particular GaN PD and a blue LED. The bidirectional lighting communication consists of blue light and UV light optical communication link. This integrated chip is outstanding with its small size and easy implantation， and can be used in the bidirectional lighting communication to reduce amount of bulls， shrinking system size. We tested and analyzed its performance in one way and bidirectional communication with serial communication protocol and simple modulating method for onoff keying （OOK）. In the guarantee of the integrated chips normal working， the results for the first time display the feasibility of integrated chips into one way lighting communication with bit error rate below 10-6， demonstrating bidirectional communication with bit error rate below 10-3 when injecting blue LED with 2.8 mA/mm2 current density.

Keywords： LED lighting communication； blue LED； GaN PD； integrated chip

引言白光LED具有低功耗、高亮度以及良好的線性度等優(yōu)點，作為無線光通信的發(fā)信端相比傳統(tǒng)射頻具有突出的優(yōu)勢，光源至今已有RGB組合或藍光芯片與熒光粉結合等種類[12]。調制技術也由開關鍵控（OOK）調制向脈沖位置調制（PPM）等發(fā)展[3]，復用技術包括波分復用[4]，頻分復用[5]，多輸入多輸出正交頻分復用（MIMOOFDM）[6]等，已有不少研究成果。LED光通信速率已由最初的Mbit級別提高到現(xiàn)在的Gbit級別[7]。目前LED照明通信已取得突破性進展，高速通信調制系統(tǒng)研制成功標志著LED照明通信開始向產業(yè)化發(fā)展。隨著光刻等半導體生產技術的不斷提高，集成器件的尺寸也越來越小，上述系統(tǒng)必然會被進一步集成。目前，復旦大學采用光波分復用和子載波調制，已實現(xiàn)雙向無線光通信，可實現(xiàn)575 Mbit/s的RGB LED上行鏈路通信和300 Mbit/s 的基于熒光粉LED下行鏈路通信，通信距離66 cm，誤比特率在硬判決前向糾錯時限制在3.8×10-3以下[8]，但其損耗大、復雜性高、設備龐大，因此，雙向無線雙工光通信亟需低功耗且緊湊簡易的裝置。本文提出了一種雙向照明通信集成芯片，其上有藍光LED和GaN PD芯片。利用藍光通信鏈路和紫外光通信[910]鏈路構成雙向通信，同時降低串擾。采用串口通信協(xié)議和簡易OOK調制解調裝置對集成芯片進行單向、雙向光通信測試及分析。

1系統(tǒng)設計

1.1集成芯片封裝結構集成芯片支架采用3 W大功率LED 6引腳支架，6個引腳各自隔離，直徑3.5 mm的支架銅座通一圓孔，孔直徑1 mm，置GaN PD于圓孔處，調整藍光LED位置遠離圓孔。藍光LED和GaN PD除了有公共的襯底，在電路上相互隔離。光學儀器第37卷

第3期楊馥瑞，等：藍光LED和GaN PD集成芯片雙向照明通信性能研究

紫外光源選取峰值波長365 nm的大功率LED燈珠（首爾半導體，CUN6AF1B）。藍光LED光譜峰值波長450 nm，工作電流20 mA。GaN PD響應光譜峰值約為365 nm，截止波長約為370 nm，在365 nm和450 nm處峰值比為102。較大的峰值比使得同時進行可見光和紫外光通信在理論上可行，同時GaN PD對室內可見光不敏感。

系統(tǒng)組件如圖1所示：同軸線上從左往右依次為硅光電二極管、紫外濾波片、集成芯片燈珠、石英雙凸透鏡、紫外光源，工作距離15 cm。實驗時使紫外光源發(fā)送信號，同時測試在藍光LED點亮、熄滅或調制光信號情況下GaN PD的響應波形。由于GaN PD光電流較小，容易受影響，故紫外通信質量為討論重點，藍光LED的可見光通信解調不再贅述。

圖2為支架內集成芯片的示意圖：左側的藍光LED向上發(fā)射藍光，紫外光線垂直入射到右側的特殊結構紫外GaN PD底面，兩個二極管之間距離d為1 mm，GaN層為未摻雜半導體層。與以往nGaN和n+GaN傳統(tǒng)結構不同，此處使用n型摻雜和未摻雜的GaN來形成肖特基結。此時，nGaN與金屬接觸為歐姆接觸，GaN與金屬接觸為肖特基接觸。n型歐姆接觸用蒸發(fā)沉積Ti/Al/Ti/Au形成，LED上的p型歐姆接觸通過濺射沉積Ni/Ag得到，肖特基接觸通過蒸鍍Ni/Al/Ti/Au得到，該類型GaN PD對波長370 nm以上的可見光幾乎無響應。GaN PD和藍光LED在同一個外延片上制作，一方面保證LED的質量，另一方面延續(xù)生產的流暢性。

1.3調制解調電路為了測試集成芯片性能選擇簡便的OOK調制。調制電路如圖3所示，“PC”為電腦端，“MAX232”模塊為串口電平轉換電路，“轉換電路”模塊為驅動電壓轉換電路。發(fā)送信號控制三極管工作于飽和與截止狀態(tài)，實現(xiàn)對紫外光源、藍光LED的調制。為了讓紫外光源恒流工作電流達到300 mA且不發(fā)送信號時處于常亮，需要將信號電壓升壓和反相并采用9 V的電源電壓。圖中轉換電路由比較器組成，完成升壓反相功能。通信軟件選擇串口通信助手，發(fā)送信號經(jīng)MAX232轉化為TTL電平，控制調制。設置發(fā)送波特率9 600 bit/s。

1.4恢復電路接收到的微弱光電流經(jīng)前置放大器放大，轉換為電壓信號，主放大器對電壓再放大以利于濾波器濾除雜波，最后由比較器恢復波形。前置放大器我們采用了SR570，將電流信號轉換為電壓信號；波形恢復中主放大器使用MCP6022芯片，將電壓信號放大；最后使用LM393比較器正向輸入比較，電位器調節(jié)參考電壓，最終恢復波形?；謴碗娐啡鐖D4所示。

2實驗結果及分析

2.1GaN PD光電流用半導體分析儀測量了在藍光LED不同工作電流下，GaN PD兩端偏置電壓為0～20 V時電流的大小變化曲線，如圖5所示GaN PD在紫外光照射下熄滅藍光LED的IV曲線和藍光LED工作電流密度變化下的IV曲線及暗電流IV曲線。圖6調制信號（上）和接收信號（下）波形兩端反向電壓變化范圍0～20 V，可以看出反向電流都有隨著藍光LED的工作電流增大而增大的趨勢。芯片結構（見圖2）中部分藍光向GaN PD出射，光子被吸收到一部分，以及GaN材料都會吸收到LED的藍光。目前為止，這種吸收造成的干擾無法排除，只有增大紫外光源的光功率，或者重新設計芯片結構，增加光學隔離層才能減少藍光吸收對紫外通信的影響。

2.2集成器件單向照明通信質量測試電腦端發(fā)送字母“a”，GaN PD電流經(jīng)前置電流放大器SR570放大轉換后，用示波器同時觀察發(fā)送信號和接收信號波形。圖6給出了調制信號與探測信號的波形，對比兩個波形可以看出，接收信號受調制電路帶寬影響有些畸變，但響應速度較好。將藍光LED恒流點亮，工作電流12 mA。讓紫外光源發(fā)送信號，通過MAX232把接收信號傳送至第二臺電腦，觀察串口通信助手接收區(qū)情況。發(fā)送端發(fā)送單個字母時，接收端接收的誤比特率可達到10-6以下。該系統(tǒng)還可完成傳送圖像功能，串口助手啟用文件數(shù)據(jù)源，如圖7所示，接收端數(shù)據(jù)轉向文件，文件類型事先設置為與發(fā)送端一致的jpg格式，圖片大小5.7 kbit，發(fā)送完畢，接收端打開文件，圖8為“學校LOGO.jpg”傳輸結果。

該實驗說明在保證紫外GaN PD正常工作，且藍光LED恒流工作，無意外抖動和斷路的情況下，可以實現(xiàn)單向照明通信。

2.3集成器件雙向通信質量測試調制藍光LED，設置與紫外光源調制相同的發(fā)送波特率，紫外光源發(fā)送目的信號“a”字母，藍光LED發(fā)送“j”字母作為噪聲。GaN PD接收結果分為3組，分別對應藍光LED工作電流密度84.8 mA/mm2、 168.0 mA/mm2、288.0 mA/mm2。圖9（a）、（b）、（c）是藍光LED恒流工作，不發(fā)送噪聲下GaN PD輸出，顯示的均為“a”字母的波形。圖9（d）、（e）、（f）是調制藍光LED發(fā)送噪聲時GaN PD的輸出，顯示為噪聲與目的信號疊加。對比圖9（a）、（b）、（c）可看出暗電流的增大對于紫外通信的質量沒有明顯的影響。這是因為暗電流恒定增大，反向電流總和增大，兩者的差值即光電流不變，故不會影響通信質量。而圖9（d）、（e）、（f）中出現(xiàn)的波形為“j”字母的信號波形，結果說明紫外通信目的信號被淹沒在噪聲中。將藍光LED工作電流密度設為2.8 mA/mm2時，單向紫外通信接收端接收到“a”字母，誤碼率在10-6以下，見圖10（a）。調制藍光LED發(fā)送“j”字母干擾源，如圖11所示，上方為“j”原波形，下方為硅光電二極管光電流放大后信號。由圖可知波形除了背景噪聲未有任何明顯“a”波形痕跡，且紫外GaN PD光電流較小，不足以影響藍光通信。圖10（b）為GaN PD接收信號恢復的“a”波形，波形中也沒有明顯受藍光LED調制信號影響的痕跡，但誤碼率為10-3。

4結果分析對可見光響應的原因有兩種：（1）內光電效應吸收（IPA）電流和體光生電流；（2）由于金屬和uGaN接觸面的表面捕獲到電子導致肖特基勢壘降低，以及外加電場下鏡像力增大，使得電流增大。響應度R的表達為R=IP（1）式中：P為入射光功率；I為光照下產生的電流。一定光功率下，I越大，響應度越高，對外界的影響就越不敏感。I=-expΔΦsbKTIr-IGEN-IIPA（2）式中：K為玻爾茲曼常數(shù)；T為絕對溫度；IGEN為光生電流；IIPA為內光電效應吸收電流，由Vickers model計算得到；ΔΦsb是肖特基勢壘下降的高度；Ir為反向暗電流。在紫外輻射下，GaN PD的光電流為基于勢壘下降因子ΔΦsb1的指數(shù)形式，由于ΔΦsb1與空乏區(qū)寬度d呈線性比例，而d隨反向偏壓增大而增大，d∝V1/2故I在高反向電壓時激增，所以，可以嘗試增大反向電壓來提高雙向通信質量。由于雙向通信質量也受制于GaN PD中缺陷情況，缺陷越多則對非紫外光子吸收越強，暗電流增大，光電流不變時，后續(xù)恢復電路對器件要求很高。藍光LED與GaN PD距離很近，當藍光LED工作電流超過一定數(shù)值，由于缺陷吸收產生的電流將嚴重影響通信質量，故提高外延片的質量為改進集成芯片性能的第一步。3結論本文使用簡單的OOK調制和解調方法對藍光LED和紫外LED進行通信調制，證實了藍光LED和GaN PD的集成芯片可以實現(xiàn)照明通信。在保證藍光LED和GaN紫外GaN PD正常工作的情況下，GaN紫外GaN PD具有對室內光良好的抗干擾性，可以實現(xiàn)單向照明通信即藍光LED恒流照明同時紫外光路通信。由于GaN PD對藍光有一定吸收，造成雙向通信時不能供給藍光LED過大電流，否則通信失敗。對于這種集成芯片，可以在幾個方面進行優(yōu)化：（1）提高外延片質量；（2）改變GaN PD位置及其半導體層厚度，或增加反射層，以減少GaN PD對毗鄰LED光的吸收；（3）增大GaN PD兩端反向電壓等等。參考文獻：

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（編輯：劉鐵英）