可见光通信科普——荧光型LED和三基色LED

可见光通信技术科普——荧光型LED和三基色LED

路慧敏、陈雄斌


可见光通信的商用白光LED光源目前主要有两类:最常见的是基于荧光粉的LED,可以用GaN基蓝光LED或紫光LED加荧光粉来实现,荧光粉吸收LED发出的部分原色光,并激发出原色光互补的荧光,原色光和荧光混合出白光;另外一类是多芯片组合的白光LED,不同颜色的多个LED发出的光混合出白光。例如蓝光LED加黄光LED;或者红光LED加绿光LED加蓝光LED。也有一些研究者正在研制单芯片无荧光粉型白光LED,但由于技术难度大,目前仍处在实验室研究阶段没有达到实用化水平。

目前半导体照明中使用最广泛的光源是采用蓝光LED加荧光粉构成的荧光粉型LED,如果用它作为可见光通信的光源,其较低的器件调制带宽是限制可见光通信传输速率的重要因素。由于荧光粉型LED中荧光粉的光致发光响应速度慢,其调制带宽只有几兆赫兹,即使在接收端滤除荧光粉对应波长的光即只测量蓝光LED的调制特性,其调制带宽也只有十几兆赫兹。

为了提高光源的调制带宽,在可见光通信系统中会采用红绿蓝三基色的LED或者红绿蓝黄四色的LED作为通信光源。因为这样的一个LED光源中实际包含三个或者四个不同波长的LED芯片,所以可以采用波分复用技术获得调制带宽的累加,通常一个红绿蓝三基色的LED的三个芯片的调制带宽能累加到40MHz左右。这种三基色或者四色LED没有荧光粉余辉的不利影响,作为通信光源是有优势。这类光源唯一的缺点就是价格较高,目前在照明领域的使用远不如荧光型LED普及,故要实现基于照明网络的通信,推广显得有点困难。但是对于大部分从事可见光通信的科研人员来说,利用三基色甚至四色LED光源的波分复用来提高光源的总调制带宽,利用OFDM或者DMT技术结合复杂的QAM调制技术来实现较高的频带利用率,是目前能获取可见光通信系统最高速率指标的共同方案。但是该方案成本很高,系统实现较为复杂,难以实现实时通信,故一般以非连续通信的方式工作,以最高峰值速率作为速率指标;也很难用误码率测试仪测试一段时间的误码累计和误码率,只能根据Q因子或者EVM等参数估算出误码率。

对于通信系统来说,系统调制带宽的大小直接决定了系统通信速率的高低。故可见光通信领域的科研人员都在想办法提高LED光源或者可见光通信系统的带宽。比如,通过对LED结构进行优化设计以增加LED器件的调制带宽,或是通过为LED频响特性增加与之互补的电路设计来提高系统的总调制带宽。一般认为,影响LED调制带宽的主要因素是载流子寿命及RC时间常数,可以通过直接对LED有源区结构以及封装结构进行优化减小载流子寿命或是降低RC时间,进而增加LED的调制带宽,已有少量文献报道了一些有效的优化结果。可见光通信系统的速率限制主要源于LED调制特性中对高频信号的限制,这与从前的低通信道对通信系统的限制十分相似,因此针对不包含荧光粉的白光LED以及包含荧光粉的白光LED光源的频响特性,在发送端进行预加重设计或是在接收端进行均衡补偿设计,可以提高总的系统调制带宽。这里所提及的发送端的预加重和接收端的均衡补偿,都是为了提高可见光通信系统调制带宽,可以通过传统的模拟电路设计的形式实现,也可以采用现场可编程门阵列(FPGA)更为灵活的实现,目前已有众多研究者对此展开研究并取得了很多好的成果

总的来说,照明工程师从照明的性价比出发,喜欢选用荧光型LED作为照明光源,可见光通信的研究人员为了获得较高的器件调制带宽,愿意选择三基色甚至四色的LED作为通信光源。所以,假若通信领域的人能利用荧光型LED实现高速的可见光通信,或者照明领域的人能让三基色甚至四色的LED的价格变得和荧光型LED一样便宜,那照明与通信才能在光源上实现真正的融合。


注: 原文出自陈雄斌的科研主页 http://www.escience.cn/people/jason

相关学者

最近来访

相同研究领域

同一单位

相同研究兴趣