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    美宜照明

    Lifi LED光源将引领可见光通信技术 Wifi已OUT?

    2016-2-25  来源:  有109403人阅读

    核心提示: 作为兼顾照明和通信的新技术,LiFi在追求高传输速率的同时,不能影响照明的质量和要求,尤其是在光源的研制上。LiFi的光源既要具备通信光源调制性能好、发射功率大和响应灵敏度高等优点,又要满足照明光源高亮度、低功耗和辐射范围广等特点。

      近年来,随着白光发光二极管(LED)技术的大力发展,可见光通信(Visible Light Communication,VLC)成为新一代无线通信技术的研究热点之一。VLC也叫LiFi(Light Fidelity),2011年,来自爱丁堡大学的德国物理学家Hardal Hass教授在TED大会上发表了一个关于LiFi技术的演讲,首次将“VLC”称为“LiFi”。

      LiFi是一种基于光(而不是电波)的新兴无线通信技术,结合了光的照明功能和数据通信功能,如图1所示。LiFi是在不影响LED照明的同时,将信号调制在LED光源上,通过快速开关产生人眼无法感知的高频闪烁信号来传送数据。

      LiFi的优势

      相比于当前主流的WiFi通信技术,LiFi有如下优势:

      (1)容量方面,无线电波的频谱很拥挤,而可见光的频谱宽度(约400THz)比无线电波多10000倍;

      (2)效率方面,无线电波基站的效率只有5%,大多数能量只是消耗在基站的冷却上,而LiFi的数据可以并行传输,同时提高效率;

      (3)实用性方面,无线电波只是在基站中获取,不能在飞机上、手术室或者加油站使用WiFi,而全球的每个灯都可容易地接入LiFi热点;

      (4)安全性方面,无线电波很容易被侵入,而可见光不可以穿墙,甚至窗帘,提供了网络的隐私安全。

      作为兼顾照明和通信的新技术,LiFi在追求高传输速率的同时,不能影响照明的质量和要求,尤其是在光源的研制上。LiFi的光源既要具备通信光源调制性能好、发射功率大和响应灵敏度高等优点,又要满足照明光源高亮度、低功耗和辐射范围广等特点。

      LiFi光源选择

      1、LED

      目前LiFi技术采用的光源大多数是白光LED,很大一部分的原因得益于LED技术的快速发展。而白光LED的实现方式主要有:蓝色LED芯片激发黄绿色荧光粉转换成白光(PC-LED)、紫外光或紫外LED激发三原色荧光粉产生白光和红、绿、蓝3种LED芯片封装在一起混合产生白光(RGB-LED)。现阶段商用的白光LED产品根据光谱成分的不同,主要分为两大类:PC-LED和RGB-LED,两类白光LED的光谱如图2所示。

      LED的调制带宽决定了通信系统的信道容量和传输速率,研究LED器件的调制特性是提升新型LiFi系统性能的关键问题之一。LED调制带宽的定义是当LED输出的交流光功率下降到某一参考频率值的50%时(-3dB)的频率。由于PC-LED的黄色荧光粉光谱部分的光电响应比较滞后,如图3所示,导致LiFi光源的调制带宽限制在几个兆赫兹以内,从而限制了整个系统的通信速率,即使在接收端采用蓝色滤波片也未能明显改善该光源的缺陷。

      因此,越来越多的LiFi研究将光源转向RGB LED,它能提供较高的调制带宽,在3种颜色的光波上用波分复用的方式提高信道容量,调制不同的数据并行传输,并在接收端通过各颜色的滤波片分别接收3种颜色,有效提高发送效率。但是RGB-LED中不同颜色的LED对于输出光通有不同的工作温度依赖性,为了实现工作温度独立的色点,需要对每个单色LED的反馈循环和驱动电流进行单独控制,这样对器件的制备带来了较高的成本和复杂的调制电路。

      LED的调制带宽受响应速率限制,而响应速率又受载流子寿命的影响。除了设计调制电路,降低RC(resistance-times-capacitance)延时之外,常规提高器件调制带宽的方法是增加电子空穴的辐射复合速率,减少载流子自发辐射寿命。常用载流子复合ABC模型如公式(1)所示。

      式中,N表示发光有源层的载流子浓度,单位为cm-3,A表示Shockley-Read-Hall(SRH)介质缺陷复合系数,B表示自发辐射(双分子)系数,C表示Auger复合系数,BN2表示自发辐射速率。通过增加注入载流子浓度来减少载流子自发辐射寿命,而增加载流子浓度的方法有加大注入电流和Delta掺杂。大电流下,注入载流子浓度增加,因而激子复合几率增加,辐射复合载流子寿命降低,电光转换快速响应。Delta掺杂技术也实现了载流子的大量注入,从而降低了载流子寿命,实现相同电流密度下调制带宽的提高。

      载流子浓度的变化会影响到LED的内量子效率,如公式(2)所示:

      式中,εrad是内量子效率。如表1所示,其中A、B、C的取值选取文献中实验的赋值,而理论的常规赋值中Auger复合系数比实验得到的结果小了4个数量级,可能的原因是杂质和声子作为中间介质参与Auger复合过程,使得C值实际中很大。另外一种可能是droop效应是由载流子溢出等作用的结果,与Auger辐射无关。

      由载流子ABC模型能够获得测试设备很难测量的重要电光特性,如载流子浓度-内量子效率曲线,如图4所示。在理论值的计算上,内量子效率渐渐趋于100%,但是实际中LED器件的内量子效率会出现上升到峰值再下降的droop效应,并且输出光通量与注入电流的关系也会有droop效应。LED的调制通常发生在工作区,在饱和区进行调制会带来很差的信噪比,所以要控制好注入电流的范围。

      2、LD(激光二极管)

      由于研究人员不满足LED调制达到的数据传输速率,LiFi的首次提出者HardalHass教授用激光二极管替换了现有的LED,利用激光器的高能量与高光效,传输数据的速率可以比LED快10倍。激光照明可以混合不同波长的光产生白色光,类似于RGBLED。虽然基于LED的LiFi可达到10Gb/s的数据传输速率,可以改善WiFi中7Gb/s的数据传输速率上限,但是激光传输数据的速率可以很容易超出100Gb/s。最新的报道显示,美国亚利桑那州立大学电子、计算机和能源工程学院的研发团队研制出纳米级别的白光激光器,其可以更加便利地用作LiFi光源。

      在通信方面,激光二极管相比于LED,具有更快的响应速度、可以直接进行调制和耦合效率高等优点。对于普通的电注入式半导体激光器,当注入电流超过某一值时,LD可以发射受输入电流控制的调制光,其调制特性如图5所示,该点电流称为阈值电流,阈值电流以上部分直到饱和区都属于LD的工作区,而调制范围最好在线性区域内进行,所以降低器件的阈值电流,获得较大的调制工作区显得很重要。

      阈值电流密度如公式(3)所示

      式中,Jth是阈值电流密度;e是电子元电荷;d是有源层厚度;Iinj是注入电流;N’是透明载流子浓度;αm和αi分别是镜面损耗和光学吸收损耗;Γg0是最大的模式增益;B和C分别是辐射复合系数和Auger复合系数。

      垂直腔面发射激光器(Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers,VCSELs)就具有低阈值、宽调制和高光电转换效率等优势,美国PrincetonOptronics公司研制出集成多个VCSELs列阵的激光照明模块,连续输出功率超过650W,如图6所示。但是随着注入电流的增加,高功率的VCSELs就会激发出多重横模,导致器件用于通讯光源时误码率增大,所以要对高功率的VCSELs器件的出射模式进行偏振选择。

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