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“芯”基建-27:Quo Vadis,可见光通信? 精选

已有 3876 次阅读 2021-7-2 15:00 |系统分类:科普集锦

汪炼成 2021/07/01 首发于《材料深一度》公众号

——Quo Vadis,可见光通信,君往何往?

——烽火、狼烟和灯塔是光无线通信的雏形。“烽火连三月,家书抵万金”。烽火和狼烟承载的是几千年来人们龙卷马嘶的残酷战争记忆,而灯塔则寄托着船员旅客对平安旅途宁静港湾的希冀。

——德里克汤普森所著《引爆流行》中说,一个新事物新技术也许最开始只是为一个特定的群体和场景设计的。比如,《星球大战》最初是给相信魔法的孩子设计的,脸书最初是为了吸引哈佛大学的本科生。

可见光通信,目前看起来还只在特种场景的特殊应用,是配角和补充,但是会不会有一天也会像星球大战那样引爆流行,像脸书那样连接世界了呢?

                                                                                                                                 ——汪炼成

 

 

一、烽火、狼烟和灯塔

通信是人类社会的永恒需求,5G已剑在弦上,而6G已预备接力,要实现“空天海地”一体化无缝全覆盖。智能时代,万物互联使通信需求不仅限于人和人之间,人物及物物之间通信将占据更加重要位置。

光,是通信的重要媒介。有线的光纤通信的宽带已深入千家万户,而光无线通信也是光通信的重要组成部分。

 光无线通信的雏形并不少见:从周幽王为博褒姒一笑而戏诸侯的烽火,到三国里数不尽的“举火为号”大战小役,到引导现代海上航舶通信的灯光。肉眼可见的烽火台、火光和灯塔,都是利用光进行最直接的信息传输。

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1 光无线通信的雏形:古代战争预警的烽火到海上船舶通信的灯塔。烽火通过接力棒式地传递边境军情信息,海上船舶灯光通过亮态和暗态的调制,实现类似“摩斯密码”式信息传递。

 

 “烽火连三月,家书抵万金”。烽火和狼烟承载的是近千年来人们龙卷马嘶的残酷战争记忆,而灯塔则寄托着船员旅客对平安旅途宁静港湾的希冀。

通信需要关注的是:速率,越快越好;可靠性,误码率越低越好;信道容量和带宽,越大越好。

 对于烽火:通过接力棒式地传递信息,通信速率很低;烽火戏诸侯和白衣渡江则倒觉得其实都证实了信息传输方式本身的可靠性;信号容量则十分有限,烽火传递的信息只有“敌人来了”,也似乎不太可能通过调节烽火的大小,频次等来传递更复杂的信息,如来犯敌军规模等。

对于灯塔:通过对其亮态和暗态的调制,可以实现至少比烽火更大信道容量带宽和更快速率的传输。但因为毕竟大都是“人眼”接收信息,随着传输速率提高,误码率也随之加大。

 


二、可见光通信

现代可见光通信(Visible Light Communication, VLC)的原理同航舶灯塔几无二致。光源技术的进步促进了可见光通信技术的发展,但是受限于光源的原理和材料本性,其调制速率都还达不到应用需求。

比如荧光灯,其弧光放电释放紫外线再激发荧光粉从原理上限制其调制速率的提升。OLED的载流子复合寿命在微妙级别,于是调制带宽在10MHz 上限,进一步提高便比较困难了。

GaN基LED和激光器的技术突破,真正把可见光通信推到潜在应用的前沿,因为时它们都具备非常快的调制速度,以致人眼无法察觉。GaN基LED的3dB调制带宽可到GHz级别,而激光器当然具有更大的调制带宽。

相比无线通信的WiFi,可见光通信的优势有:可用频带资源丰富,因为射频频谱是有限的;安全,可见光无法穿透不透明的物体,载有信号的可见光波可以轻易的被阻截,避免造成信息的外泄;利用几乎无所不在的照明设施照明通信融合,助力智能交通,智能建筑等;水下通信等一些特殊应用场景。

可见光通信产业化方面,英国爱丁堡大学Hass教授组孵化出来的Purelifi 公司和法国的Oledcomm公司。Purelifi 公司和英国电信商沃达丰合作,进行了可见共通信的一些应用场景展示,也提供解决方案。Oledcomm公司开发了可见光通信的模块,所谓的LiFiMAX® Discovery Kit,可以安装在房间屋顶,然后插上类似U盘,可以实现可见通信的家居和办公。国内也有很多公司在进行可见光通信的产业化努力,而研发单位有复旦大学、中科院半导体所、解放军信息工程学院、台湾交通大学、中南大学等。

设想下家里的卧室、书房、客厅,公司的会议室、办公室、接待室,商场、机场、车站、码头、医院、机关、学校……,无处不需要照明,“照明即通信”!把LED安装在天花板上,就是一个个发射信号的“灯泡天线, So Cool!

但是可见光通信的产业化之路依然艰辛,麻烦事也确实不少。

比如,在白天进行可见光通信,会有较大的环境光干扰。而不管白天晚上,由于照明和通信的需求时间差异,造成的光污染不容忽视。红外光的光无线通信可以避免上述问题。比如遥控器,车钥匙等是基于红外光。 

      比如,数据上行还比较麻烦,在电脑笔记本或手机上安装LED灯,然后开着LED灯进行通信好像也不是那么回事。所以,目前LED光通信主要用于数据下行,即从前述的“灯泡天线”接收文件等,而上行可以考虑用红外线等。

      再比如,谁来把高速数据传到前述的“灯泡天线”呢?基于PLC(Power Line Communication),即电力线通信的可见光通信(好像有点绕舌)有报道,之前我也安排了这么一个本科毕设题目,挺有意思,实现了家庭等局域网内的信息传播:比如,楼下房间说话,可以通过PLC传到楼上房间,然后通过VLC终端转换成光信号被读取。但电力线的带宽较差,且噪音等都较大。


三、可见光通信光源器件


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图2(左)影响GaN 基蓝光LED载流子复合寿命主要是量子阱区较大的MV/cm级别的压电电场,注入量子阱区的带电相反的电子和空穴被 “强烈拉开”,延长其复合寿命,降低直调带宽;(右)对于荧光型白光LED,调制带宽是由LED芯片和荧光转换材料及斯托克斯转换过程决定。

 

提高可见光通信速率,降低误码率除了对通信技术的优化外,光源器件本身的性能也至关重要,主要包括调制带宽,功率-电流密度(P-J)线性度及绝对光功率。线性度越好,光功率越大,有利降低通信误码率。虽然LED的调制特性是基于P-J曲线关系的线性假设,但实际情况是LED的P-J关系通常是呈非线性的,只存在中间某一段的准线性区。因此较好的调制区域也限定在了这个区域,这就限制LED在更高的输出光功率下进行调制。P-J曲线的非线性源于GaN LED的效率下降,其机理包括极化场、俄歇复合、电流拥挤和电子泄漏等。

目前研究更多关注LED的调制带宽。LED器件能在多高的调制频率下加载信号取决于本身发光强度的变化能有多快,也就是有源区中载流子的复合速率,若载流子的复合速率赶不上信号的调制频率,即无法满足在该调制频率下进行有效的数据传输。虽然LED器件本身的电容效应对载流子的输运会造成延时的影响,但通常情况下LED的RC常数远小于载流子的复合寿命,因此LED的频率响应特性主要是由载流子的复合寿命决定的。

 如图2所示:影响GaN 基蓝光LED载流子复合寿命主要是量子阱区较大的MV/cm级别的压电电场。这个电场是由于特殊GaN钎锌矿结构的对称性导致。于是注入量子阱区的带电相反的电子和空穴被电场“强烈拉开”,于是延长其复合寿命,降低直调带宽。

目前研究人员的工作很多是围绕“抑制”或者“绕开”这个压电极化负面影响进行:1、外延优化,包括常规的c面外延结构优化和半/非极GaN外延生长,以降低QCSE;2、Micro-LED及Nano-LED,降低RC常数,增加载流子密度,降低载流子复合寿命;3、利用Purcell效应,集成等离子体激元、微腔LED。根据Purcell效应和费米黄金法则,设计如共振微腔等光学结构可以调节空间中电磁场的强度和分布,有助于在共振波长处增加光学模式密度,提高自发发射率,从而提高调制带宽。

以上是针对单色蓝光LED。对于荧光型白光LED,调制带宽是由LED芯片和荧光转换材料共同决定的,由于常规YAG荧光粉的荧光寿命约为70 ns,导致白光LED的整体带宽进一步受到荧光粉和斯托克斯转换过程的限制。为了克服这一缺点,一些新型的荧光转换材料,比如半导体量子点材料被研究。与荧光粉相比,量子点不仅具有较高的量子子产率,而且具有更短的荧光寿命。

以上解决方案都难说完美:常规的c面外延结构调整来提高调制带宽,但是基本上要牺牲光功率和效率,短时间简单优化难以达到光效和带宽的协同提高;非极性和半极性GaN材料生长非常困难,质量较差,且表面容易形成极性特征的粗糙stripe,在上面生长高质量的量子阱区更困难;微腔只对共振波长起作用,而对宽谱LED综合效果甚小;等离激元LED和Nano-LED的电极制作较困难。

Micro-LED是个不错的选择,可以加载到kA/cm2甚至数十kA/cm2电流密度级别,从而有很小的差分载流子寿命,获得较大带宽。Micro-LED的问题是很多时候并没有通过面积缩小减小压电场,而只是为了能够加载上述如此之大电流密度,散热和可靠性是很大隐患,因此不太实用。这是目前可见光通信Micro-LED光源器件的主要问题。

对于白光可见光通信,很大的难题是很难实现照明性能和通信性能的同时最优,较慢的斯托克斯转换过程很难克服。当然基于三基色的白光不存在上述问题,可以获得较大通信带宽,但是成本较贵。

我们课题组近些年利用复合等离激元(Optics letters 44 (17), 4155-4158, 2019)、纳米结构LED(Photonics Research 9 (7), 1213-1217, 2021)以及自组装InGaN量子点(Photonics Research 8 (7), 1110-1117,2020)等手段在白光照明通信融合方面做了一些工作。最近我们对可见光通信用LED光源直调带宽提升技术也进行了综述讨论(Improving the Modulation Bandwidth of GaN-based LEDs for High-speed Visible Light Communication: Countermeasures and Challenges)。


四、Quo Vadis,可见光通信?

可见光通信在一些特种场合有较大应用潜力和价值:比如Purilifi和英国电信运营商沃达丰公司合作开发的机上通信服务(但是飞机上现在都有WiFi了),Philips的室内定位,汽车车间及路车通信,智慧工厂,水下通信,矿井深地通信等。

但是,不得不承认,可见光通信至少目前无法和WiFi等竞争,可见光通信需要找到WiFi无法发挥作用的蓝海市场。最近看了新加坡国立大学Chengwei  Qiu教授的“Quo Vadis,Metasurface?”文章,不仅也想问:“Quo Vadis,可见光通信?”

可见光通信,君往何往?

德里克汤普森所著《引爆流行》中说,一个新事物新技术也许最开始只是为一个特定的群体和场景设计的。比如,《星球大战》最初是给相信魔法的孩子设计的,脸书最初是为了吸引哈佛大学的本科生。

可见光通信,目前看起来还只在特种场景的特殊应用,是配角和补充,但是会不会有一天也会像星球大战那样引爆流行,像脸书那样连接世界了呢?

 

 




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