蓝光LED和GaN PD集成芯片双向照明通信性能研究

杨馥瑞等

摘要： 针对LED照明通信集成芯片的应用，设计了一种包括蓝光LED和GaN PD的双向通信集成芯片。工作时蓝光和紫外光形成两路光通信。集成芯片的小尺寸可使LED照明通信减少一半的灯珠数量以利于缩小系统体积。对集成芯片采用串口通信协议和开关键控（OOK）调制解调装置进行单向、双向通信测试及分析。实验结果显示，集成芯片实现单向照明通信时，紫外通信误码率在10-6以下，在双向通信且蓝光LED电流密度不大于2.8 mA/mm2时，紫外通信误码率在10-3以下。

关键词： LED照明通信； 蓝光LED； GaN PD； 集成芯片

中图分类号： TN 303文献标志码： 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、高亮度以及良好的线性度等优点，作为无线光通信的发信端相比传统射频具有突出的优势，光源至今已有RGB组合或蓝光芯片与荧光粉结合等种类[12]。调制技术也由开关键控（OOK）调制向脉冲位置调制（PPM）等发展[3]，复用技术包括波分复用[4]，频分复用[5]，多输入多输出正交频分复用（MIMOOFDM）[6]等，已有不少研究成果。LED光通信速率已由最初的Mbit级别提高到现在的Gbit级别[7]。目前LED照明通信已取得突破性进展，高速通信调制系统研制成功标志着LED照明通信开始向产业化发展。随着光刻等半导体生产技术的不断提高，集成器件的尺寸也越来越小，上述系统必然会被进一步集成。目前，复旦大学采用光波分复用和子载波调制，已实现双向无线光通信，可实现575 Mbit/s的RGB LED上行链路通信和300 Mbit/s 的基于荧光粉LED下行链路通信，通信距离66 cm，误比特率在硬判决前向纠错时限制在3.8×10-3以下[8]，但其损耗大、复杂性高、设备庞大，因此，双向无线双工光通信亟需低功耗且紧凑简易的装置。本文提出了一种双向照明通信集成芯片，其上有蓝光LED和GaN PD芯片。利用蓝光通信链路和紫外光通信[910]链路构成双向通信，同时降低串扰。采用串口通信协议和简易OOK调制解调装置对集成芯片进行单向、双向光通信测试及分析。

1系统设计

1.1集成芯片封装结构集成芯片支架采用3 W大功率LED 6引脚支架，6个引脚各自隔离，直径3.5 mm的支架铜座通一圆孔，孔直径1 mm，置GaN PD于圆孔处，调整蓝光LED位置远离圆孔。蓝光LED和GaN PD除了有公共的衬底，在电路上相互隔离。光学仪器第37卷

第3期杨馥瑞，等：蓝光LED和GaN PD集成芯片双向照明通信性能研究

紫外光源选取峰值波长365 nm的大功率LED灯珠（首尔半导体，CUN6AF1B）。蓝光LED光谱峰值波长450 nm，工作电流20 mA。GaN PD响应光谱峰值约为365 nm，截止波长约为370 nm，在365 nm和450 nm处峰值比为102。较大的峰值比使得同时进行可见光和紫外光通信在理论上可行，同时GaN PD对室内可见光不敏感。

系统组件如图1所示：同轴线上从左往右依次为硅光电二极管、紫外滤波片、集成芯片灯珠、石英双凸透镜、紫外光源，工作距离15 cm。实验时使紫外光源发送信号，同时测试在蓝光LED点亮、熄灭或调制光信号情况下GaN PD的响应波形。由于GaN PD光电流较小，容易受影响，故紫外通信质量为讨论重点，蓝光LED的可见光通信解调不再赘述。

图2为支架内集成芯片的示意图：左侧的蓝光LED向上发射蓝光，紫外光线垂直入射到右侧的特殊结构紫外GaN PD底面，两个二极管之间距离d为1 mm，GaN层为未掺杂半导体层。与以往nGaN和n+GaN传统结构不同，此处使用n型掺杂和未掺杂的GaN来形成肖特基结。此时，nGaN与金属接触为欧姆接触，GaN与金属接触为肖特基接触。n型欧姆接触用蒸发沉积Ti/Al/Ti/Au形成，LED上的p型欧姆接触通过溅射沉积Ni/Ag得到，肖特基接触通过蒸镀Ni/Al/Ti/Au得到，该类型GaN PD对波长370 nm以上的可见光几乎无响应。GaN PD和蓝光LED在同一个外延片上制作，一方面保证LED的质量，另一方面延续生产的流畅性。

1.3调制解调电路为了测试集成芯片性能选择简便的OOK调制。调制电路如图3所示，“PC”为电脑端，“MAX232”模块为串口电平转换电路，“转换电路”模块为驱动电压转换电路。发送信号控制三极管工作于饱和与截止状态，实现对紫外光源、蓝光LED的调制。为了让紫外光源恒流工作电流达到300 mA且不发送信号时处于常亮，需要将信号电压升压和反相并采用9 V的电源电压。图中转换电路由比较器组成，完成升压反相功能。通信软件选择串口通信助手，发送信号经MAX232转化为TTL电平，控制调制。设置发送波特率9 600 bit/s。

1.4恢复电路接收到的微弱光电流经前置放大器放大，转换为电压信号，主放大器对电压再放大以利于滤波器滤除杂波，最后由比较器恢复波形。前置放大器我们采用了SR570，将电流信号转换为电压信号；波形恢复中主放大器使用MCP6022芯片，将电压信号放大；最后使用LM393比较器正向输入比较，电位器调节参考电压，最终恢复波形。恢复电路如图4所示。

2实验结果及分析

2.1GaN PD光电流用半导体分析仪测量了在蓝光LED不同工作电流下，GaN PD两端偏置电压为0～20 V时电流的大小变化曲线，如图5所示GaN PD在紫外光照射下熄灭蓝光LED的IV曲线和蓝光LED工作电流密度变化下的IV曲线及暗电流IV曲线。图6调制信号（上）和接收信号（下）波形两端反向电压变化范围0～20 V，可以看出反向电流都有随着蓝光LED的工作电流增大而增大的趋势。芯片结构（见图2）中部分蓝光向GaN PD出射，光子被吸收到一部分，以及GaN材料都会吸收到LED的蓝光。目前为止，这种吸收造成的干扰无法排除，只有增大紫外光源的光功率，或者重新设计芯片结构，增加光学隔离层才能减少蓝光吸收对紫外通信的影响。

2.2集成器件单向照明通信质量测试电脑端发送字母“a”，GaN PD电流经前置电流放大器SR570放大转换后，用示波器同时观察发送信号和接收信号波形。图6给出了调制信号与探测信号的波形，对比两个波形可以看出，接收信号受调制电路带宽影响有些畸变，但响应速度较好。将蓝光LED恒流点亮，工作电流12 mA。让紫外光源发送信号，通过MAX232把接收信号传送至第二台电脑，观察串口通信助手接收区情况。发送端发送单个字母时，接收端接收的误比特率可达到10-6以下。该系统还可完成传送图像功能，串口助手启用文件数据源，如图7所示，接收端数据转向文件，文件类型事先设置为与发送端一致的jpg格式，图片大小5.7 kbit，发送完毕，接收端打开文件，图8为“学校LOGO.jpg”传输结果。

该实验说明在保证紫外GaN PD正常工作，且蓝光LED恒流工作，无意外抖动和断路的情况下，可以实现单向照明通信。

2.3集成器件双向通信质量测试调制蓝光LED，设置与紫外光源调制相同的发送波特率，紫外光源发送目的信号“a”字母，蓝光LED发送“j”字母作为噪声。GaN PD接收结果分为3组，分别对应蓝光LED工作电流密度84.8 mA/mm2、 168.0 mA/mm2、288.0 mA/mm2。图9（a）、（b）、（c）是蓝光LED恒流工作，不发送噪声下GaN PD输出，显示的均为“a”字母的波形。图9（d）、（e）、（f）是调制蓝光LED发送噪声时GaN PD的输出，显示为噪声与目的信号叠加。对比图9（a）、（b）、（c）可看出暗电流的增大对于紫外通信的质量没有明显的影响。这是因为暗电流恒定增大，反向电流总和增大，两者的差值即光电流不变，故不会影响通信质量。而图9（d）、（e）、（f）中出现的波形为“j”字母的信号波形，结果说明紫外通信目的信号被淹没在噪声中。将蓝光LED工作电流密度设为2.8 mA/mm2时，单向紫外通信接收端接收到“a”字母，误码率在10-6以下，见图10（a）。调制蓝光LED发送“j”字母干扰源，如图11所示，上方为“j”原波形，下方为硅光电二极管光电流放大后信号。由图可知波形除了背景噪声未有任何明显“a”波形痕迹，且紫外GaN PD光电流较小，不足以影响蓝光通信。图10（b）为GaN PD接收信号恢复的“a”波形，波形中也没有明显受蓝光LED调制信号影响的痕迹，但误码率为10-3。

4结果分析对可见光响应的原因有两种：（1）内光电效应吸收（IPA）电流和体光生电流；（2）由于金属和uGaN接触面的表面捕获到电子导致肖特基势垒降低，以及外加电场下镜像力增大，使得电流增大。响应度R的表达为R=IP（1）式中：P为入射光功率；I为光照下产生的电流。一定光功率下，I越大，响应度越高，对外界的影响就越不敏感。I=-expΔΦsbKTIr-IGEN-IIPA（2）式中：K为玻尔兹曼常数；T为绝对温度；IGEN为光生电流；IIPA为内光电效应吸收电流，由Vickers model计算得到；ΔΦsb是肖特基势垒下降的高度；Ir为反向暗电流。在紫外辐射下，GaN PD的光电流为基于势垒下降因子ΔΦsb1的指数形式，由于ΔΦsb1与空乏区宽度d呈线性比例，而d随反向偏压增大而增大，d∝V1/2故I在高反向电压时激增，所以，可以尝试增大反向电压来提高双向通信质量。由于双向通信质量也受制于GaN PD中缺陷情况，缺陷越多则对非紫外光子吸收越强，暗电流增大，光电流不变时，后续恢复电路对器件要求很高。蓝光LED与GaN PD距离很近，当蓝光LED工作电流超过一定数值，由于缺陷吸收产生的电流将严重影响通信质量，故提高外延片的质量为改进集成芯片性能的第一步。3结论本文使用简单的OOK调制和解调方法对蓝光LED和紫外LED进行通信调制，证实了蓝光LED和GaN PD的集成芯片可以实现照明通信。在保证蓝光LED和GaN紫外GaN PD正常工作的情况下，GaN紫外GaN PD具有对室内光良好的抗干扰性，可以实现单向照明通信即蓝光LED恒流照明同时紫外光路通信。由于GaN PD对蓝光有一定吸收，造成双向通信时不能供给蓝光LED过大电流，否则通信失败。对于这种集成芯片，可以在几个方面进行优化：（1）提高外延片质量；（2）改变GaN PD位置及其半导体层厚度，或增加反射层，以减少GaN PD对毗邻LED光的吸收；（3）增大GaN PD两端反向电压等等。参考文献：

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（编辑：刘铁英）