基于垂直结构GaN LED的水下蓝光通信系统

2022-08-19王永进王林宁高绪敏胡泽锋

电子与信息学报 2022年8期

王永进高羽王林宁高绪敏胡泽锋

(南京邮电大学通信与信息工程学院南京 210003)

1 引言

海洋是人类最宝贵的资源和财富，由于陆地资源的短缺，对海洋的勘探和开发日益加强。水下无线光通信(Underwater Wireless Optical Communication， UWOC)技术[1–5]成为一个令人兴奋的新前沿，在海洋勘探、水下传感器网络和海底通信方面具有突出的技术优势和潜力。一方面，由于趋肤效应[6]，射频电磁波在水中传播时衰减过大，而光避开了由于海水的高导电性(3.5～5 dB/m)而导致射频在水中衰耗过大，解决了通信距离过短，带宽低，延迟高等水声通信的难题[7]。而随着LED性能的不断提升，UWOC的相关研究和产业化越来越热，相比较声学和射频同类产品更节能，更具成本效益。同时，UWOC系统相比于高能耗的大型且昂贵的声学和RF收发器，它可以实现相对较小且低成本的光学水下收发器。另外，光波具有高带宽，但由于温度波动、散射、色散和光束转向，它们会受到其他传播效应的影响，由于光学频段的严重吸水和悬浮粒子的强烈反向散射，无线水下通信仅限于短距离，但水下EM光谱的蓝绿色波长存在相对低衰减的光学窗口[8]，因此蓝绿色的光在水中的传输距离较长。同时，光在海水中受温度和盐度的影响较小抗干扰能力强[9–11]。

当前水下可见光通信主要分为基于蓝绿光LED和激光通信两种方式，其中激光通信的通信功率大，在水中的传输距离较远，但由于存在相干闪烁问题且实际通信中需要精确对准，在实际的操作过程中会造成困难，而基于蓝绿光LED的通信方式在通信过程中无需严格对准，并且集聚照明与通信功能为一体[12]。因此，基于蓝绿光LED的水下可见光通信技术是未来水下通信的主要发展方向。本文通过自主研发的垂直结构GaN LED作为发射器，利用高灵敏APD作为接收器设计了一款发射功率大，通信速率为2Mbps的全双工视频通信系统。

正文主要分为两大部分进行阐述，第1部分介绍高性能垂直结构GaN LED的制备与性能分析，第2部分详述搭载该LED的光通信系统，包含水下蓝光通信系统的搭建，高速大功率驱动发射电路设计，高灵敏接收放大的实现，以及现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array， FPGA)与外部设备数据交互组网。

2 水下蓝光通信系统的实现

在国内外中，现阶段大多数高速远距离的水下可见光通信系统均采用任意波形发生器(Arbitrary Waveform Generator， AWG)产生的调制信号来驱动LED并通过接收器在示波器上进行显示，对实验具有指导意义，但是在实际的通信需求中仍有很大区别，如表1给出近几年水下可见光通信的部分研究成果。而本文则是通过摄像头传输实际的720P视频信号，其中水下蓝光视频通信系统的实现主要分为以下4个方面：GaN LED的制备以及器件特性是水下通信的物理基石，水下通信系统的设计是整个通信实验的基本框架，硬件电路是合理驱动LED和光电探测器的必要条件，FPGA部分的软件代码是实现通信传输的基石。

2.1 GaN垂直结构LED制备和器件表征

硅基GaN垂直结构器件的制备过程如图1(a)所示。首先，为了去除晶圆表面的颗粒物等杂物，本文使用超声清洗机对外延晶圆进行清洗，然后对晶圆进行脱水烘烤[17]；其次，使用旋涂法在晶圆的表面涂抹7μm的光刻胶，经离心力的作用下在整个晶圆上均匀铺开，为了将掩膜版上的器件形状转移到光刻胶上则使用紫外光线透过掩膜版照射曝光，并加以显影处理。同时，通过感应耦合等离子体(Inductive Coupled Plasma， ICP)刻蚀技术使用Cl2/BCl3混合气体在磁场的作用下高速运动撞击晶圆表面，对没有光刻胶保护的部分晶圆进行刻蚀，最终得到设计好的器件形状[18，19]。在经过刻蚀之后，本文采用无掩模刻蚀工艺对缓冲层以及GaN层进行去除，以及n-GaN层的减薄、粗化处理，由此可以有效抑制芯片内部的光波导模式，可以制备出光效率高的GaN垂直结构器件[20]，为了进一步提高LED出光效率和发光强度，将减薄后的氮化物底部集成金属反射Ag镜。最后，在器件表面涂抹光刻胶使用紫外线透过另一个掩膜版进行照射并放入显影液显影，接着通过ULVAC Ei-5z电子束蒸发机在芯片表面进行电子束蒸镀 Cr/Pt/Au(10/200/1800 nm)[21]，然后将多余的金属以及光刻胶进行去除得到n电极；同样地，在器件的背后电子束蒸镀形成p电极，这样就完成了垂直结构GaN LED的全部制备流程。图1(b)为制备的垂直结构GaN LED扫描电镜图，器件的尺寸约为990 μm×428 μm。垂直结构LED能够减少器件内部的光学模式，提高出光效率；减小器件的电容电阻时间常数，提升器件的调制带宽[22]。

图1 GaN垂直结构LED制备

对此GaN器件主要包括电流-电压(I-V)特性表征，光谱特性和通信性能的测试。GaN LED的电流-电压(I-V)特性采用半导体参数仪进行表征。如图2(a)所示，当注入电流为0.26A时测得电压为3.5 V，并使用PM100A光功率计测量单颗GaN LED的输出光功率约为60～65 mW，同时该I-V曲线在3.5 V至5 V呈线性趋势，可以计算出动态电阻为1.36 Ω，正常工作时功率约为6 W。图2(a)的插图所示为GaN LED当注入0.26A时的发光图像，该器件的发光强度随着电流的增加而线性增加。

由于在GaN量子阱层内约束载流子的复合，LED可以发出宽谱的光，采用直流电源为GaN-LED提供不同的恒定电流，同时用光谱仪对LED的发光强度进行测试。如图2(b)所示，LED的电致发光(EL)光谱被绘制成与注入电流相关的函数。当LED流入电流从0.4 A增加到0.8 A时，发光强度逐渐增强，发光谱峰从450 nm偏移到456 nm，且随电流增加偏移不明显。

图2 GaN垂直结构LED器件表征

本文搭建了蓝光通信实验系统，验证GaN LED的通信性能。其中发送端由信号发生器以0.8 V的峰值电压和4V的偏置电压直接驱动LED，将伪随机二进制序列(Pseudo-Random Binary Sequence，PRBS)信号调制成光信号。在接收端，采用滨松C12702-11探测器将光信号转换为电信号，用示波器进行接收及其表征。如图3(a)所示，接收到的PRBS信号与发送的信号一致，数据通信速率为10 Mbps。同时该PRBS信号的峰值幅度在100 mV左右，包络线非常清晰，说明GaN LED能够达到10 Mbps的基带传输速率，且远远未达到极限。

图3 GaN LED通信性能测试

2.2 软件设计

本文实现了二进制开关键控(On-Off Keying，OOK)调制以及里所码(Reed-Solomon codes，RS)编解码技术，通过使用该技术可以提高水下蓝光通信系统的数据传输速率和视频通信的可靠性，并利用FPGA的优势，该系统在后续的维护和升级较为简单。

如图4所示，FPGA通过以太网接口代码实现对物理层芯片的数据读写，在RGMII数据接口模块上利用以太网协议实现FPGA与外部设备的数据交互。在发送端，数据从网口取出以后，首先放入FIFO Buff进行数据缓存，然后在有限状态机的控制下进行数据封帧以及RS信道编码。OOK调制模块负责对信道编码后的数据进行调制，FPGA通过并串转换将编码后的字节数据不断以1 bit方式串行输出，并配置循环计数器的数值完成OOK信号的频率设置，持续发送带宽为1MBaud的OOK信号，当发送1 MHz 方波时表示电平数值“1”，发送2 MHz方波时表示电平数值“0”，若无数据则由VLC_tx控制不断发送单个字节前导码“55”。在接收端，经比较器输入至FPGA的OOK调制信号经过VLC_rx模块将单比特信号进行串并转换，使用接收时钟计数将接收到的8 bit信号转换成1 Byte数据，由于收发两端电路不为同一个时钟，故接收端通过异步接收方式接收单比特数据作为跨时钟域处理，在接收端，计数器通过检测到第1个上升沿开始计数，当检测到下降沿时进行判决，统计高电平持续时长，若该高电平为短电平(200～340 ns)且前一个高电平也为短电平，则判断接收到的信号为“0”，若检测到高电平为长电平(300～600 ns)且前一个短电平的状态位为0则接收到信号为“1”，若接收的电平都过长或过短则发出错误位，跳过此次接收等待下一个上升沿检测；最后将接收到的字节数据通过RS解码并将解码后的信号送入到发送端FIFOBuff进行存储，通过以太网接口将该数据经网口输出到外部设备，至此完成视频通信全部过程。

图4 FPGA软件系统框图

2.3 硬件设计

2.3.1 高速调制驱动发射电路

本文水下蓝光通信系统，通过设计大功率MOS管驱动电路来控制GaN LED的发光强度变化，利用MOS管的高响应速率实现对水下蓝光通信系统的通信速率提升，同时MOS管可承载电流较大可满足大功率GaN LED的需求，从而改善通信系统的通信性能。由于GaN LED长时间工作在大功率的情况下，温度会对LED的内阻产生影响，导致在一定的电压下GaN LED的电流增加。因此，本文设计了反馈恒流电路用来限制LED电流以避免LED在长期工作下因热损坏而导致通信中断。在图5(a)中，本文采用升压恒流芯片LTC3780为LED提供电压，同时利用LTC3780具有折返输出电流限制功能结合MCU的模拟输入口在MOS管源极对电阻R1进行电压采样，并求取电流与设定的LED能接收的最大电流比较，最后将比较后的信号由MCU输出通过ADC模块反馈至LTC3780芯片的参考端，以此达到LED端恒流的目的。图5(a)中的Vled为LTC3780提供的LED驱动电压，同时为了防回流在LED上串联肖特二级管SS54。

在图5(b)中红色曲线是OOK调制信号经电流放大后加载至MOS管栅极波形，峰峰值电压为11～12 V，蓝色曲线为MOS管漏极电压，波形与栅极波形相反由此反映出MOS管开断这一现象，其Vpp约为4 V。

图5 发射端电路和测试波形

2.3.2 接收增益放大设计

为了接收水下蓝光调制信号，本文设计了高灵敏水下蓝光接收电路，主要由雪崩光电二极管(Avalanche Photo Diode， APD)、信号处理电路和高电压电源电路所构成。通过实验结合发射端GaN LED的光功率以及水中的信道衰减模型，本文采用灵敏度高、速率快的APD，在水下可视范围内拥有很高的灵敏度。

由于实际通信过程中，因为通信距离突然减小可能会引起接收端APD所接收的光过强，光电流随之变大而导致比较器输出电平持续变高，从而导致通信链路中断，因此本文设计了自动增益控制电路，在图6(a)中，通过AGC模块采样跨阻放大器(Transimpedance Amplifier， TIA)输出端的调制信号，并将采样的信号送入FPGA中存储，在正常通信中经过多次采用后进行取平均值得到现阶段下的阈值电压，如果下次采样后的电压值偏离阈值电压超过40%后，AGC模块将根据偏离的电压动态调整APD的电压，从而控制APD的增益，实现了水下蓝光视频通信的距离自适应。同时为了降低自然光的低频噪声的影响，将跨阻放大器放大后的调制信号送入高通滤波器中。

图6 接收端电路和波形测试

2.4 水下蓝光通信系统设计

水下蓝光通信系统的发射端由网络摄像头、FPGA、MOS管驱动电路、GaN LED与光学系统构成，通过传输信道，由对端光学系统与APD、TIA放大器、FPGA、计算机作为接收端还原视频图像。发射端部分中，由网络摄像头输入的视频信号通过以太网接口连接至FPGA经RS编码、OOK调制等过程传输至MOS管驱动电路，然后通过GaN LED供电电压的变化实现对LED的亮暗程度进行控制，再经过发射透镜减少GaN LED的散射和功率衰减，提高光的传输距离。在接收端，通过光学透镜聚焦的光信号经接收端的APD感知并输出成电流。经APD探测到的光电流通过TIA放大电路进行放大，并通过迟滞比较器和滤波等多级信号处理后输出为FPGA的VLC_rx模块能够识别判决的数字信号波形；最后，接收的视频信号被解调、RS解码后恢复成发送端摄像头的比特流视频信号，将信号通过以太网口接口连接至计算机通过网页显示视频图像。整个视频通信的过程中是基于网络摄像头的TCP协议进行的双工视频通信，在通信的过程中可以保证链路的稳定。由于TCP协议需要通信双方进行3次握手连接，因此在图7(b)中分别有发射接收端1和发射接收端2，至此可以保证通信链路为双工通信。而图7(a)为水下蓝光通信系统在工作时的单向示意图，在图中可以看出单向信号的处理过程及流向。