可见光通信感知一体化芯片及关键技术

王永进 尹清溪 叶子琪 傅 康 王 浩 苏宇龙 高绪敏

(南京邮电大学通信与信息工程学院 南京 210003)

1 引言

随着信息时代的飞速发展，无线通信的用户也在随着急剧增长，而无线频谱资源的短缺和用户数量的增多的矛盾却制约了通信的进步[1]。而解决这一问题的关键在于对频谱资源节流开源。与5G相比，6G作为新一代的移动通信系统，支持更高的数据速率、更低的时延和更高的可靠性[2]，并且更加亲和用户和业务，即可以为用户提供针对性更强的高质量服务。此外，6G也将无线融合通信纳入研究范畴，其中通信和感知融合就是一种典型的融合通信。在目前信息时代，通信和感知是独立存在的，例如4G通信系统只负责通信，雷达系统只负责测速、感应、成像等功能[3]。这样分离式的设计既造成了频谱资源和硬件资源的浪费，又因为各自独立带来了信息时延较高的问题。而通信感知一体化[4]是节约频谱资源的可靠方法，除此之外，可见光通信[5]则是有效对现有频谱资源的补充和开拓，可见光通信作为新一代无线通信技术，是我国“十三五”重点发展的信息技术之一。可见光的波长范围在380～780 nm[6]，具有高带宽、高速率、保密性好、频谱资源丰富等优点[7]，未来能够在灯光上网、室内导航和定位[8]、水下通信[9]、智能安防[10]、智能交通[11]和智慧城市中得到推广与应用[12]。

基于以上两个原因，结合量子阱二极管发光谱和探测谱出现部分重叠的物理现象[13]，同时，量子阱二极管可以吸收另一个同一结构二极管的光子[14]，并转化为光电流输出。这意味着在同一个芯片上集成多个相同的量子阱二极管，分别作为通信发送和探测感知器件，就可以实现单个芯片通信感知一体化。将可见光通信和感知融合，可以有效减少频谱的消耗，同时减少了收发设备的数量和体积。可将其应用于可见光音频通信、视频通信、可见光脉搏测量装置或其他光电反射式传感器，均有广阔的应用前景。

进入6G时代，通信频谱不会局限于电磁波，可见光通信也是重要一环，未来通信的频谱也会与感知频谱结合，这就需要研究新技术探讨二者融合，可见光通信感知一体化可以方便实现通信与感知资源的联合调度[15]。

2 氮化镓量子阱二极管的制备

首先我们采用10 cm蓝宝石衬底，利用金属-有机化学气相沉积(Metal Organic Chemical Vapor Deposition， MOCVD)技术制造InGaN/GaN 多量子阱(Multiple Quantum Wells， MQW)结构的外延薄膜，然后通过电感耦合等离子蚀刻方法蚀刻外延薄膜实现器件隔离，其次通过溅射法沉积出230 nm厚的透明氧化铟锡(Indium Tin Oxide， ITO)电流扩展层，接着利用氮气对其进行7 min热退火，使其稳定，减少变形和裂纹倾向。用HCl/FeCl3混合物腐蚀ITO层，直至暴露n-GaN表面。将混合金属堆沉积在n-GaN和ITO表面，然后进行金属脱离和快速热退火，通过等离子体增强化学气相沉积(Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD)沉积1000 nm厚的SiO2层。然后通过光刻技术确定键合板区域，通过电子束蒸发沉积金属焊盘，接着进行金属脱附和快速热退火。最后采用激光加工技术切割芯片。

该氮化镓光电子集成系统(Monolithic GaN Optoelectronic System， MGOS)厚度0.2 mm，长5.1 mm，宽4.3 mm，质量19 mg。该系统集成了具有相同量子阱结构的光发射器件(Transmitter)和接收器件(Receiver)。由于发射器件的发射光谱和接收器件的光探测谱存在重叠区，接收器件能够吸收同质集成、具有相同量子阱结构的发射器件发出的短波长高能光子，生成光电流。图1(a)为该氮化镓光电子集成系统的光学图像，两个相同结构的量子阱二极管，分别作为发射器件和接收器件。p电极和n电极分别通过金属线连接到焊盘上，然后通过金属线进行焊接以进一步测试表征。图1(b)是量子阱二极管的放大图像，图中标记的台面(mesa)是二极管的发光区域。

图1 MGOS光学图像

3 氮化镓量子阱二极管的表征

对此二极管的表征主要包括电流-电压(I-V)特性测试，反向光电流的表征，发光强度和探测能力的测试，通信性能的测试。

采用半导体参数仪对二极管的电流-电压(I-V)特性进行表征。该二极管的电流-电压(I-V)特性如图2所示，正向开启电压是2.2 V，此时二极管内通过电流为0.22 mA，该二极管的发光强度随着电流的增加而线性增加。

图2 I-V特性

采用光谱仪对二极管的发光强度进行测试，同时给二极管注入不同的电流，如图3所示，二极管的电致发光光谱(ElectroLuminescence， EL)被绘制成注入电流的函数。当二极管注入电流从5 mA增加到25 mA时，发光谱波峰从514.9 nm蓝移到512.3 nm。二极管的探测谱通过Oriel IQE-200B系统的单色光照明探测设备来测量。从图3可以看出此二极管的探测响应率在波长386 nm达到最高点，后面随着波长的增加而减小。在二极管的EL和响应谱之间有接近26.9 nm的光谱重叠，这一发光探测共存特性使两个相同的二极管建立通信感知一体光通信系统成为可能。

图3 发光探测谱

选取同一块氮化镓光电子集成系统上相同的两个器件分别作发射器件和接收器件，给发射器件注入不同的驱动电流，让其发出不同亮度的光，不同亮度的光透过衬底影响接收器件。使周围的环境处于暗室条件下，用作接收的二极管处于0 V的偏置电压下，通过半导体参数仪进行光电流探测表征，如图4所示，当发射器件的注入电流从0 mA增加到10 mA时，探测到的电流变化范围从0～–0.656 μA，结果表明量子阱二极管可以吸收另一个同一结构二极管的短波长光子，同时产生光电流。

图4 接收器的光电流与发射器注入电流的关系

使用两个相同的量子阱结构的二极管分别作为发射器件和接收器件工作，构成无线光通信系统。波形发生器以1.2 V的峰值电压和2.6 V的偏置电压直接驱动发射机将伪随机二进制序列(Pseudo-Random Binary Sequence， PRBS)信号编码为光信号。在另一端，零偏置的接收器将光信号转换成电信号，直接发送到数字存储示波器进行表征。接收到的伪随机二进制序列(PRBS)信号与发射到的伪随机二进制序列(PRBS)信号一致，数据通信速率为2 kbps，如图5(a)所示。当接收电压为2.2 V时，正向电压高于二极管的开启电压，数据通信速率为2 kbps，如图5(b)所示，在这种情况下，二极管同时发光和接收光。

图5 通信性能测试

4 逆向光通信系统

将具有相同量子阱结构的量子阱二极管器件制备在同一块芯片上，分别作为发光器件和接收器件，使用一个固定频率的机械快门和一个银镜作为反射光调制器，共同组成自由空间逆向光通信系统，如图6所示。

图6 逆向光通信系统示意图

当发射器件发射的光击中银镜时，它会从镜上反射回一个反向的光束。机械快门调节反射光，从而对信息进行编码。分别使用DC直流信号、5 Hz方波信号、10 Hz方波信号作发射器件输出，得到相应的接收信号如图7所示。

图7 发射器与调制器的叠加信号

用作接收器件的二极管吸收反射光，将光学信息转换为电信号。光输出随着发射器件正向电压的增加而增加，这引起了背景光的增加，此外，反射镜以固定频率反射回的光，也因发射器件输出光的增加而增加，这增加了被调制的光电流的振幅，受这二者影响所产生的光电流是叠加关系。如图8所示，随着发射器件正向电压从3 V增加到3.8 V，背景光电流的幅值由545 nA增加到1195 nA，反射光引起的光电流由12.5 nA增加到17.5 nA，其中接收器件偏置为零。单阵列集成的氮化镓二极管与接收器件同侧使用，吸收反射光产生叠加信号，利用自干扰抵消方法可以有效地解码。

图8 接收器的光电流与发射器电压的关系

5 结束语

本文基于氮化镓量子阱二极管的发射光谱和光探测谱存在重叠区这一物理现象，将两个相同量子阱结构的二极管采用兼容制造工艺集成在一块芯片上，分别作发射器件和接收器件，研制了氮化镓量子阱二极管芯片。

与传统通信系统相比，采用可见光通信，可以发挥其抗干扰能力强、传输速率高、保密性强等优势，实现了通信感知一体化，使得系统高度集成，体积更小。将其应用在音频双工通信、光学，对于未来6G通信具有重要的意义。