什么樣的光源才能用作可見光通信（LiFi）

文章來源:恒光電器

發布時間:2016-03-20

瀏覽次數:次

 近年來，隨著白光發光二極管（LED）技術的大力發展，可見光通信（Visible Light Communication，VLC）成為新一代無線通信技術的研究熱點之一。VLC也叫LiFi（Light Fidelity），2011年，來自愛丁堡大學的德國物理學家Hardal Hass教授在TED大會上發表了一個關于LiFi技術的演講，首次將“VLC”稱為“LiFi”。
LiFi是一種基于光（而不是電波）的新興無線通信技術，結合了光的照明功能和數據通信功能，如圖1所示。LiFi是在不影響LED照明的同時，將信號調制在LED光源上，通過快速開關產生人眼無法感知的高頻閃爍信號來傳送數據。

LiFi的優勢
相比于當前主流的WiFi通信技術，LiFi有如下優勢：
（1）容量方面，無線電波的頻譜很擁擠，而可見光的頻譜寬度（約400THz）比無線電波多10000倍；
（2）效率方面，無線電波基站的效率只有5%，大多數能量只是消耗在基站的冷卻上，而LiFi的數據可以并行傳輸，同時提高效率；
（3）實用性方面，LED球泡燈，無線電波只是在基站中獲取，不能在飛機上、手術室或者加油站使用WiFi，而全球的每個燈都可容易地接入LiFi熱點；
（4）安全性方面，無線電波很容易被侵入，而可見光不可以穿墻，甚至窗簾，提供了網絡的隱私安全。
作為兼顧照明和通信的新技術，LiFi在追求高傳輸速率的同時，不能影響照明的質量和要求，尤其是在光源的研制上。LiFi的光源既要具備通信光源調制性能好、發射功率大和響應靈敏度高等優點，又要滿足照明光源高亮度、低功耗和輻射范圍廣等特點。

LiFi光源選擇
1、LED
目前LiFi技術采用的光源大多數是白光LED，很大一部分的原因得益于LED技術的快速發展。而白光LED的實現方式主要有：藍色LED芯片激發黃綠色熒光粉轉換成白光（PC-LED）、紫外光或紫外LED激發三原色熒光粉產生白光和紅、綠、藍3種LED芯片封裝在一起混合產生白光（RGB-LED）。現階段商用的白光LED產品根據光譜成分的不同，主要分為兩大類：PC-LED和RGB-LED，兩類白光LED的光譜如圖2所示。

        LED的調制帶寬決定了通信系統的信道容量和傳輸速率，研究LED器件的調制特性是提升新型LiFi系統性能的關鍵問題之一。LED調制帶寬的定義是當LED輸出的交流光功率下降到某一參考頻率值的50%時（-3dB）的頻率。由于PC-LED的黃色熒光粉光譜部分的光電響應比較滯后，如圖3所示，導致LiFi光源的調制帶寬限制在幾個兆赫茲以內，從而限制了整個系統的通信速率，即使在接收端采用藍色濾波片也未能明顯改善該光源的缺陷。

因此，越來越多的LiFi研究將光源轉向RGB LED，它能提供較高的調制帶寬，在3種顏色的光波上用波分復用的方式提高信道容量，調制不同的數據并行傳輸，并在接收端通過各顏色的濾波片分別接收3種顏色，有效提高發送效率。但是RGB-LED中不同顏色的LED對于輸出光通有不同的工作溫度依賴性，為了實現工作溫度獨立的色點，需要對每個單色LED的反饋循環和驅動電流進行單獨控制，這樣對器件的制備帶來了較高的成本和復雜的調制電路。LED的調制帶寬受響應速率限制，而響應速率又受載流子壽命的影響。除了設計調制電路，降低RC（resistance-times-capacitance）延時之外，常規提高器件調制帶寬的方法是增加電子空穴的輻射復合速率，減少載流子自發輻射壽命。常用載流子復合ABC模型如公式（1）所示。

式中，N表示發光有源層的載流子濃度，單位為cm-3，建筑照明，綠色照明，A表示Shockley-Read-Hall（SRH）介質缺陷復合系數，B表示自發輻射（雙分子）系數，LED射燈，C表示Auger復合系數，BN2表示自發輻射速率。通過增加注入載流子濃度來減少載流子自發輻射壽命，而增加載流子濃度的方法有加大注入電流和Delta摻雜。大電流下，注入載流子濃度增加，因而激子復合幾率增加，輻射復合載流子壽命降低，電光轉換快速響應。Delta摻雜技術也實現了載流子的大量注入，從而降低了載流子壽命，實現相同電流密度下調制帶寬的提高。
載流子濃度的變化會影響到LED的內量子效率，如公式（2）所示：

式中，εrad是內量子效率。如表1所示，其中A、B、C的取值選取文獻中實驗的賦值，CE認證，而理論的常規賦值中Auger復合系數比實驗得到的結果小了4個數量級，可能的原因是雜質和聲子作為中間介質參與Auger復合過程，使得C值實際中很大。另外一種可能是droop效應是由載流子溢出等作用的結果，與Auger輻射無關。

由載流子ABC模型能夠獲得測試設備很難測量的重要電光特性，如載流子濃度-內量子效率曲線，如圖4所示。在理論值的計算上，內量子效率漸漸趨于100%，但是實際中LED器件的內量子效率會出現上升到峰值再下降的droop效應，并且輸出光通量與注入電流的關系也會有droop效應。LED的調制通常發生在工作區，在飽和區進行調制會帶來很差的信噪比，CE認證，所以要控制好注入電流的范圍。