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(fā)布時間:2016-03-20

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 近年來，隨著白光發(fā)光二極管（LED）技術(shù)的大力發(fā)展，可見光通信（Visible Light Communication，VLC）成為新一代無線通信技術(shù)的研究熱點(diǎn)之一。VLC也叫LiFi（Light Fidelity），2011年，來自愛丁堡大學(xué)的德國物理學(xué)家Hardal Hass教授在TED大會上發(fā)表了一個關(guān)于LiFi技術(shù)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(shù)，結(jié)合了光的照明功能和數(shù)據(jù)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(diào)制在LED光源上，通過快速開關(guān)產(chǎn)生人眼無法感知的高頻閃爍信號來傳送數(shù)據(jù)。

LiFi的優(yōu)勢
相比于當(dāng)前主流的WiFi通信技術(shù)，LiFi有如下優(yōu)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(shù)能量只是消耗在基站的冷卻上，而LiFi的數(shù)據(jù)可以并行傳輸，同時提高效率；
（3）實(shí)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(jī)上、手術(shù)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(diǎn)；
（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(wǎng)絡(luò)的隱私安全。
作為兼顧照明和通信的新技術(shù)，LiFi在追求高傳輸速率的同時，不能影響照明的質(zhì)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(diào)制性能好、發(fā)射功率大和響應(yīng)靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，又要滿足照明光源高亮度、低功耗和輻射范圍廣等特點(diǎn)。

LiFi光源選擇
1、LED
目前LiFi技術(shù)采用的光源大多數(shù)是白光LED，很大一部分的原因得益于LED技術(shù)的快速發(fā)展。而白光LED的實(shí)現(xiàn)方式主要有：藍(lán)色LED芯片激發(fā)黃綠色熒光粉轉(zhuǎn)換成白光（PC-LED）、紫外光或紫外LED激發(fā)三原色熒光粉產(chǎn)生白光和紅、綠、藍(lán)3種LED芯片封裝在一起混合產(chǎn)生白光（RGB-LED）。現(xiàn)階段商用的白光LED產(chǎn)品根據(jù)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(diào)制帶寬決定了通信系統(tǒng)的信道容量和傳輸速率，研究LED器件的調(diào)制特性是提升新型LiFi系統(tǒng)性能的關(guān)鍵問題之一。LED調(diào)制帶寬的定義是當(dāng)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(yīng)比較滯后，如圖3所示，導(dǎo)致LiFi光源的調(diào)制帶寬限制在幾個兆赫茲以內(nèi)，從而限制了整個系統(tǒng)的通信速率，即使在接收端采用藍(lán)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(zhuǎn)向RGB LED，它能提供較高的調(diào)制帶寬，在3種顏色的光波上用波分復(fù)用的方式提高信道容量，調(diào)制不同的數(shù)據(jù)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(fā)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(shí)現(xiàn)工作溫度獨(dú)立的色點(diǎn)，需要對每個單色LED的反饋循環(huán)和驅(qū)動電流進(jìn)行單獨(dú)控制，這樣對器件的制備帶來了較高的成本和復(fù)雜的調(diào)制電路。LED的調(diào)制帶寬受響應(yīng)速率限制，而響應(yīng)速率又受載流子壽命的影響。除了設(shè)計調(diào)制電路，降低RC（resistance-times-capacitance）延時之外，常規(guī)提高器件調(diào)制帶寬的方法是增加電子空穴的輻射復(fù)合速率，減少載流子自發(fā)輻射壽命。常用載流子復(fù)合ABC模型如公式（1）所示。

式中，N表示發(fā)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(zhì)缺陷復(fù)合系數(shù)，B表示自發(fā)輻射（雙分子）系數(shù)，LED射燈，C表示Auger復(fù)合系數(shù)，BN2表示自發(fā)輻射速率。通過增加注入載流子濃度來減少載流子自發(fā)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(fù)合幾率增加，輻射復(fù)合載流子壽命降低，電光轉(zhuǎn)換快速響應(yīng)。Delta摻雜技術(shù)也實(shí)現(xiàn)了載流子的大量注入，從而降低了載流子壽命，實(shí)現(xiàn)相同電流密度下調(diào)制帶寬的提高。
載流子濃度的變化會影響到LED的內(nèi)量子效率，如公式（2）所示：

式中，εrad是內(nèi)量子效率。如表1所示，其中A、B、C的取值選取文獻(xiàn)中實(shí)驗的賦值，CE認(rèn)證，而理論的常規(guī)賦值中Auger復(fù)合系數(shù)比實(shí)驗得到的結(jié)果小了4個數(shù)量級，可能的原因是雜質(zhì)和聲子作為中間介質(zhì)參與Auger復(fù)合過程，使得C值實(shí)際中很大。另外一種可能是droop效應(yīng)是由載流子溢出等作用的結(jié)果，與Auger輻射無關(guān)。

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