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复旦大学科研人员首次利用micro-LED集成芯片实现水下双工无线光通信

2021-04-28    

中国照明网报道

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导语: 为了突破现有双工UWOC技术瓶颈,复旦大学的田朋飞课题组首次利用micro-LED(微米级LED)作为一体化集成芯片,实现了高性能双工UWOC以及水下充电综合应用系统的构建,并详细地研究micro-LED集成阵列的的光发射、光电探测以及光伏发电功能。系统通过基于micro-LED的发射器和光电探测器可以实现高速双工UWOC,而基于micro-LED的太阳能电池应用则可以提供能量供给。

  建设现代海洋产业体系是国家十四五规划积极拓展海洋经济发展空间的重要举措,水下无线通信是需要突破的关键核心技术。相比于水下无线声纳通信和水下无线射频通信,水下无线光通信(Underwater Wireless Optical Communication, UWOC)技术拥有更高的数据传输速率,更低的传输延迟和更低的实现成本。但是由于水下通信环境的复杂性,光信号会受到衰减和干扰,因此通信距离和通信速率也会受到限制。如何通过研制新型的发光和探测芯片、通信算法等来解决这个问题成为了研究人员关注的重点。此外,水下通信等设备的自主充电功能,是实现高效率、长寿命、高稳定性系统的技术核心所在,确保了设备的续航能力。

  为了突破现有双工UWOC技术瓶颈,复旦大学的田朋飞课题组首次利用micro-LED(微米级LED)作为一体化集成芯片,实现了高性能双工UWOC以及水下充电综合应用系统的构建,并详细地研究micro-LED集成阵列的的光发射、光电探测以及光伏发电功能。系统通过基于micro-LED的发射器和光电探测器可以实现高速双工UWOC,而基于micro-LED的太阳能电池应用则可以提供能量供给。通信和充电功能的结合将有助于实现自供电的UWOC系统,并减少对外部电源的依赖。基于micro-LED阵列的系统集成了光发射、光电探测和光伏发电功能,在保证了高速UWOC的同时,延长了系统使用寿命,相关研究在海底勘探、洋流监测和其他复杂多变的水下环境应用将具备极为广阔的应用前景,整体应用场景如图1所示。

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图1基于micro-LED阵列实现的双工UWOC和水下充电综合应用场景。

  作为光发射器,得益于小尺寸的特性,micro-LED具备高光效、高调制带宽、低功耗等独特优势,非常适用于可见光通信应用。在该研究中,研究人员利用开关键控调制(On-Off Keying, OOK),结合micro-LED的光发射功能,在2.3 m长的水下信道中实现了最高660 Mbps的实时通信速率。更进一步的,基于同一micro-LED器件,其水下光电探测潜力也得以充分开发,由于Ⅲ-Ⅴ族氮化物材料大的禁带宽度、高吸收系数、高饱和电子漂移速度等特性,micro-LED基光电探测器具备高响应度、高比探测率、优秀的线性度、波长选择性等优点。同样采用OOK调制,在-5 V和0 V偏置电压条件下,器件能分别取得最高60 Mbps和52.5 Mbps的通信速率上限。可以看到,在外部偏置电压下,器件的最大数据速率仅发生微小变化。结果表明,micro-LED用作光电探测器时,具备自供电的特性,无论有没有外部电源,其均能处于高性能的工作状态,并具有实现高速双工UWOC应用的能力。

  在上述双工UWOC技术的基础上,研究人员还证明了micro-LED用于光伏发电的可行性。对于在水下环境,特别是深海环境的UWOC应用中,太阳光所难以抵达的场合,其将主要收集来自发射端的光能以实现水下充电。对于典型的UWOC系统而言,其光发射器通常采用直流和交流结合驱动的方式,并且发射光的大部分能量是直流分量,不包含数据信息。如果将micro-LED用作接收器,那么通过合理的电路设计,在检测交流信号的同时,可以将分离出的直流分量转换为电能进行存储,这将大大提高整个UWOC系统的能源利用效率,并有助于提高深海设备的使用寿命和稳定性。为了验证这个概念,研究人员设计了一个相应的电路,如图2(a)所示,以实现AC和DC的有效分离。使用工作于交流耦合模式的高速示波器隔离直流信号并捕获交流信号。直流分量则为储能电容C1进行实时充电,电感L被用于阻止交流信号通过储能支路。图2(b)是实验图像。穿过2.3m水缸后,光信号被micro-LED接收,并且交流电和直流电信号已通过电路实现了成功的分离。示波器显示的是收集到的交流信号,而直流分量则对电容器进行同步充电以驱动后端的660 nm 激光器。实验成功证明,单个micro-LED可以同时实现信号检测和能量收集功能,并在实现集成自供电式UWOC系统领域具备极为广阔的发展前景。



图2(a) AC/DC分离电路示意图。(b)实际系统照片,同步实现了后端660 nm激光器的驱动与高速信号探测。


  相关研究成果于2021年4月12日发表知名期刊《Advanced Optical Materials》上(SCI工程技术一区,影响因子8.262,https://doi.org/10.1002/adom.202002211),研究成果拓展了双工UWOC技术应用方向,并有望实现高性能的集成化水下无线通信综合应用设备。

编辑:严志祥

来源:第三代半导体产业网

标签:复旦大学  micro-LED  集成芯片  双工无线光通信  水下充电集成系统  

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