采用微米LED和波分復(fù)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)10 Gbps紫外光通信

  無(wú)線光通信(OWC)正在成為與射頻通信互補(bǔ)的關(guān)鍵技術(shù)，它能增加幾百太赫茲不需要授權(quán)的帶寬?？梢姽獠ㄩL(zhǎng)的發(fā)光二極管(LED)主要基于氮化鎵技術(shù)，能夠支持千兆比特每秒(Gbps)的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸速率，因此可以用于照明和通信兼容的系統(tǒng)和研發(fā)LiFi(光保真)技術(shù)。

  微米尺度的LED(直徑<100 μm，被稱為微米LED）是發(fā)展新一代顯示技術(shù)的重要元件。研究也證明微米LED具有比標(biāo)準(zhǔn)尺寸LED高一個(gè)數(shù)量級(jí)的調(diào)制帶寬，每個(gè)微米LED能夠支持高達(dá)~10 Gbps的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸速率。研發(fā)用于無(wú)線光通信的專用微米LED和探索其數(shù)據(jù)傳輸能力正成為當(dāng)前關(guān)鍵的研究課題。

  無(wú)線光通信現(xiàn)已延伸至紫外波段?；贏l(In)GaN材料的LED其發(fā)光波長(zhǎng)可涵蓋絕大部分UV-A, UV-B和UV-C波段。紫外LED器件的發(fā)展將進(jìn)一步促進(jìn)實(shí)現(xiàn)高速紫外無(wú)線光通信。

  相比于可見光，短波長(zhǎng)紫外光在空氣中受到更強(qiáng)烈的散射，這意味著能夠?qū)崿F(xiàn)可繞過(guò)障礙物（如：建筑物等）的非視距紫外光通信。此外，地面上UV-B和UV-C紫外光通信的背景噪音非常小，主要的原因是太陽(yáng)輻射中的這些紫外光已被地球高層大氣吸收。

  近年來(lái)，斯特拉思克萊德大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合研發(fā)紫外無(wú)線光通信的需求和微米LED的優(yōu)勢(shì)推動(dòng)發(fā)展了紫外光通信技術(shù)，前期的工作報(bào)道了每個(gè)紫外微米LED的數(shù)據(jù)傳輸速率能達(dá)到2 Gbps。但該速率比可見光微米LED的數(shù)據(jù)傳輸速率低，其主要的原因是紫外微米LED的光輸出功率較低。

  為克服以上問(wèn)題，該團(tuán)隊(duì)利用波分復(fù)用(WDM)技術(shù)，并與專門制作的紫外微米LED器件相結(jié)合，用發(fā)光波長(zhǎng)在UV-A, UV-B 和UV-C波段的三個(gè)微米LED同時(shí)分別傳輸數(shù)據(jù)，使無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸速率提高至10 Gbps。相關(guān)成果已發(fā)表于 Photonics Research 2022年第2期。

  基于LED的WDM技術(shù)之前很少應(yīng)用于紫外波段，這項(xiàng)工作將其延深應(yīng)用至新的波段。同時(shí)，該團(tuán)隊(duì)還結(jié)合了WDM技術(shù)和在每個(gè)紫外波長(zhǎng)上實(shí)現(xiàn)的創(chuàng)記錄的數(shù)據(jù)傳輸速率，充分利用了微米LED器件的優(yōu)勢(shì)。

使用UV-A、UV-B和UV-C微米LED進(jìn)行UV WDM通信的實(shí)驗(yàn)裝置（插圖顯示了正在運(yùn)行的UV 微米LED）

  在該通信系統(tǒng)中，每個(gè)微米LED發(fā)出的紫外光用透鏡收集，然后通過(guò)二向色鏡結(jié)合到朝向接收器的共同光路上。光學(xué)帶通濾波器使得接收器能夠區(qū)分各個(gè)波段。應(yīng)用正交頻分復(fù)用(OFDM)調(diào)制技術(shù)，系統(tǒng)中每個(gè)微米LED產(chǎn)生的數(shù)據(jù)都得以有效傳輸，其中UV-A，UV-B和UV-C微米LED的數(shù)據(jù)傳輸速率分別達(dá)到了4.17 Gbps，3.02 Gbps 和 3.13 Gbps。這是目前在紫外波段中，LED的創(chuàng)紀(jì)錄數(shù)據(jù)傳輸速率。這項(xiàng)工作也是首次在跨UV-A，UV-B和UV-C波段應(yīng)用了基于LED或微米LED的WDM技術(shù)。

  該研究工作展示了紫外無(wú)線光通信的巨大潛力，同時(shí)也揭示了為什么微米LED和WDM技術(shù)結(jié)合能夠?qū)崿F(xiàn)非常高的數(shù)據(jù)傳輸速率，這為研發(fā)在大氣和空間多種環(huán)境中應(yīng)用的多波長(zhǎng)紫外微米LED通信系統(tǒng)開辟了新途徑。

  該研究團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人Martin Dawson教授表示“我們與Harald Haas教授團(tuán)隊(duì)緊密合作，已致力研發(fā)應(yīng)用于無(wú)線光通信的微米LED 十余年，但在紫外波段的探索仍相對(duì)較少。能在紫外波段應(yīng)用WDM技術(shù)并獲得超過(guò)10 Gbps的總數(shù)據(jù)傳輸速率，是非常令人振奮的研究成果，這為發(fā)展在陸地和太空都具有廣泛應(yīng)用前景的新通信系統(tǒng)打開了大門?！?

  該項(xiàng)工作開辟的新研究方向包括：結(jié)合更多分離紫外波長(zhǎng)的WDM技術(shù)、發(fā)展更長(zhǎng)距離的紫外微米LED無(wú)線光通信，研究紫外非視距通信和不斷提高各個(gè)紫外波長(zhǎng)特別是深紫外波長(zhǎng)微米LED的性能等。

  科學(xué)編輯 | 斯特拉思克萊德大學(xué) Jonathan J. D. McKendry