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

  無線光通信(OWC)正在成為與射頻通信互補的關(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高一個數(shù)量級的調(diào)制帶寬，每個微米LED能夠支持高達(dá)~10 Gbps的無線數(shù)據(jù)傳輸速率。研發(fā)用于無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。

  無線光通信現(xiàn)已延伸至紫外波段。基于Al(In)GaN材料的LED其發(fā)光波長可涵蓋絕大部分UV-A, UV-B和UV-C波段。紫外LED器件的發(fā)展將進一步促進實現(xiàn)高速紫外無線光通信。

  相比于可見光，短波長紫外光在空氣中受到更強烈的散射，這意味著能夠?qū)崿F(xiàn)可繞過障礙物（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，主要的原因是太陽輻射中的這些紫外光已被地球高層大氣吸收。

  近年來，斯特拉思克萊德大學(xué)研究團隊結(jié)合研發(fā)紫外無線光通信的需求和微米LED的優(yōu)勢推動發(fā)展了紫外光通信技術(shù)，前期的工作報道了每個紫外微米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。

  為克服以上問題，該團隊利用波分復(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)光波長在UV-A, UV-B 和UV-C波段的三個微米LED同時分別傳輸數(shù)據(jù)，使無線數(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，這項工作將其延深應(yīng)用至新的波段。同時，該團隊還結(jié)合了WDM技術(shù)和在每個紫外波長上實現(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。

使用UV-A、UV-B和UV-C微米LED進行UV WDM通信的實驗裝置（插圖顯示了正在運行的UV 微米LED）

  在該通信系統(tǒng)中，每個微米LED發(fā)出的紫外光用透鏡收集，然后通過二向色鏡結(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線光通信的巨大潛力，同時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)用的多波長紫外微米LED通信系統(tǒng)開辟了新途徑。

  該研究團隊負(fù)責(zé)人Martin Dawson教授表示“我們與Harald Haas教授團隊緊密合作，已致力研發(fā)應(yīng)用于無線光通信的微米LED 十余年，但在紫外波段的探索仍相對較少。能在紫外波段應(yīng)用WDM技術(shù)并獲得超過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。”

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

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