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采用微米LED和波分复用技术实现10 Gbps紫外光通信

摘要:斯特拉思克莱德大学研究团队结合研发紫外无线光通信的需求和微米LED的优势推动发展了紫外光通信技术,前期的工作报道了每个紫外微米LED的数据传输速率能达到2 Gbps。但该速率比可见光微米LED的数据传输速率低,其主要的原因是紫外微米LED的光输出功率较低。

  无线光通信(OWC)正在成为与射频通信互补的关键技术,它能增加几百太赫兹不需要授权的带宽。可见光波长的发光二极管(LED)主要基于氮化镓技术,能够支持千兆比特每秒(Gbps)的无线数据传输速率,因此可以用于照明和通信兼容的系统和研发LiFi(光保真)技术。

  微米尺度的LED(直径<100 μm,被称为微米LED)是发展新一代显示技术的重要元件。研究也证明微米LED具有比标准尺寸LED高一个数量级的调制带宽,每个微米LED能够支持高达~10 Gbps的无线数据传输速率。研发用于无线光通信的专用微米LED和探索其数据传输能力正成为当前关键的研究课题。

  无线光通信现已延伸至紫外波段。基于Al(In)GaN材料的LED其发光波长可涵盖绝大部分UV-A, UV-B和UV-C波段。紫外LED器件的发展将进一步促进实现高速紫外无线光通信

  相比于可见光,短波长紫外光在空气中受到更强烈的散射,这意味着能够实现可绕过障碍物(如:建筑物等)的非视距紫外光通信。此外,地面上UV-B和UV-C紫外光通信的背景噪音非常小,主要的原因是太阳辐射中的这些紫外光已被地球高层大气吸收。

  近年来,斯特拉思克莱德大学研究团队结合研发紫外无线光通信的需求和微米LED的优势推动发展了紫外光通信技术,前期的工作报道了每个紫外微米LED的数据传输速率能达到2 Gbps。但该速率比可见光微米LED的数据传输速率低,其主要的原因是紫外微米LED的光输出功率较低。

  为克服以上问题,该团队利用波分复用(WDM)技术,并与专门制作的紫外微米LED器件相结合,用发光波长在UV-A, UV-B 和UV-C波段的三个微米LED同时分别传输数据,使无线数据传输速率提高至10 Gbps。相关成果已发表于 Photonics Research 2022年第2期。

  基于LEDWDM技术之前很少应用于紫外波段,这项工作将其延深应用至新的波段。同时,该团队还结合了WDM技术和在每个紫外波长上实现的创记录的数据传输速率,充分利用了微米LED器件的优势。

使用UV-A、UV-B和UV-C微米LED进行UV WDM通信的实验装置(插图显示了正在运行的UV 微米LED

  在该通信系统中,每个微米LED发出的紫外光用透镜收集,然后通过二向色镜结合到朝向接收器的共同光路上。光学带通滤波器使得接收器能够区分各个波段。应用正交频分复用(OFDM)调制技术,系统中每个微米LED产生的数据都得以有效传输,其中UV-A,UV-B和UV-C微米LED的数据传输速率分别达到了4.17 Gbps,3.02 Gbps 和 3.13 Gbps。这是目前在紫外波段中,LED的创纪录数据传输速率。这项工作也是首次在跨UV-A,UV-B和UV-C波段应用了基于LED或微米LEDWDM技术。

  该研究工作展示了紫外无线光通信的巨大潜力,同时也揭示了为什么微米LEDWDM技术结合能够实现非常高的数据传输速率,这为研发在大气和空间多种环境中应用的多波长紫外微米LED通信系统开辟了新途径。

  该研究团队负责人Martin Dawson教授表示“我们与Harald Haas教授团队紧密合作,已致力研发应用于无线光通信的微米LED 十余年,但在紫外波段的探索仍相对较少。能在紫外波段应用WDM技术并获得超过10 Gbps的总数据传输速率,是非常令人振奋的研究成果,这为发展在陆地和太空都具有广泛应用前景的新通信系统打开了大门。”

  该项工作开辟的新研究方向包括:结合更多分离紫外波长的WDM技术、发展更长距离的紫外微米LED无线光通信,研究紫外非视距通信和不断提高各个紫外波长特别是深紫外波长微米LED的性能等。

  科学编辑 | 斯特拉思克莱德大学 Jonathan J. D. McKendry

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