基于μLED的1 Gbps自由空间深紫外通信

  自英国斯特莱德大学光子研究所和爱丁堡大学Li-Fi研究中心的科研人员研究了发光波长位于UV-C 波段(200-280 nm)的μLED的调制特性和这些μLED在深紫外自由空间光通信中的应用。他们的研究结果发表在Photonics Research , 2019年第7卷第7期上(X. He, et al., 1 Gbps free-space deep-ultraviolet communications based on III-nitride micro-LEDs emitting at 262 nm )。

  波长小于300nm的深紫外光在自由空间光通信上具有一些独特的优势。比如，由于绝大多数从太阳发出的深紫外光都被地球平流层中的臭氧层所吸收，因此，深紫外光可用于建立高层大气卫星间高保密自由空间光通信链接。此外，深紫外光在空气中的散射非常强烈，这便于在地面上建立低背景噪音、非视距的光通信链接。

  目前已有对深紫外光通信链接的相关报道中，由于所用的深紫外光源(例如深紫外灯、闪光管或者传统的深紫外LED)的调制带宽和效率较低，极大限制了这些通信链接的性能。

  LED的调制带宽取决于电阻-电容时间常数和微分载流子寿命。传统LED的尺寸较大，导致电阻-电容时间常数很大。相比之下，由于μLED尺寸很小，其调制带宽主要取决于微分载流子寿命。载流子寿命越短，LED的光输出对于高速电信号的响应就越快，即LED具有更高的调制带宽。

  近年来，研究人员研制了作为新型发射光源的μLED，并把它应用于可见光自由空间光通信中。这些μLED的尺寸小于100μm，具有非常高的调制带宽(已有调制带宽超过800MHz的报道)，使得以此为基础的无线光通信系统具有非常高的数据传输速率。

  英国斯特莱德大学光子研究所和爱丁堡大学Li-Fi研究中心的科研人员研发了基于发射波长为262 nm的III族氮化物的深紫外μLED。相较于之前报道过的μLED，调制带宽增加了3倍左右。将此μLED应用于自由空间光通信链接，该μLED的通信速率提升了15倍。

深紫外μLED截面示意图

  由于实验中测得的深紫外μLED的调制带宽和系统的通信速率受限于所用的雪崩式光电二极管探测器的带宽，因此研究人员认为，如果使用具有更高带宽的雪崩式光电二极管探测器，测得的深紫外μLED的调制带宽和系统通信速率将会明显提高。

  此项工作展示了深紫外μLED卓越的调制特性及其在自由空间高速光通信中的应用。为探索和发挥其全部潜力，未来的工作将专注于进一步优化深紫外μLED和系统光路。近期通过调整系统光路和使用高带宽雪崩光电二极管探测器，研究人员在1m自由空间的传输距离上实现了超过3 Gbps的深紫外光通信速率。此外，基于深紫外μLED的非视距光通信系统也在构建之中。