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

  無(wú)線(xiàn)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的帶寬?？梢?jiàn)光波長(cháng)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(xiàn)數據傳輸速率，因此可以用于照明和通信兼容的系統和研發(fā)LiFi(光保真)技術(shù)。

  微米尺度的LED(直徑<100 μm，被稱(chēng)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具有比標準尺寸LED高一個(gè)數量級的調制帶寬，每個(gè)微米LED能夠支持高達~10 Gbps的無(wú)線(xiàn)數據傳輸速率。研發(fā)用于無(wú)線(xiàn)光通信的專(zhuān)用微米LED和探索其數據傳輸能力正成為當前關(guān)鍵的研究課題。

  無(wú)線(xiàn)光通信現已延伸至紫外波段?；贏(yíng)l(In)GaN材料的LED其發(fā)光波長(cháng)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)現高速紫外無(wú)線(xiàn)光通信。

  相比于可見(jiàn)光，短波長(cháng)紫外光在空氣中受到更強烈的散射，這意味著(zhù)能夠實(shí)現可繞過(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)研究團隊結合研發(fā)紫外無(wú)線(xiàn)光通信的需求和微米LED的優(yōu)勢推動(dòng)發(fā)展了紫外光通信技術(shù)，前期的工作報道了每個(gè)紫外微米LED的數據傳輸速率能達到2 Gbps。但該速率比可見(jiàn)光微米LED的數據傳輸速率低，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，該團隊利用波分復用(WDM)技術(shù)，并與專(zhuān)門(mén)制作的紫外微米LED器件相結合，用發(fā)光波長(cháng)在UV-A, UV-B 和UV-C波段的三個(gè)微米LED同時(shí)分別傳輸數據，使無(wú)線(xiàn)數據傳輸速率提高至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)之前很少應用于紫外波段，這項工作將其延深應用至新的波段。同時(shí)，該團隊還結合了WDM技術(shù)和在每個(gè)紫外波長(cháng)上實(shí)現的創(chuàng )記錄的數據傳輸速率，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(jìn)行UV WDM通信的實(shí)驗裝置（插圖顯示了正在運行的UV 微米LED）

  在該通信系統中，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分各個(gè)波段。應用正交頻分復用(OFDM)調制技術(shù)，系統中每個(gè)微米LED產(chǎn)生的數據都得以有效傳輸，其中UV-A，UV-B和UV-C微米LED的數據傳輸速率分別達到了4.17 Gbps，3.02 Gbps 和 3.13 Gbps。這是目前在紫外波段中，LED的創(chuàng )紀錄數據傳輸速率。這項工作也是首次在跨UV-A，UV-B和UV-C波段應用了基于LED或微米LED的WDM技術(shù)。

  該研究工作展示了紫外無(wú)線(xiàn)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)結合能夠實(shí)現非常高的數據傳輸速率，這為研發(fā)在大氣和空間多種環(huán)境中應用的多波長(cháng)紫外微米LED通信系統開(kāi)辟了新途徑。

  該研究團隊負責人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)應用于無(wú)線(xiàn)光通信的微米LED 十余年，但在紫外波段的探索仍相對較少。能在紫外波段應用WDM技術(shù)并獲得超過(guò)10 Gbps的總數據傳輸速率，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用前景的新通信系統打開(kāi)了大門(mén)?！?

  該項工作開(kāi)辟的新研究方向包括：結合更多分離紫外波長(cháng)的WDM技術(shù)、發(fā)展更長(cháng)距離的紫外微米LED無(wú)線(xiàn)光通信，研究紫外非視距通信和不斷提高各個(gè)紫外波長(cháng)特別是深紫外波長(cháng)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