CN105897337A - 一种基于微米led阵列的可见光通信系统及其建立方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线通信技术领域，具体公开一种基于微米LED阵列的可见光通信系统及其建立方法。本发明使用反应离子刻蚀得到p型微米LED台面阵列，台面尺寸小于100μm，然后沉积绝缘钝化层，并在需要做电极的区域对绝缘层开孔，制备p型和n型电极来控制微米LED阵列的每个LED单元；集成微米LED阵列和准直光学透镜，使用正交频分复用（OFDM）调制技术，集成接收端高速光电探测器和聚焦透镜，实现视距和非视距高速通信，满足室内通信距离需求。本发明结合LED制备和可见光通信系统，制备的微米LED阵列具有高光电调制带宽，可并行通信，具有高通信速度，同时具备微显示和照明功能，可以进行视距和非视距通信，具有很强的实用性。

Description

一种基于微米 LED 阵列的可见光通信系统及其建立方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种基于微米LED阵列的可见光通信系统及其建立方法。

背景技术

近年来， LED已经广泛应用于室内照明、室外街道、汽车照明、电视和手机背光源、交通信号灯和植物照明等领域，并有望替代白炽灯、荧光灯和钠灯等传统光源，成为照明的革命性产品。同时，LED还可以进行快速的光电调制，适合用来进行可见光通信。

可见光通信具备一些WiFi所不具备的优势：随着社会对无线网络系统的需求日益增多，包括手机、计算机和定位系统等，WiFi技术所在的射频无线通信波段日益拥挤，而可见光通信技术所在的可见光波段具有很宽的频谱利用范围，约为射频频谱波段的10000倍，可以解决频谱资源拥挤的问题；WiFi的使用会干扰现有的电子仪器产品，而可见光通信对电子仪器无电磁干扰，适合应用于飞机和医院等一些特殊场合；可见光不能够穿透墙壁，只能够在光传播的区域才能够通信，这极大地提高了数据传输的安全性。

可见光通信常用的商用LED的调制带宽在5MHz到20MHz，限制了LED的通信速度；微米LED的调制带宽可达100MHz以上，但是微米LED的输出光功率相对比较小，限制了微米LED的通信距离和实用性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于微米LED阵列的可见光通信系统及其建立方法。

本发明结合高速微米LED阵列的制备工艺和可见光通信系统，制备微米LED阵列，可在微显示或者照明的场景中实现高速可见光通信；微米LED光电调制带宽在100MHz以上，并优化了光学发射和接收天线，满足室内通信距离需求，实现视距和非视距通信，具备很强的实用性。

本发明提供的基于微米LED阵列的可见光通信系统，包括：

发射端，其包括：信号编码模块，直流驱动，微米LED阵列，聚焦透镜；其中，信号编码模块用于进行信号编码；直流驱动用于驱动微米LED阵列，并加入经过编码的信号；聚焦透镜用于聚焦微米LED阵列发射的光到接近准直；

接收端，其包括：透镜，光电探测器，信号解码模；其中，透镜用于收集微米LED阵列发射出的光，并聚焦到光电探测器；信号解码模块用于进行信号解码，用户端获得所需的信号数据；

无线通信：发射端与接收端之间使用正交频分复用(OFDM)调制方法进行视距和非视距信号传输。

上述基于微米LED阵列的可见光通信系统的建立方法，具体步骤为：

（a）制备微米LED阵列：

在衬底11上生长GaN基LED外延层，沉积p型欧姆接触电极，通过反应离子刻蚀露出n-GaN 12，形成台面13，退火形成p型欧姆接触；

沉积钝化绝缘层14，并在台面和n型电极区域开孔；

沉积p型15和n型连接电极16；

（b）建立通信系统：

封装微米LED阵列21，使用直流驱动LED并加入经过编码的信号，使用聚焦透镜22聚焦LED发射光到接近准直；

使用正交频分复用(OFDM)调制方法进行视距和非视距信号传输；

接收端使用透镜23收集LED发射出的光，聚焦到光电探测器24，并进行信号解码。

本发明中，所述的微米LED阵列的每个LED单元长宽小于100μm，并能够被单独控制，-3dB光电调制带宽在100MHz以上，可在微显示或者照明的场景中实现高速可见光通信，并可以使用多个微米LED并行发送信号进行MIMO通信。

步骤（a）中，所述的p型欧姆接触电极使用Ni/Au，退火形成欧姆接触同时也有助于修复侧壁刻蚀缺陷。

步骤（a）中，所述的绝缘层厚度为0.2-0.5μm，绝缘层开孔结合干法腐蚀和湿法腐蚀两种方法。

步骤（a）中，所述的p型和n型电极材料为Ti/Au。

步骤（b）中，所述的微米LED阵列封装21使用高速PCB来控制每个微米LED单元，或者将微米LED阵列键合到高速硅基CMOS上来单独控制。

步骤（b）中，所述的聚焦透镜22和透镜23为抛物线曲面透镜，分别对微米LED发光的进行准直和收集更多的光。

步骤（b）中，所述的信号包括语音、视频等实际生活中需要传输的信号，经编码后由LED发射端21传输，由接收端探测器24收到信号，进行信号解码，用户端获得所需的语音、视频等信号。

步骤（b）中，所述的信号通过OFDM调制传输，视距传输中光传播损耗少，通信数据传输速度较快；非视距传输中经过多次反射和漫反射光传播损耗多，比如墙壁的瓷砖、纸张等25，通过透镜23收集足够的光到探测器端24，可以实现可见光通信。

本发明结合LED制备和可见光通信系统，使用反应离子刻蚀得到p型微米LED台面阵列，沉积绝缘钝化层，在需要做电极的区域对绝缘层开孔，制备p型和n型电极来控制微米LED阵列的每个LED单元。通过集成微米LED阵列和准直光学透镜，使用正交频分复用（OFDM）调制技术，集成接收端高速光电探测器和聚焦透镜，满足室内通信距离需求，实现视距和非视距高速通信。本发明制备的微米LED阵列具有高光电调制带宽，可并行通信（MIMO），具有高通信速度；同时具备微显示、照明和可见光通信多种功能，可以进行视距和非视距通信，具有很强的实用性。

附图说明

图1为本发明中提供的微米LED阵列的制备流程，包括台面刻蚀、钝化绝缘层开孔，p型和n型电极制备的俯视和剖面示意图。

图2为本发明中提供的使用微米LED阵列进行视距和非视距通信的示意图。

图中标号：11为衬底，12为n-GaN ，13为台面，14为绝缘层，15为p型连接电极，16为n型连接电极；21为封装后的微米LED阵列，22为聚焦透镜，23为接收端透镜，24为接收端光电探测器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解。下面结合通过实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。

（a）制备微米LED阵列，图1示意图中的上图为俯视图，下图为剖面图：

如图1所示，在蓝宝石衬底c面上生长GaN基LED外延层，沉积p型欧姆接触电极Ni/Au（10nm/25nm），通过反应离子刻蚀分别刻蚀掉Ni/Au和一部分GaN外延层，外延层刻蚀1μm深度，露出n-GaN 12，形成微米LED阵列台面13，台面长宽各80μm，500摄氏度退火3分钟，形成p型欧姆接触，退火也有助于修复侧壁刻蚀缺陷；

用等离子体增强化学气相沉积法PECVD沉积0.3μm的SiO₂钝化绝缘层14，并在微米LED台面和n型电极区域开孔，绝缘层开孔结合干法腐蚀和湿法腐蚀两种方法，先用反应离子刻蚀去掉大部分SiO₂，然后用BOE湿法腐蚀掉剩余的SiO₂；

沉积p型15和n型连接电极16，电极材料为Ti/Au(50nm/200nm)，每个p型电极可以单独控制微米LED单元，图1显示的是正面（Ni/Au面）出光的LED示意图；

（b）建立通信系统：

如图2所示，使用高速PCB封装微米LED阵列21，通过金线连接微米LED和PCB，PCB连线连接至SMA接口，将模拟语音信号通过脉冲编码调制转换为数字信号，使用40mA直流电驱动LED并加入经过编码的信号，单个微米LED光功率约1mW（0dBm），通信信号的调制深度为1-2V，使用抛物线曲面透镜22聚焦LED发射光到接近准直，传输距离可以达到十米以上，可以满足大多数室内通信需求；

使用正交频分复用(OFDM)调制方法进行视距和非视距信号传输，OFDM充分利用微米LED的高光电调制带宽，视距通信数据传输速率可达2Gb/s-3Gb/s，对于非视距通信，比如准镜面反射（比如瓷砖）和漫反射（比如A4纸）25，数据传输速率仍可以满足实时视频和语音等通信需求；

接收端使用抛物线曲面透镜23收集LED发射出的光，聚焦到光电探测器24，由接收端探测器24收到信号，进行信号解码，将数字信号转换为模拟语音信号，用户端获得所需的语音信号。

可选的，所述的微米LED阵列的每个LED单元长宽可以更小，20μm大小的微米LED可以达到500MHz的-3dB光电调制带宽；微米LED阵列的数量也可以调整，比如4×4、10×10、16×16、以及更大的阵列。

可选的，用p型Ti/Au电极材料15完全覆盖Ni/Au表面，Ti/Au也起到反射镜的作用，可以实现背面（蓝宝石面）出光的LED。

可选的，微米LED阵列可以用倒装焊的方法，用金球或者铟球键合到高速硅基CMOS上来单独控制。

可选的，可以使用开关键控（OOK）调制等进行信号传输。

可选的，可以使用多个微米LED并行发送信号进行MIMO通信。

可选的，微米LED阵列可以在微显示或者照明的场景中实现高速可见光通信，用整个微米LED阵列来做微显示或者照明，用阵列中的一个或者几个微米LED来做通信。

本发明结合LED制备和可见光通信系统，使用反应离子刻蚀得到p型微米LED台面阵列，沉积绝缘钝化层，在需要做电极的区域对绝缘层开孔，制备p型和n型电极来控制微米LED阵列的每个LED单元。通过集成微米LED阵列和准直光学透镜，使用正交频分复用（OFDM）调制技术，集成接收端高速光电探测器和聚焦透镜，满足室内通信距离需求，实现视距和非视距高速通信。本发明制备的微米LED阵列具有高光电调制带宽，可并行通信（MIMO），具有高通信速度；同时具备微显示、照明和可见光通信多种功能，可以进行视距和非视距通信，具有很强的实用性。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1. 一种基于微米LED阵列的可见光通信系统，其特征在于，包括：

发射端，其包括：信号编码模块，直流驱动，微米LED阵列，聚焦透镜；其中，信号编码模块用于进行信号编码；直流驱动用于驱动微米LED阵列，并加入经过编码的信号；聚焦透镜用于聚焦微米LED阵列发射的光到接近准直；

接收端，其包括：透镜，光电探测器，信号解码模；其中，透镜用于收集微米LED阵列发射出的光，并聚焦到光电探测器；信号解码模块用于进行信号解码，用户端获得所需的信号数据；

无线通信：发射端与接收端之间使用正交频分复用(OFDM)调制方法进行视距和非视距信号传输。

2. 根据权利要求1所述的基于微米LED阵列的可见光通信系统，其特征在于，所述的微米LED阵列的每个LED单元长宽小于100μm，并能够被单独控制，-3dB光电调制带宽在100MHz以上，可在微显示或者照明的场景中实现高速可见光通信。

3. 根据权利要求1所述的基于微米LED阵列的可见光通信系统，其特征在于，发射端聚焦透镜和接收端透镜为抛物线曲面透镜，分别对微米LED发光的进行准直和收集更多的光。

4. 根据权利要求1、2或3所述的基于微米LED阵列的可见光通信系统，其特征在于，所述的信号包括语音、视频信号。

5. 一种如权利要求1-4之一所述的基于微米LED阵列的可见光通信系统的建立方法，其特征在于，具体步骤为：

（a)制备微米LED阵列：

在衬底上生长GaN基LED外延层，沉积p型欧姆接触电极，通过反应离子刻蚀露出n-GaN ，形成台面，退火形成p型欧姆接触；

沉积钝化绝缘层，并在台面和n型电极区域开孔；

沉积p型和n型连接电极；

（b)建立通信系统：

封装微米LED阵列，使用直流驱动驱动微米LED阵列，并加入经过编码的信号，使用聚焦透镜聚焦LED发射光到接近准直；

使用正交频分复用调制方法进行视距和非视距信号传输；

接收端使用透镜收集LED发射出的光，聚焦到光电探测器，并进行信号解码。

6. 根据权利要求5所述的基于微米LED阵列的可见光通信系统的建立方法，其特征在于，步骤（a)中，所述p型欧姆接触电极使用Ni/Au；所述绝缘层厚度为0.2-0.5μm。

7. 根据权利要求5或6所述的基于微米LED阵列的可见光通信系统的建立方法，其特征在于，步骤（a)中，所述的p型和n型电极材料为Ti/Au。

8. 根据权利要求5或6所述的基于微米LED阵列的可见光通信系统的建立方法，其特征在于，步骤（b）中，所述的微米LED阵列封装使用高速PCB来控制每个微米LED单元，或者将微米LED阵列键合到高速硅基CMOS上来单独控制。