CN106972343A - 调制电子束泵浦半导体量子点白光随机激光通信光源 - Google Patents

Abstract

调制电子束泵浦半导体量子点白光随机激光通信光源属于光通信技术领域。现有技术调制带宽窄、结构复杂。在本发明之调制电子束泵浦半导体量子点白光随机激光通信光源中，红外种子光源、准直扩束镜、光电阴极、微通道板、电子束聚焦极、透射式阳极和半导体量子点发光层依次同轴排列；在光电阴极、微通道板、电子束聚焦极、透射式阳极之间加有方向相同的电压；透射式阳极覆盖在半导体量子点发光层上；在所述半导体量子点发光层内均匀分布等摩尔量的蓝光、绿光和红光半导体量子点，还均匀分布有与蓝光、绿光和红光分别相对应的具有消光作用的贵金属纳米晶。本发明应用于可见光无线通信，发出经调制电子束泵浦调制的白光随机激光载波，在进行室内照明的同时，实现可见光无线通信。

Description

调制电子束泵浦半导体量子点白光随机激光通信光源

技术领域

本发明涉及一种调制电子束泵浦半导体量子点白光随机激光通信光源，用于可见光无线通信(Li-Fi)，发出经调制电子束泵浦调制的白光随机激光载波，在进行室内照明的同时，实现可见光无线通信，属于光通信技术领域。

背景技术

可见光无线通信其光源既要满足作为照明光源的高亮度、低功耗和辐射范围广等要求，又要具备作为通信光源的宽调制带宽、高光输出功率等特点，以获得通信系统所应有的通信速率。

通信光源的调制带宽受制于响应速率。虽然相比于白炽灯、日光灯，白光LED具有较高的响应速率，但是，在荧光转换型白光LED中，荧光光谱响应比较滞后，导致通信脉冲的多径展宽，进而使光源的调制带宽也就在几个MHz以内，依旧不能满足作为通信光源为使通信系统具有应有的通信速率而对响应速率的要求。而RGB-LED器件本身结构复杂，三个LED芯片的发光性能会受到驱动电压和温度特性之间的差异的影响，作为通信光源还要配备非常复杂的调制电路，导致器件的制作难度增大，使用成本提高。因此，目前商用白光LED只限于作为照明光源，难以既作为照明光源又作为通信光源。

相比于自发辐射白光发光器件，受激辐射白光激光器件具有更高的光输出功率、发光效率和更快的响应速率，可直接调制，且输出耦合效率高，例如，将白光激光器件用作通信光源，数据传输速率比LED快10倍，也就是说，基于LED的Li-Fi其数据传输速率可达到10Gb/s，基于白光激光器的数据传输速率则能够非常容易地超过100Gb/s。不过，现有白光激光要么是通过多台分立或者集成的气体/固体激光器合成而得，要么通过单台气体/固体激光器倍频形成三基色输出而得，结构复杂，体积大。在现有技术中尚无白光半导体激光器。

为了改善可见光无线通信的调制带宽，提高通信系统的信道容量和调制速率，现有技术集中在光电系统构成和驱动电路设计等方面，尚无可实际应用于光通信技术领域、具有甚高频调制能力、兼做照明光源和通信光源的具体光源方案。

发明内容

为了获得一种可见光无线通信光源，其同时具有亮度高、功耗低、辐射范围广、易于调制、调制带宽宽、结构简单以及体积小等特点，我们发明了一种调制电子束泵浦半导体量子点白光随机激光通信光源。

在本发明之调制电子束泵浦半导体量子点白光随机激光通信光源中，如图1所示，红外种子光源1、准直扩束镜2、光电阴极3、微通道板4、电子束聚焦极5、透射式阳极6和半导体量子点发光层7依次同轴排列；在光电阴极3、微通道板4、电子束聚焦极5、透射式阳极6之间加有方向相同的电压；透射式阳极6覆盖在半导体量子点发光层7上；在所述半导体量子点发光层7内均匀分布等摩尔量的蓝光、绿光和红光半导体量子点，还均匀分布有与蓝光、绿光和红光分别相对应的具有消光作用的贵金属纳米晶。

本发明其技术效果在于，红外种子光源1红外脉冲调制信号光由准直扩束镜2整形后入射光电阴极3，由光电阴极3转换为光电流，该光电流由微通道板4倍增为高能脉冲电子束并出射，由电子束聚焦极5会聚到透射式阳极6，透过透射式阳极6的高能脉冲电子束作为调制电子束泵浦，在为蓝光、绿光和红光半导体量子点提供激发能量的同时，对半导体量子点发光层7进行调制，蓝光、绿光和红光半导体量子点发出的荧光在半导体量子点发光层7中得到散射放大，最后形成白光随机激光出射，该白光随机激光在发挥照明作用的同时以高频闪烁的方式传送通信信号。

相比于p-n结发光器件，如LED，本发明不受功率增益带宽积的约束。当将LED作为可见光无线通信光源时，电流注入驱动LED器件，同时也在进行通信调制。加大LED器件的电流注入区，在加大有效光发射面积的同时提高发光强度，当将这一措施用于半导体量子点有源层LED时，由于器件的结电容也因此增大，由于功率增益带宽积(功率增益与带宽的积)的约束，也就是p-n结的功率特性与频响特性相互制约，频响特性将因此而下降，此时调制带宽通常只有约3～50MHz。然而，在本发明之调制电子束泵浦半导体量子点白光随机激光通信光源中，并无p-n结结构，不会产生结电容，通过电子倍增器件如微通道板4增强光电流，得到增强的光电流穿过透射式阳极6以电子束激励方式激发半导体量子点发光，由此获得更大功率的白光输出，同时不至于因此降低调制带宽。

采用本发明之调制电子束泵浦半导体量子点白光随机激光通信光源获得白光输出，系由半导体量子点发光层7中均匀分布的蓝光、绿光和红光半导体量子点发光后合成所致，相比于荧光转换型白光LED，不存在荧光光谱响应滞后的问题，也就不会产生由此导致的后续问题，如通信脉冲的多径展宽，调制带宽的下降，通信速率的降低。

如果采用现有RGB-LED器件作为可见光无线通信光源，要想获得调制白光输出，需要配备非常复杂的调制电路，三个LED芯片的发光性能受驱动电压和温度特性之间的差异的影响较大，使得作为通信光源的器件的制作难度增大，使用成本提高。而本发明采用红外种子光源1作为调制信号光源，现有红外种子光源技术成熟，如1550nm或者1310nm近红外波段DFB InGaAs光纤通信光源，能够发出高速调制通信光，将其作为调制信号光源，经光电转换、放大，成为调制电子束泵浦激励蓝光、绿光和红光半导体量子点发光，就能输出与调制信号光源具有相同调制频率的白光。

另外，如果采用现有RGB-LED器件作为可见光无线通信光源，其响应速率的提高主要取决于载流子辐射复合寿命、器件的结电容和电路阻抗，例如，通过提高电子空穴的辐射复合速率，降低载流子辐射复合寿命，也就是降低载流子荧光寿命，提高单色LED的响应速率。然而，本发明采用的发光材料半导体量子点是用半导体材料合成所得的尺寸在0～100nm之间的颗粒，所说的半导体材料如Cd盐体系材料或者钙钛矿晶态材料，作为一种纳米材料，半导体量子点同样具有量子尺寸效应，其表现除了通过改变所述颗粒尺寸能够改变荧光波长之外，还表现为半导体量子点具有窄而对称的荧光发射峰，且无拖尾。因此，在半导体量子点发光层7中，其载流子荧光寿命可以降低到纳秒量级，可获得超高的响应速率，实现高频调制。

在发光器件中引入贵金属纳米晶能够增强荧光强度、提高器件量子效率和频响特性，例如，通过引入Ag纳米晶等离子体在提高GaN基蓝光LED的光输出功率的同时，能够明显改善了GaN基蓝光LED的频响特性，获得高达56MHz的调制带宽。本发明在半导体量子点发光层7中引入与蓝光、绿光和红光分别相对应的具有消光作用的贵金属纳米晶，局域表面等离子体分别对应增强蓝、绿、红半导体量子点的荧光强度，提高了荧光效率，并能够进一步降低荧光寿命至亚纳秒量级。

相比于自发辐射白光发光器件，受激辐射白光激光器件具有更高的光输出功率、发光效率和更快的响应速率，可直接调制，且输出耦合效率高，例如，将白光激光器件用作通信光源，数据传输速率比LED快10倍，也就是说，基于LED的Li-Fi其数据传输速率可达到10Gb/s，基于白光激光器的数据传输速率则能够非常容易地超过100Gb/s。本发明之调制电子束泵浦半导体量子点白光随机激光通信光源也是一种激光光源，在调制电子束泵浦能量激励下，半导体量子点发光，经散射放大，最后形成白光随机激光出射，能够获得远大于自发辐射白光发光器件的数据传输速率。不过，现有白光激光器要么是通过多台分立或者集成的气体/固体激光器合成而得，要么通过单台气体/固体激光器倍频形成三基色输出而得，结构复杂，体积大。相比之下，本发明在同样获得白光激光输出的前提下，光源器件结构简单、紧凑，体积小、重量轻。

附图说明

图1是本发明之调制电子束泵浦半导体量子点白光随机激光通信光源结构示意图，该图同时作为摘要附图。图2是本发明之调制电子束泵浦半导体量子点白光随机激光通信光源中的半导体量子点发光层组分及分布示意图。图3是本发明中的半导体量子点发光层荧光光谱曲线图。

具体实施方式

在本发明之调制电子束泵浦半导体量子点白光随机激光通信光源中，如图1所示，红外种子光源1、准直扩束镜2、光电阴极3、微通道板4、电子束聚焦极5、透射式阳极6和半导体量子点发光层7依次同轴排列。所述红外种子光源1为1550nm或者1310nm近红外波段光纤通信光源，发出红外脉冲调制信号光，调制带宽为GHz量级。所述准直扩束镜2将红外脉冲调制信号光整形扩束后投向光电阴极3。所述光电阴极3为一层InGaAs膜，附着在红外高透过率光学玻璃基板8上，将红外脉冲调制信号光转换为光电流。所述微通道板4将光电流倍增为高能脉冲电子束并出射。所述电子束聚焦极5是一个铜质环片，将高能脉冲电子束聚焦。所述透射式阳极6为一层Al膜，膜厚3～5nm，覆盖在半导体量子点发光层7上。在光电阴极3、微通道板4、电子束聚焦极5、透射式阳极6之间加有方向相同的电压，如光电阴极3与微通道板4前端面之间的电压为300V，微通道板4的前端面与后端面之间的电压为1000V，微通道板4后端面与电子束聚焦极5之间的电压为2000V，电子束聚焦极5与透射式阳极6之间的电压为3000V。所述半导体量子点发光层7涂覆在石英衬底9上，在所述半导体量子点发光层7内均匀分布等摩尔量的蓝光、绿光和红光半导体量子点，还均匀分布有与蓝光、绿光和红光分别相对应的具有消光作用的贵金属纳米晶。所述蓝光、绿光和红光半导体量子点为Cd盐体系材料量子点或者钙钛矿晶态材料量子点，以钙钛矿晶态材料量子点为例，具体选用铯铅卤化物CsPbX₃(X＝Cl,Br,I)，并且，CsPbCl₃为蓝光量子点C，CsPbBr₃为绿光量子点B，CsPbI₃为红光量子点A，如图2所示；当高能脉冲电子束轰击半导体量子点发光层7时，所述三种量子点分别产生450nm蓝光荧光、530nm绿光荧光和620nm红光荧光，如图3所示。所述贵金属纳米晶为消光波长分别对应蓝、绿、红光区的Ag纳米颗粒F、Au纳米颗粒E、Au纳米棒D，如图2所示。Ag纳米颗粒F、Au纳米颗粒E、Au纳米棒D分别增强CsPbCl₃蓝光量子点C、CsPbBr₃绿光量子点B、CsPbI₃红光量子点A的荧光，并进一步降低荧光寿命至亚纳秒量级。半导体量子点发光层7中的又一种组分为无荧光微纳颗粒，如SiO₂微纳颗粒或/和TiO₂微纳颗粒，提高半导体量子点发光层7组分分布无序度，形成折射率的空间无序变化，以增强光学散射，降低随机激光阈值。最终获得甚高频、亚瓦级白光随机激光输出。

所述半导体量子点发光层7是一种胶体薄膜，组分介质为PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)。

Claims (9)

1.一种调制电子束泵浦半导体量子点白光随机激光通信光源，其特征在于，红外种子光源(1)、准直扩束镜(2)、光电阴极(3)、微通道板(4)、电子束聚焦极(5)、透射式阳极(6)和半导体量子点发光层(7)依次同轴排列；在光电阴极(3)、微通道板(4)、电子束聚焦极(5)、透射式阳极(6)之间加有方向相同的电压；透射式阳极(6)覆盖在半导体量子点发光层(7)上；在所述半导体量子点发光层(7)内均匀分布等摩尔量的蓝光、绿光和红光半导体量子点，还均匀分布有与蓝光、绿光和红光分别相对应的具有消光作用的贵金属纳米晶。

2.根据权利要求1所述的调制电子束泵浦半导体量子点白光随机激光通信光源，其特征在于，所述红外种子光源(1)为1550nm或者1310nm近红外波段光纤通信光源，发出红外脉冲调制信号光。

3.根据权利要求1所述的调制电子束泵浦半导体量子点白光随机激光通信光源，其特征在于，所述光电阴极(3)为一层InGaAs膜，附着在红外高透过率光学玻璃基板(8)上，将红外脉冲调制信号光转换为光电流。

4.根据权利要求1所述的调制电子束泵浦半导体量子点白光随机激光通信光源，其特征在于，所述透射式阳极(6)为一层Al膜，膜厚3～5nm，覆盖在半导体量子点发光层(7)上。

5.根据权利要求1所述的调制电子束泵浦半导体量子点白光随机激光通信光源，其特征在于，所述半导体量子点发光层(7)涂覆在石英衬底(9)上；所述半导体量子点发光层(7)是一种胶体薄膜，组分介质为PMMA。

6.根据权利要求1所述的调制电子束泵浦半导体量子点白光随机激光通信光源，其特征在于，所述蓝光、绿光和红光半导体量子点为Cd盐体系材料量子点或者钙钛矿晶态材料量子点。

7.根据权利要求6所述的调制电子束泵浦半导体量子点白光随机激光通信光源，其特征在于，所述钙钛矿晶态材料量子点为铯铅卤化物CsPbX₃(X＝Cl,Br,I)，并且，CsPbCl₃为蓝光量子点，CsPbBr₃为绿光量子点，CsPbI₃为红光量子点。

8.根据权利要求1所述的调制电子束泵浦半导体量子点白光随机激光通信光源，其特征在于，所述贵金属纳米晶为消光波长分别对应蓝、绿、红光区的Ag纳米颗粒、Au纳米颗粒和Au纳米棒。

9.根据权利要求1所述的调制电子束泵浦半导体量子点白光随机激光通信光源，其特征在于，半导体量子点发光层(7)中的又一种组分为无荧光微纳颗粒，所述无荧光微纳颗粒为SiO₂微纳颗粒或/和TiO₂微纳颗粒，所述无荧光微纳颗粒能够提高半导体量子点发光层(7)组分分布无序度，形成折射率的空间无序变化，增强光学散射，降低随机激光阈值。