CN107968679A - 可见光通信装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种可见光通信装置。所述可见光通信装置，包括：量子阱二极管阵列，用于接收可见光信号，并转换成第一电信号；阵列驱动模块，用于向所述量子阱二极管阵列传输第二电信号以驱动所述量子阱二极管阵列发光；信号过滤模块，用于过滤所述量子阱二极管阵列中的第二电信号，以提取所述第一电信。本发明实现了可见光通信装置的发光、照明功能，解决了现有的可见光通信装置功能较为单一的问题。
Description
技术领域
本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种可见光通信装置。
背景技术
可见光通信(Visible Light Communication，VLC)是在发光二极管(LightEmitting Diode，LED)等技术上发展起来的一种新型、短距离、高速的无线通信技术。它以LED作为光源，以大气或水作为传授媒介，通过发出肉眼察觉不到的、高速明暗闪烁的可见光信号来传输信息，在接收端利用光电二极管(Photodiode，PD)完成光电转换，然后进行电信号的接收、再生、解调来实现信息的传递。与传统无线射频通信技术相比，VLC具有：耗能低、购置设备少等优势，符合国家节能减排战略；无电磁污染，可见光波段和射频信号不相互干扰，对人眼安全，频谱无需授权即可使用的优点；同时，适合信息安全领域使用，只要遮挡住可见光，VLC通信网络中的信息就不会外泄，具有高度保密性。基于上述原因，可见光通信被公认为最具发展前景的通信技术，已成为国内外的研究热点。
目前，国内外专家和学者对于可见光通信的研究重点主要放在高速率VLC系统的研制和特殊环境条件下VLC系统的应用上。在高速系统的研制方面，VLC通信系统从最初的几兆bits/s到几吉bits/s的传输速率不断提升，现在已经达到离线上百吉bits/s的惊人速率，其发展前景非常诱人。在特殊环境下的应用方面，国内外的研究成果已经公开了可见光通信在汽车通信、无线定位、机器人控制、水下通信、矿井通信等方面的应用。
但是，在现有的可见光通信中，接收端的光电二极管功能较为单一，仅仅用于将接收到的光信号转换为电信号，因而限制了可见光通信装置的应用范围。
因此，如何扩展可见光通信装置的功能，增大可见光通信装置的应用领域，是目前亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明提供一种可见光通信装置，用以解决现有的可见光通信装置功能单一的技术问题，以增大可见光通信装置的应用领域。
为了解决上述问题，本发明提供了一种可见光通信装置，包括：量子阱二极管阵列，包括呈阵列排布的多个量子阱二极管器件，用于接收可见光信号，并将所述可见光信号转换成第一电信号；所述量子阱二极管器件包括n-GaN层、InGaN/GaN量子阱层、p-GaN层，且所述InGaN/GaN量子阱层设置于所述n-GaN层与所述p-GaN层之间；阵列驱动模块，连接所述量子阱二极管阵列，用于向所述量子阱二极管阵列传输第二电信号以驱动所述量子阱二极管器件发射光信号；信号过滤模块，连接所述量子阱二极管阵列，用于过滤所述量子阱二极管阵列中的第二电信号，以提取所述第一电信号。
优选的，还包括控制模块；所述控制模块连接所述阵列驱动模块，用于向所述阵列驱动模块发送控制信号，以控制所述阵列驱动模块是否向所述量子阱二极管阵列发送第二电信号。
优选的，所述n-GaN层表面具有台阶状结构，所述台阶状结构包括第一台面和第二台面，所述第二台面凸设于所述第一台面表面；n-电极设置于所述第一台面表面，所述InGaN/GaN量子阱层、所述p-GaN层、p-电极从下至上依次叠置在所述第二台面表面。
优选的，所述n-电极与所述p-电极均为Ni/Au电极。
优选的，所述量子阱二极管器件还包括硅衬底、以及置于所述硅衬底表面的缓冲层，所述n-GaN层叠置于所述缓冲层表面。
优选的，所述信号过滤模块包括电容过滤器，所述电容过滤器用于过滤掉所述量子阱二极管阵列中的第二电信号。
优选的，还包括与所述信号过滤模块连接的信号放大模块，用于对所述第一电信号进行放大处理；所述信号放大模块包括第一级放大器、第二级放大器、第三级放大器；所述第一级放大器，连接所述信号过滤模块，用于对所述视频信号进行电压放大处理；所述第二级放大器，连接所述第一级放大器，用于将经所述第一级放大器放大处理的视频信号进行电流放大处理；所述第三级放大器，连接所述第二级放大器，用于对经所述第二级放大器放大处理的视频信号进行电压放大处理。
优选的，所述第一级放大器的放大倍数为10倍，所述第二级放大器的放大倍数为10倍，所述第三级放大器的放大倍数为6倍。
优选的，所述信号放大模块还包括第一电容、第二电容、第三电容，所述第一电容与所述第一级放大器并联，所述第二电容与所述第二级放大器并联，所述第三电容与所述第三级放大器并联。
本发明提供的可见光通信装置，通过在原有的可见光通信装置中增设信号过滤模块和阵列驱动模块，从而在不影响其原有的视频接收功能的前提下，实现了可见光通信装置的发光、照明功能，解决了现有的可见光通信装置功能较为单一的问题，增大了可见光通信装置的应用领域。
附图说明
附图1是本发明具体实施方式的可见光通信装置的结构示意图；
附图2是本发明具体实施方式的量子阱二极管器件的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明提供的可见光通信装置的具体实施方式做详细说明。
本具体实施方式提供了一种可见光通信装置，附图1是本发明具体实施方式的可见光通信装置的结构示意图。如图1所示，本具体实施方式提供的可见光通信装置，包括量子阱二极管阵列11、信号过滤模块12和阵列驱动模块15。
所述量子阱二极管阵列11，包括呈阵列排布的多个量子阱二极管器件，用于接收可见光信号，并将所述可见光信号转换成第一电信号。其中，所述第一电信号可以是视频信号、音频信号等，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择，本具体实施方式对此不作限定。
附图2是本发明具体实施方式的量子阱二极管器件的结构示意图。如图2所示，所述量子阱二极管器件包括n-GaN层21、InGaN/GaN量子阱层22、p-GaN层23，且所述InGaN/GaN量子阱层22设置于所述n-GaN层21与所述p-GaN层23之间，即所述n-GaN层21、所述InGaN/GaN量子阱层22、所述p-GaN层23按照从下至上的顺序依次叠置。本具体实施方式之所以选择InGaN/GaN构建多层量子阱，是因为氮化物，特别是GaN、InGaN，具有高的禁带宽度、大的电子饱和和漂移速率以及稳定的化学性质，并具有良好的发光、导光以及光探测特性，可以利用由InGaN/GaN构成的多层量子阱，实现发光与光探测功能。本领域技术人员根据其掌握的普通技术知识可以知晓，量子阱二极管器件接收可见光信号，并将可见光信号转换为电信号是通过量子阱二极管器件中的光探测区实现的。然而，本具体实施方式提供的量子阱二极管器件采用由InGaN/GaN构成的多层量子阱结构，且将多层量子阱结构置于p-n结之间，使得量子阱二极管器件的光发射区与光探测区位于同一区域，利用量子阱二极管器件光发射和光探测共存的物理现象，使得量子阱二极管器件在实现光探测功能的同时，也能实现光发射(即照明)。
为了提高光探测与光电转换的效率，更优选的，如图2所示，所述n-GaN层21表面具有台阶状结构，所述台阶状结构包括第一台面211和第二台面212，所述第二台面212凸设于所述第一台面211表面；n-电极25设置于所述第一台面211表面，所述InGaN/GaN量子阱层22、所述p-GaN层23、p-电极24从下至上依次叠置在所述第二台面表面212。具体来说，可以在沉积所述n-GaN层21之后，对所述n-GaN层21进行刻蚀处理，以在所述n-GaN层21的表面形成所述台阶状结构。所述第二台面212可以凸设于两个相邻的第一台面211之间。其中，所述n-电极25、所述p-电极24的具体材质，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择。在本具体实施方式中，为了提高电子传输效率，优选的，所述n-电极25与所述p-电极24均为Ni/Au电极。即通过在沉积Ni/Au金属材料来形成所述n-电极25与所述p-电极24。
优选的，所述量子阱二极管器件还包括硅衬底26、以及置于所述硅衬底26表面的缓冲层27，所述n-GaN层21叠置于所述缓冲层27表面。即所述硅衬底26、所述缓冲层27、所述n-GaN层21、所述InGaN/GaN量子阱层22、所述p-GaN层23、p-电极24按照从下到上的顺序依次叠置，以形成所述量子阱二极管器件的堆积结构。其中，之所以在所述硅衬底26与所述，是为了防止所述硅衬底26中的杂质对p-n结结构的影响。
所述阵列驱动模块15，连接所述量子阱二极管阵列11，用于向所述量子阱二极管阵列11传输第二电信号以驱动所述量子阱二极管器件发射光信号。在本具体实施方式中，所述第一电信号是可见光通信装置中传输的数据通信信号，即所述第一电信号是将从光源接收到的光信号进行光电转换之后的信号，所述光源可以是但不限于发光二极管；而所述第二电信号是所述阵列驱动模块15直接发送给所述量子阱二极管阵列11的发光驱动电信号。所述量子阱二极管阵列11根据接收到的第二电信号向外辐射光信号，实现发光、照明功能。
所述信号过滤模块12，连接所述量子阱二极管阵列11，用于过滤所述量子阱二极管阵列11中的第二电信号，以提取所述第一电信号。由于所述量子阱二极管阵列11的输出信号中同时包括第一电信号和第二电信号，为了避免第二电信号对第一电信号的干扰，提高可见光通信的准确性，因此，本具体实施方式在对所述第一电信号进行后续处理之前，需要将所述第二电信号过滤掉。为了降低所述可见光通信装置的成本，同时提高信号过滤的效率，更优选的，所述信号过滤模块12包括电容过滤器，所述电容过滤器用于过滤掉所述量子阱二极管阵列11中的第二电信号。这是因为，用于驱动所述量子阱二极管阵列11发射光信号的第二电信号为低频信号，而由接收到的可见光信号转换而来的第一电信号为高频信号，通过设置合适的电容过滤器能够有效的过滤掉所述量子阱二极管阵列11中的低频信号。
优选的，本具体实施方式提供的所述可见光通信装置还包括与所述信号过滤模块12连接的信号放大模块13，所述信号放大模块13用于对所述第一电信号进行放大处理；所述信号放大模块13包括第一级放大器、第二级放大器、第三级放大器。所述第一级放大器，连接所述信号过滤模块12，用于对所述视频信号进行电压放大处理，以构成一个类似高通滤波的功能，从而在对第一电信号进行放大的同时，也能进一步过滤掉第二电信号；所述第二级放大器，连接所述第一级放大器，用于将经所述第一级放大器放大处理的第一电信号进行电流放大处理，从而使得所述信号放大模块13内部的工作电流更加稳定；所述第三级放大器，连接所述第二级放大器，用于对经所述第二级放大器放大处理的第一电信号进行电压放大处理。更优选的，所述第一级放大器的放大倍数为10倍，所述第二级放大器的放大倍数为10倍，所述第三级放大器的放大倍数为6倍。这样，整个信号放大模块13可以将从所述量子阱二极管阵列输出的第一电信号放大600倍左右。
优选的，所述信号放大模块13还包括第一电容、第二电容、第三电容，所述第一电容与所述第一级放大器并联，所述第二电容与所述第二级放大器并联，所述第三电容与所述第三级放大器并联。采用这种结构，可以避免接入的工作电压给第一级运算放大器、第二级运算放大器、第三级运算放大器带来干扰，以提高所述信号放大模块13整体运行的稳定性、精确性。
本具体实施方式提供的可见光通信装置还包括所述信号输出模块14，连接所述信号放大模块13，用于将经过放大处理的第一电信号输出。
优选的，如图1所示，本具体实施方式提供的可见光通信装置还包括控制模块16；所述控制模块16连接所述阵列驱动模块15，用于向所述阵列驱动模块15发送控制信号，以控制所述阵列驱动模块15是否向所述量子阱二极管阵列11发送第二电信号。这样，通过所述控制模块16可以使得所述可见光通信装置包括两种工作模式：在第一种工作模式下，所述控制模块16向所述阵列驱动模块15发送第一控制信号，控制所述阵列驱动模块15向所述量子阱二极管阵列11发送第二电信号，以驱动所述量子阱二极管器件发射光信号，此时，所述信号过滤模块12用于过滤掉所述第二电信号，所述可见光通信装置处于光发射与光探测共存的状态；在第二种工作模式下，所述控制模块16向所述阵列驱动模块15发送第二控制信号，控制所述阵列驱动模块15不向所述量子阱二极管阵列11发送第二电信号，所述量子阱二极管器件不发光，此时，所述信号过滤模块12可以仅用于向所述信号放大模块13传输第一电信号，所述可见光通信装置仅处于光探测状态。其中，在第二种工作模式下时，所述信号过滤模块12也可以继续进行第二电信号过滤，由于此时所述量子阱二极管阵列11中并没有第二电信号，所述信号过滤模块12是否对量子阱二极管阵列11输出的信号进行过滤对后续的处理过程并无影响。
本具体实施方式提供的可见光通信装置，通过在原有的可见光通信装置中增设信号过滤模块和阵列驱动模块，从而在不影响其原有的视频接收功能的前提下，实现了可见光通信装置的发光、照明功能，解决了现有的可见光通信装置功能较为单一的问题，增大了可见光通信装置的应用领域。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种可见光通信装置，其特征在于，包括：
量子阱二极管阵列，包括呈阵列排布的多个量子阱二极管器件，用于接收可见光信号，并将所述可见光信号转换成第一电信号；所述量子阱二极管器件包括n-GaN层、InGaN/GaN量子阱层、p-GaN层，且所述InGaN/GaN量子阱层设置于所述n-GaN层与所述p-GaN层之间；
阵列驱动模块，连接所述量子阱二极管阵列，用于向所述量子阱二极管阵列传输第二电信号以驱动所述量子阱二极管器件发射光信号；
信号过滤模块，连接所述量子阱二极管阵列，用于过滤所述量子阱二极管阵列中的第二电信号，以提取所述第一电信号。
2.根据权利要求1所述的可见光通信装置，其特征在于，还包括控制模块；所述控制模块连接所述阵列驱动模块，用于向所述阵列驱动模块发送控制信号，以控制所述阵列驱动模块是否向所述量子阱二极管阵列发送第二电信号。
3.根据权利要求1所述的可见光通信装置，其特征在于，所述n-GaN层表面具有台阶状结构，所述台阶状结构包括第一台面和第二台面，所述第二台面凸设于所述第一台面表面；n-电极设置于所述第一台面表面，所述InGaN/GaN量子阱层、所述p-GaN层、p-电极从下至上依次叠置在所述第二台面表面。
4.根据权利要求3所述的可见光通信装置，其特征在于，所述n-电极与所述p-电极均为Ni/Au电极。
5.根据权利要求3所述的可见光通信装置，其特征在于，所述量子阱二极管器件还包括硅衬底、以及置于所述硅衬底表面的缓冲层，所述n-GaN层叠置于所述缓冲层表面。
6.根据权利要求1所述的可见光通信装置，其特征在于，所述信号过滤模块包括电容过滤器，所述电容过滤器用于过滤掉所述量子阱二极管阵列中的第二电信号。
7.根据权利要求1所述的可见光通信装置，其特征在于，还包括与所述信号过滤模块连接的信号放大模块，用于对所述第一电信号进行放大处理；所述信号放大模块包括第一级放大器、第二级放大器、第三级放大器；所述第一级放大器，连接所述信号过滤模块，用于对所述视频信号进行电压放大处理；所述第二级放大器，连接所述第一级放大器，用于将经所述第一级放大器放大处理的视频信号进行电流放大处理；所述第三级放大器，连接所述第二级放大器，用于对经所述第二级放大器放大处理的视频信号进行电压放大处理。
8.根据权利要求7所述的可见光通信装置，其特征在于，所述第一级放大器的放大倍数为10倍，所述第二级放大器的放大倍数为10倍，所述第三级放大器的放大倍数为6倍。
9.根据权利要求7所述的可见光通信装置，其特征在于，所述信号放大模块还包括第一电容、第二电容、第三电容，所述第一电容与所述第一级放大器并联，所述第二电容与所述第二级放大器并联，所述第三电容与所述第三级放大器并联。
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