CN216057017U - 无线可见光通信光源及系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种无线可见光通信光源及系统，无线可见光通信光源包括包括基底、层叠在所述基底上的导电层、阵列设置于所述导电层上的多个Mirco‑LED单元以及设置于所述导电层上的阴极，所述阴极设置于所有所述Mirco‑LED单元的外围，所述阴极通过所述导电层与所述Mirco‑LED单元电连接。本实用新型提供无线可见光通信光源体积小、亮度高、调制带宽高，可用于远距离、高速无线可见光通信传输。

Description

无线可见光通信光源及系统

技术领域

本实用新型涉及无线可见光通信技术领域，更具体地，涉及一种无线可见光通信光源及系统。

背景技术

无线可见光通信技术是指利用可见光作为信息载体，在空气或水中直接传输可见光信号的通信方式。

目前，无线可见光通信光源主要包括激光光源和LED光源，激光光源和LED光源的出射光功率均可达到瓦级，用于水下无线可见光传输可实现数十米的传输距离。激光光源的调制带宽可达GHz，数据传输速率快，但是，第一，激光光源功率高，需要专用的散热系统，使得光源器件体积增大，不利于实际应用，第二，激光光源发出的光束发散角小，发射端与接收端需高度准直，技术要求高，第三，激光光源功率大，水下传输需考虑安全问题。

LED光源相较于激光光源功率小且光束发散，因此安全性较高，与此同时其功率达到瓦级，足以实现数十米的水下传播，且无需复杂的散热装置。但是，现有LED光源调制带宽最高仅为10MHz到20MHz，数据传输速率过慢。

相较之下，Micro-LED尺寸小于100微米，能够获得更高的电流密度，相比LED光源具有更高的调制带宽，但是，现有Micro-LED光源通常为内部走线，使单位面积上连接的Micro-LED个数受限，不能应用于远距离、高速无线可见光通信。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种小体积、高亮度、高调制带宽的无线可见光通信光源，用于远距离、高速无线可见光通信传输。

为实现上述目的，本实用新型的技术方案如下：

一种无线可见光通信光源，包括基底、层叠在所述基底上的导电层、阵列设置于所述导电层上的多个Mirco-LED单元以及设置于所述导电层上的阴极，所述阴极设置于所有所述Mirco-LED单元的外围，所述阴极通过所述导电层与所述Mirco-LED单元电连接。

本实用新型还公开了一种无线可见光通信系统，包括上述的无线可见光通信光源。

实施本实用新型实施例，将具有如下有益效果：

本实用新型实施例通过设置导电层，且使与导电层电连接的阴极设置于所有Mirco-LED单元外围，避免在阵列分布的Mirco-LED阵列内部走线，提高单位面积上连接的Micro-LED个数，当所有Mirco-LED单元同时发光时，可提供高强度光线，光线强度越高，通信传输距离越远，另，Mirco-LED单元本身尺寸小，具有高电流密度，调制带宽较宽，可应用于远距离、高速无线可见光通信。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

其中：

图1是本实用新型一具体实施例的无线可见光通信光源的截面结构示意图。

图2是本实用新型一具体实施例的无线可见光通信光源与线路板结合的侧视结构示意图。

图3是本实用新型一具体实施例的无线可见光通信光源的俯视结构示意图。

图4是本实用新型一具体实施例的无线可见光通信系统的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

参考图1～图3，本实用新型公开了一种无线可见光通信光源，包括基底10、层叠在基底10上的导电层211、阵列设置于导电层211上的多个Mirco-LED单元20以及设置于导电层211上的阴极30，阴极30设置于所有Mirco-LED单元20的外围，阴极30通过导电层211与所有Mirco-LED单元20电连接，将阴极30设置于所有Mirco-LED单元20的外围，避免在Mirco-LED阵列内部走线，或者避免在Mirco-LED阵列内部设置阴极30，降低Mirco-LED阵列的单元密度。所有Mirco-LED单元20共阴极30，当通入直流电时，所有Mirco-LED单元20同时发光，提供高强度光线，光线强度越高，可传输的距离越远。

继续参考图1～图3，具体的，导电层211覆盖基底10的整个表面，阴极30通过打孔与其下方的导电层211电连接，避免在Mirco-LED阵列内部设置电连接线，避免降低阵列密度。

继续参考图3，在一具体实施例中，阴极30的数量可以为两个以上，各阴极30分布于Mirco-LED单元20的外围，各阴极30均与导电层211电连接，多个阴极30环绕Mirco-LED阵列设置，以为每个Mirco-LED单元20提供均匀电流。

参考图1，光源还包括阳极40，各Mirco-LED单元20上方分别设置一阳极40，阳极40与P型层23电连接。

在其它实施例中，由于各Mirco-LED单元20均集中设置于基底10的中间区域，光源还可以包括设置于Mirco-LED阵列的上方的阳极板，阳极板与所有Mirco-LED单元20均电连接。

继续参考图1，Mirco-LED单元20包括依次层叠于导电层211上的N型层212、有源层22和P型层23，相邻Mirco-LED单元20通过导电层211实现相连接。

继续参考图1，在另一具体实施例中，Mirco-LED单元20还包括设置于P型层23上方的电流扩展层24，电流扩展层24可以降低接触电阻，提高Mirco-LED单元20的光转换效率，从而提高出射光强度。

继续参考图1，在另一具体实施例中，Mirco-LED单元20还包括设置于电流扩展层24上方的金属层25，金属层25的上方设置阳极40，金属层25提高导电性，降低接触电阻，从而提高光转换效率。

继续参考图1，为了避免短路，在制备阳极40和阴极30前，先在器件的上表面形成一层钝化层50。

为了降低Mirco-LED单元20的电阻，提高光转换效率，在一具体实施例中，阳极40和阴极30分别采用In材料，金属层25采用依次层叠的Ti层/Al层/Ti层/Au层，当然，也可以采用其它材料。

参考图2，光源还包括设置于Mirco-LED单元20的背离基底10一侧的线路板60，线路板60分别与阴极30和阳极40电连接，线路板60为Mirco-LED单元20提供电连接。具体的，线路板60可以通过焊膏或焊球70等分别与阴极30和阳极40电连接。线路板60的大小小于等于基板的大小，因此，线路板60也不会额外增加光源的大小。

在一具体实施例中，相邻Mirco-LED单元20之间的间距为1μm～10μm，以提供高密度Mirco-LED阵列。

进一步的，Mirco-LED单元20的直径为1μm～100μm，假设Mirco-LED单元20的直径为100μm，相邻Mirco-LED单元20之间的间距为10μm，则1cm×1cm面积上的Mirco-LED单元的数量超过八千，假设Mirco-LED单元20的直径为5μm，相邻Mirco-LED单元20之间的间距为2μm，则1cm×1cm面积上的Mirco-LED单元的数量超过二百万，可见，本实用新型中Mirco-LED单元的数量非常多，如此高密度的Mirco-LED单元同时发光，能产生达到瓦级的出射光强度，出射光强度达到瓦极，即使在水介质中光衰减系数较大，传输距离仍能够达到50米以上，在空气中传播则光衰减系数更小，传输距离可达更远，且尺寸小于100微米的Micro-LED最高调制带宽可达到GHz。因此，本实用新型提供的光源体积小、亮度高，能提供高调制带宽，可用于远距离、高速无线可见光通信传输。

相邻Mirco-LED单元20之间的间距越小，Mirco-LED阵列的密度越高，在一较佳实施例中，相邻Mirco-LED单元20之间的间距为1μm～4μm。

Mirco-LED单元20的直径并不是越大越好，Mirco-LED单元20的直径过大，则调制带宽无法极大地提升，Mirco-LED单元20的直径也并不是越小越好，过小会降低Mirco-LED单元20的发光面积，从而也无法提供足够高的单位面积出射光强度，在一较佳实施例中，Mirco-LED单元20的直径为4μm～50μm。

在一具体实施例中，相邻Mirco-LED单元20之间的间距约为2μm，Mirco-LED单元20的直径约为6.5μm，使用直接驱动光源，所有Mirco-LED单元20同事发光，光源输出的光功率密度高达1.34W/cm²，制成1cm²大小的光源，其输出的光功率超过1W，无线可见光通信水中传输距离在50米以上。

在其它具体实施例中，相邻Mirco-LED单元20之间的间距约为2μm，Mirco-LED单元20的直径约为5μm，Mirco-LED阵列密度更高，制成1cm²大小的光源，其输出的光功率比上述实施例更高。

在其它具体实施例中，相邻Mirco-LED单元20之间的间距约为2μm，Mirco-LED单元20的直径可以为10μm、20μm、30μm或40μm时，制成1cm²大小的光源，其输出的光功率均超过1W。

在其它具体实施例中，相邻Mirco-LED单元20之间的间距约为1μm，Mirco-LED单元20的直径可以为10μm、20μm、30μm、40μm或50μm，制成1cm²大小的光源，其输出的光功率均超过1W。

在其它具体实施例中，相邻Mirco-LED单元20之间的间距约为3μm，Mirco-LED单元20的直径可以为10μm、20μm、30μm或40μm时，制成1cm²大小的光源，其输出的光功率均超过1W。

继续参考图2，本具体实施例中，主要采用倒装焊技术形成每平方厘米表面上上百万甚至几千万的高密度Mirco-LED阵列，基底10的背离Mirco-LED单元20的一侧的表面为出光面，制备方法包括以下步骤：

步骤1：首先在基底10上依次沉积N型层、有源层22、P型层23以及电流扩展层24，具体的可以采用沉积、溅射或电镀等方法依次形成上述各层结构。

为了提高电流扩展层24的性能，可以在形成电流扩展层24之后对电流扩展层24进行退火处理。

步骤2：通过刻蚀的方法形成阵列分布的各Mirco-LED单元20以及位于Mirco-LED单元20外围的凹台，刻蚀时一直刻蚀到N型层内部，从而形成覆盖基底10的导电层211以及各Mirco-LED单元20的N型层212。

步骤3：分别在凹台和各Mirco-LED单元20的上方形成用于电连接的金属层25。

步骤4：为了避免短路以及保护各Mirco-LED单元20，在形成金属层25后在整个表面形成一层钝化层50。

步骤5：打孔钝化层50直至露出金属层25，然后在孔内以及孔上方填充阳极40/阴极30材料，从而形成阳极40/阴极30。

在另一实施例中，也可以先在基底10上依次沉积N型层、有源层22和P型层23，然后通过刻蚀的方法形成各Mirco-LED单元20以及位于Mirco-LED单元20外围的凹台，之后，在各Mirco-LED单元20上方形成电流扩展层24，对电流扩展层24进行退火处理，以及在电流扩展层24上方形成金属层25。

在上述各实施例中，基底10可以为玻璃或蓝宝石等衬底，为了提高基底10上方沉积的N型层的质量，优选的，基底10还可以包括设置于衬底上方的一层或两层以上缓冲层。参考图2，在本具体实施例中，基底10包括依次层叠的蓝宝石衬底11、第一缓冲层12和U-GaN的第二缓冲层13。N型层为N-GaN层，有源层22为多量子肼有源层22，P型层23为P-GaN层。当然，上述各层也可以为现有技术中的其它材料。

在上述各实施例中，Mirco-LED单元20可以为任意形状，例如，圆形、方形、椭圆形等，各Mirco-LED单元20的尺寸可以相同也可以不相同。

在一具体实施例中，无线可见光通信光源的长为1mm～5cm，无线可见光通信光源的宽为1mm～5cm。长宽超过5cm，光源发出的光线的散射角过大，会导致聚光镜等其它配套装置过大，开发难度增加。

本实用新型还提供了一种无线可见光通信系统，包括上述的无线可见光通信光源。具体的，参考图4，在一具体实施例中，无线可见光通信系统包括发射端和接收端，发射端包括上述的无线可见光通信光源和第一透镜，第一透镜用于汇聚光源的光线，光线在空气中或水中传播被接收端接收，接收端包括用于汇聚光线的第二透镜、探测器和信号分析仪。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种无线可见光通信光源，其特征在于，包括基底、层叠在所述基底上的导电层、阵列设置于所述导电层上的多个Mirco-LED单元以及设置于所述导电层上的阴极，所述阴极设置于所有所述Mirco-LED单元的外围，所述阴极通过所述导电层与所述Mirco-LED单元电连接。

2.根据权利要求1所述的无线可见光通信光源，其特征在于，相邻所述Mirco-LED单元之间的间距为1μm～10μm。

3.根据权利要求2所述的无线可见光通信光源，其特征在于，所述Mirco-LED单元的直径为1μm～100μm。

4.根据权利要求1所述的无线可见光通信光源，其特征在于，相邻所述Mirco-LED单元之间的间距为1μm～4μm，所述Mirco-LED单元的直径为4μm～50μm。

5.根据权利要求1～4中任意一项所述的无线可见光通信光源，其特征在于，所述阴极的数量为两个以上，各所述阴极均与所述导电层电连接。

6.根据权利要求5所述的无线可见光通信光源，其特征在于，还包括与所述Mirco-LED单元电连接的阳极，所述阳极的数量与所述Mirco-LED单元的数量一致，各所述阳极分别设置于各所述Mirco-LED单元的背离所述基底的一侧；

或者所述阳极为阳极板，所述阳极板设置于阵列分布的多个所述Mirco-LED单元的背离所述基底的一侧，所述阳极板与所有所述Mirco-LED单元电连接。

7.根据权利要求6所述的无线可见光通信光源，其特征在于，所述Mirco-LED单元包括依次层叠于所述导电层上的N型层、有源层和P型层，所述P型层与所述阳极电连接。

8.根据权利要求7所述的无线可见光通信光源，其特征在于，所述Mirco-LED单元还包括设置于所述P型层上方的电流扩展层；

或者所述Mirco-LED单元还包括依次设置于所述P型层上方的电流扩展层和金属层。

9.根据权利要求6所述的无线可见光通信光源，其特征在于，还包括设置于所述Mirco-LED单元的背离所述基底一侧的线路板，所述线路板分别与所述阳极和所述阴极电连接。

10.一种无线可见光通信系统，其特征在于，包括如权利要求1～9中任意一项所述的无线可见光通信光源。

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