基于氮化镓集成光电子芯片的单通道全双工可见光通信系统_胡泽锋.pdf

2023年第1期基于氮化镓集成光电子芯片的单通道全双工可见光通信系统Single channel full duplex visible ligh communication systembased on GaN integrated optoelectronic chipHU Zefeng,FU Kang,WANG Hao,WANG Yongjin*（School of Communication and Information Engineering,Nanjing University of Posts and Telecommunications,Nanjing 210003,China）Abstract:In order to deal with the spectrum crisis of the new generation of communication technology,according to the physicalphenomenon of overlapping area between quantum well diode emission spectrum and detection spectrum,and a single channelfull duplex visible light communication system based on GaN integrated optoelectronic chip is proposed.A pair of blue light andgreen light gallium nitride quantum well diode devices with the same quantum well structure are used as optical transmitter andoptical receiver,respectively.The devices are integrated with TiO2/SiO2distributed Bragg reflector（DBR）.Incident light andemitted light are isolated to realize single-channel full-duplex optical communication.The test results show that the visible lightcommunication system can save the channel space through the integration of gallium nitride optoelectronic chip,which is of greatsignificance for the development of future 6G visible light communication technology.Key words:full duplex visible light communication,multiple quantum well,istributed Bragg reflector,single channel,GaN inte-grated optoelectronic胡泽锋，傅 康，王 浩，王永进*（南京邮电大学 通信与信息工程学院，南京210003）摘要：为了应对新一代通信技术频谱危机，根据量子阱二极管发光谱和探测谱存在重叠区的物理现象，提出一种基于氮化镓集成光电子芯片的单通道全双工可见光通信系统。采用具有相同量子阱结构的一对蓝光、绿光氮化镓量子阱二极管器件，分别作为光发射器和光接收器，器件集成 TiO2/SiO2分布式布喇格反射镜（DBR），将入射光和发射光隔离，实现单通道全双工光通信。测试结果表明，该可见光通信系统通过集成氮化镓光电子芯片，节约了信道空间，对面向未来 6G 的可见光通信技术的发展具有重要意义。关键词：全双工可见光通信；多量子阱；分布式布喇格反射镜；单通道；氮化镓集成光电子中图分类号：TN256文献标志码：A文章编号：1002-5561（2023）01-0040-06DOI：10.13921/ki.issn1002-5561.2023.01.007开放科学（资源服务）标识码（OSID）：引用本文：胡泽锋，傅康，王浩，等.基于氮化镓集成光电子芯片的单通道全双工可见光通信系统J.光通信技术，2023，47（1）：40-45.0引言为了应对未来高度数字化、信息化的社会对无线通信的需求，第六代移动通信技术（6G）在无线连接的维度、广度都有巨大的提升空间1-3。于是，人们开始对6G领域进行面向未来的竞争力研究。从工信部和多家研究院分别发布的6G白皮书可知，6G通信将不再局限于原有的无线频谱资源4-5，可见光通信（VLC）有效地对现有频谱资源进行了补充6-7。可见光的波长在380780 nm8-9，其作为一种高速、安全、无电磁污染的高速通信技术，能够应对6G通信系统的主要挑战。在未来，VLC将在各种大规模物联网和6G通信应用场景下（比如未来的智慧照明通信系统10-12、水下通信13-15、室内定位16-17、智慧城市、智慧交通18-19）提供大规模连基金项目：国家重点研发计划项目（2022YFE0112000）资助；国家自然科学基金项目（U21A20495）资助。作者简介：胡泽锋（1998），男，江苏扬州人，硕士研究生，现就读于南京邮电大学通信与信息工程学院通信与信息系统专业，主要从事氮化镓集成光电子芯片、可见光无线通信技术方面的研究工作，并对具体的水下可见光通信和可见光视频通信技术进行研究。*通信作者：王永进（1977），男，江苏徐州人，博士，教授，主要研究方向为无线光通信技术。专 题:可 见 光 通 信402023年第1期接，在6G通信网络中担任重要的角色。氮化镓量子阱二极管具有发光、传输、调制、探测等功能，将其用做发射器时可以通过载波信号发送调制的光信号，用做接收器时可以探测和解码光信号20-22；同时，在二极管底部的蓝宝石表面沉积一个分布式布喇格反射镜（DBR）层，通过DBR层滤除发射光信号中的杂波，有效减少了不同光信号之间的串扰，使信号波形更加平滑，符号解调更加容易。这意味着同一个信道中可以传输多种光波，实现了通信的集成化，减小了收发设备的体积，有效节省了信道空间。因此，氮化镓集成光电子芯片可以应用在可见光音视频通信、室内VLC系统或者其它自由空间光通信设备23-24中，具有广阔的应用场景。在6G时代，VLC作为应对电磁频谱危机的新一代通信技术，氮化镓集成光电子芯片可以便捷地实现6G通信所需的低成本、低功耗、小体积的通信方式。因此，本文提出一种基于氮化镓集成光电子芯片的单通道全双工可见光通信系统。1系统设计1.1系统结构本文提出的一种基于氮化镓集成光电子芯片的单通道全双工可见光通信系统如图1所示。首先，采用绿-蓝-蓝-绿的通信模式在系统两端放置2个具有相同量子阱结构的绿光氮化镓光电子芯片作为系统发射器和接收器，中间再放置2个蓝光芯片实现蓝光通信；然后，绿光芯片通过DBR层发出的光经过中间的蓝光芯片被另一端的绿光芯片接收器接收，使两端的绿光芯片同时实现绿光通信。1.2系统原理系统理论模型如图2所示。其中，灰色部分是DBR层，紫色部分是蓝宝石衬底。首先，绿光芯片的DBR层可以阻止蓝光和绿光的通过，而蓝光芯片上的DBR层会滤除蓝光，允许绿光通过，这样就可以解决接收器不同光信号之间的串扰问题。DBR层作为光学反射器将入射光反射回去能改善光信号接收效果。不同外部激励下，绿光、蓝光芯片的电流-电压（I-V）曲线图如图3所示。图3（a）中，绿光芯片在蓝光光源的刺激下，光电流发生了显著变化，从10-6mA变化到10-1mA；图3（b）中，当给蓝光芯片的外部光源激励为绿光时，蓝色芯片几乎未受影响，光电流保持约图2系统理论模型图1基于氮化镓集成光电子芯片的单通道全双工可见光通信系统示意图胡泽锋，傅康，王浩，等.基于氮化镓集成光电子芯片的单通道全双工可见光通信系统图3不同光照下，绿光、蓝光芯片的I-V曲线（b）在绿光照射和暗室情况下蓝光芯片的I-V曲线（a）在蓝光照射和暗室情况下绿光芯片的I-V曲线专 题:可 见 光 通 信412023年第1期胡泽锋，傅康，王浩，等.基于氮化镓集成光电子芯片的单通道全双工可见光通信系统10-5mA。由此可知，当外部光源为蓝光时，绿光芯片很容易被激发并产生光电流。1.3芯片制备本文在系统中制备了蓝光和绿光2种氮化镓光电子芯片，其中蓝光器件的工艺制备流程如图4所示。首先，利用金属有机化学气相沉 积（MOCVD）在4英寸蓝宝石衬底上生长出由本征GaN（u-GaN）、Si掺杂的n-GaN、InGaN/GaN多量子阱和Mg掺杂的p-GaN组成的外延膜，通过光刻和电感耦合等离子体（ICP）干法刻蚀移除部分外延膜以进行器件隔离；其次，通过磁控溅射形成230 nm厚的透明氧化铟锡（ITO）电流扩展层，再在氮气环境下进行快速退火7 min，接着使用HCl/FeCl3混合物对ITO层进行湿法腐蚀，直到完全暴露n-GaN表面；再次，在n-GaN和ITO表面上沉积多层金属进行金属剥离和快速热退火；然后，为了保护器件，通过等离子体增强化学气相沉积（PECVD）技术将1000 nm厚的SiO2层沉积到器件表面，再用光刻确定电极和键合区域，并用SF6、CHF3和He的混合物进行ICP干法刻蚀；最后，将蓝宝石衬底研磨抛光至200 m，利用光学薄膜镀膜机在芯片底部的蓝宝石表面沉积一个DBR层。芯片制造完成后，通过紫外纳秒激光微加工进行划片。绿光芯片与蓝光芯片在工艺制备上基本一致，只在刻蚀深度和DBR层结构上略有不同。蓝光DBR层具有反射蓝光和透射绿光，而绿光DBR层则同时反射蓝光和绿光。制备完成后的氮化镓集成光电子芯片具备发光、调制、传输、探测等功能。沉积在芯片底部的DBR层有2个主要作用：用做光学滤波器时，可以滤除发射光信号中的杂波；用做光学反射器时，可以将入射光反射回去改善光的吸收。本文使用相同量子阱结构的二极管作为发射器和接收器。由于氮化镓量子阱二极管的发光谱和探测谱存在重叠区域，因此接收器能够吸收从相同量子阱结构的发射器中发出的短波长光子，从而 生成光电流。图5为氮化镓光电子芯片的光镜图。其中，P电极和N电极通过金属线进行焊接用作测试表征。可以看出，在器件表面电极呈梳齿状，有效改善了电流分布的均匀性。图4蓝光器件的芯片制备流程图图5氮化镓光电子芯片整体光镜图专 题:可 见 光 通 信422023年第1期胡泽锋，傅康，王浩，等.基于氮化镓集成光电子芯片的单通道全双工可见光通信系统2系统性能测试本文对2种氮化镓集成光电子芯片（蓝光和绿光）的I-V特性、芯片发光谱和探测谱、芯片通信性能，以及所提系统全双工通信性能进行了测试。2.1芯片性能测试2.1.1芯片基础性能测试首先，使用半导体参数仪分别测试蓝光和绿光芯片的I-V特性。蓝光和绿光芯片的正向开启电压分别为2.2 V、1.9 V，同时分别使用光纤光谱仪和单色仪对蓝光和绿光芯片的电致发光谱（EL）和探测响应谱进行记录、测量。芯片基础性能测试结果如图6所示。图中左侧坐标对应的是蓝光芯片和绿光芯片分别在恒压-2 V、0 V、2 V和恒压-1 V、0 V、1 V激励下的探测响应谱，右侧坐标为蓝光芯片和绿光芯片在恒流10 mA、20 mA、30 mA激励下的EL。可以看出，蓝光芯片的光谱峰值波长为465 nm，其EL和响应谱之间存在37 nm的重叠区域；绿色芯片的光谱峰值波长为531 nm，其EL和响应谱之间也有42 nm的重叠。这表明使用具有相同量子阱结构的二极管芯片在通信方案中可同时用做发射器和接收器。2.1.2芯片通信性能测试为了测试氮化镓集成光电子芯片作为接收器检测光信号的性能，本文搭建了通信测试平台如图7（a）所示。测试时，使用具有相同量子阱结构的二极管作