適用于可見光通信的LED器件解析

研究發(fā)光二極管（LED）器件調(diào)制特性以及在高速調(diào)制狀態(tài)下的發(fā)光特性是提升新型可見光通信系統(tǒng)性能的關(guān)鍵問題之一，LED器件調(diào)制特性的提升可以顯著拓展可見光通信系統(tǒng)的應(yīng)用范圍?；贚ED器件的調(diào)頻特性，通過分析發(fā)光器件和封裝的結(jié)構(gòu)及其他關(guān)鍵光電性能，提出建議：通過降低RC時間以及載流子自發(fā)輻射壽命，有效改善LED器件的響應(yīng)速率，提高LED的調(diào)制帶寬。
　　1 LED器件的調(diào)制帶寬及其測試
　　帶寬一般指信號所占據(jù)的頻帶寬度。當(dāng)描述信道時，帶寬指能夠有效通過該信道信號的最大頻帶寬度。發(fā)光二極管（LED）的調(diào)制帶寬則是器件在加載調(diào)制信號時，能承載信號最大的頻帶寬度，一般定義為LED輸出的交流光功率下降到某一低頻參考頻率值得一半時（如-3 dB）的頻率定為LED的調(diào)制帶寬。LED的調(diào)制帶寬是可見光通信系統(tǒng)信道容量和傳輸速率的決定性因素，受到器件實際的調(diào)制深度、伏安特性等因素的多方面影響。
　　LED器件調(diào)制帶寬的測試，通常都是對直流工作下的器件加載模擬信號（如正弦信號），測量光功率信號隨頻率變化的曲線，來確定帶寬。
　　圖1給出了一種器件調(diào)制特性測試系統(tǒng)。它主要包括信號發(fā)射端和接收端。在發(fā)射端，信號發(fā)生器發(fā)出的信號被功率放大器放大，以提高其調(diào)制深度；隨后，信號加載到驅(qū)動LED的直流偏置上，使得LED發(fā)出調(diào)制光信號；在接收端，光電探測器將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)過濾波放大，輸出到示波器上。
　　
　　圖1器件調(diào)制特性測試系統(tǒng)組成
　　
　　圖2器件調(diào)制特性測試系統(tǒng)組成
　　圖2是另一種器件調(diào)制特性測試系統(tǒng)。系統(tǒng)的核心是網(wǎng)絡(luò)分析儀，它將信號產(chǎn)生、探測以及處理的功能集成在一起，能夠?qū)崿F(xiàn)更高頻率的測試。測量LED調(diào)制帶寬，主要關(guān)注網(wǎng)絡(luò)分析儀的S21參數(shù)，即網(wǎng)絡(luò)分析儀的端口2的輸入功率/端口1的輸出功率。
　　2影響因素及改善方法
　　一般來說，影響LED調(diào)制特性的因素主要取決于以下兩個方面：RC時間和載流子自發(fā)輻射壽命。LED的有源區(qū)是多量子阱結(jié)構(gòu)，具有電荷限制作用，在響應(yīng)過程中的上升下降時間稱為RC時間，主要受到結(jié)電容影響，對信號具有延遲作用；而器件有源區(qū)內(nèi)載流子自發(fā)輻射壽命直接影響載流子從復(fù)合到光子逃逸出器件的時間。