本文選題：可見光通信 + 發(fā)光二極管�。� 參考：《南京郵電大學》2016年博士論文

【摘要】：可見光通信是一種基于發(fā)光二極管(LED)的光線實現(xiàn)“有光照就能上網(wǎng)”的新型高速數(shù)據(jù)傳輸技術。與傳統(tǒng)射頻通信相比,具有傳輸速率高、傳輸安全性高、無電磁干擾、綠色低碳和成本低等優(yōu)點而備受關注。高品質LED光源和集成的可見光光子器件是實現(xiàn)高速可見光通信系統(tǒng)的核心元件。目前,III族氮化物基LED器件已經(jīng)實現(xiàn)商業(yè)化,但是仍存在發(fā)光效率低、功耗高和響應速度慢(調制帶寬窄)等缺點,嚴重影響可見光通信系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)傳輸性能。因此,為了實現(xiàn)高傳輸速率和高穩(wěn)定性的可見光通信系統(tǒng),獲得高出光效率、低功耗、高響應速率、可集成的高性能LED器件至關重要。高出光效率是為了提高可見光通信系統(tǒng)的信噪比,提升通信質量;低功耗是為了降低系統(tǒng)的能源消耗,同時降低系統(tǒng)的熱噪聲,延長系統(tǒng)的使用壽命;高響應速率是為了提高系統(tǒng)的傳輸速率,提升通信容量;可集成不僅是為了提升信源LED的性能,更是為了使可見光通信系統(tǒng)朝集成化、芯片化、微型化方向發(fā)展。目前,國際上只有少數(shù)研究人員從事基于藍寶石襯底的高響應速率LED器件的開發(fā),而國內鮮有專門針對可見光通信領域的高性能LED器件的研究工作。隨著Si襯底GaN基LED晶片的生長工藝日趨成熟,相比于藍寶石襯底,具有大尺寸、低成本、導熱性和熱穩(wěn)定性好且易于集成等優(yōu)勢,將有望突破阻礙可見光通信系統(tǒng)實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠款i問題。鑒于此,本文主要圍繞利用Si襯底GaN基LED晶片,制備一種針對可見光通信的高出光效率、低功耗、高響應速率、可集成的LED器件展開,主要的研究內容和成果如下:1、設計制備了GaN導模諧振光柵,搭建了多功能角分辨微納光譜測試系統(tǒng)。導模諧振光柵能對特定波長范圍的光起到調制作用,可作為獨立元器件應用于可見光通信系統(tǒng)中提升系統(tǒng)的信噪比,同時也可作為集成器件與LED相集成,提升可見光通信系統(tǒng)的信源性能。通過對導模諧振光柵結構參數(shù)進行仿真模擬、測量PL(光致發(fā)光)譜、在正入射情況下測試光柵性能、運用角分辨測試系統(tǒng)測試光柵的光學特性、測試不同膜厚的光柵的光學特性等手段,分別表征了周期從400 nm到600 nm,占空比從0.5到0.7,高度為130 nm的圓形光柵和周期為500 nm、550 nm,占空比從0.5到0.7,高度為130 nm的線形光柵。在入射光滿足相位條件的情況下,光柵才能產生諧振現(xiàn)象。光柵周期相同的情況下,隨著占空比減小,諧振峰波峰會出現(xiàn)藍移。占空比相同的情況下,隨著光柵周期的增加,諧振峰波峰會出現(xiàn)紅移,光柵反射率也會有很大的提高。光柵周期、占空比相同的條件下,GaN膜厚越薄,諧振模式數(shù)越少,諧振峰波峰出現(xiàn)藍移。實驗結果表明該諧振光柵能實現(xiàn)對出射、入射光譜的高效調控,為可見光通信收發(fā)端的微型化集成提供了解決方案。2、發(fā)明了Si襯底剝離及懸空GaN薄膜背后減薄技術,制備出高性能的懸空薄膜LED器件。懸空薄膜LED是為可見光通信系統(tǒng)中高出光效率、低功耗、高響應速率的高性能LED光源設計的。利用深硅刻蝕技術剝離Si襯底,使LED晶片正電極和負電極之間的薄膜部分懸空;利用背后減薄技術,減薄懸空LED外延層的厚度,使LED薄膜的厚度變得可控。通過對比實驗,表征了有Si襯底的LED、懸空薄膜LED和減薄后兩種不同厚度的懸空薄膜LED共四種器件。在發(fā)光效率上,減薄LED明顯高于懸空薄膜LED,且薄膜厚度更薄的LED出光效率更高,而懸空薄膜LED則明顯強于有Si襯底的LED。在功耗上,通過I-V曲線特性,減薄LED明顯優(yōu)于懸空薄膜LED,但是兩種減薄的LED在功耗上表現(xiàn)基本相同,而懸空薄膜LED明顯強于有Si襯底的LED。在響應速率上,通過C-V曲線特性,發(fā)現(xiàn)當LED處于工作電壓下,減薄LED的電容特性明顯優(yōu)于懸空薄膜LED,且薄膜厚度更薄的LED性能更好,而懸空薄膜LED則明顯優(yōu)于有Si襯底的LED。實驗表明,采用襯底剝離技術和背后減薄技術的LED器件比傳統(tǒng)工藝加工的LED器件在出光效率、開啟電壓、響應速率等性能指標上有了大幅提升。3、研究了激發(fā)光的平面?zhèn)鬏敊C制,設計并制備出基于懸空薄膜LED和GaN導模諧振光柵的單片光子集成芯片,獲得了激發(fā)光和導模諧振光柵的有效耦合,實現(xiàn)了可見光平面的高效通信。p型發(fā)光區(qū)完全懸空的光子集成懸空薄膜LED器件是為進一步提高可見光通信系統(tǒng)信源LED的出光效率和響應速率、降低LED的功耗,使LED朝著集成化方向發(fā)展而設計的。本文用325 nm激光器作泵浦源,觀察LED中的光平面?zhèn)鬏敩F(xiàn)象。得出以下結論:當滿足相位匹配條件和波導模式數(shù)迅速減少這兩個條件時,器件中會發(fā)生漏模效應。LED的激發(fā)光可以看成表面垂直出射光和橫向出射光兩種組成,利用漏模效應,可以利用懸空薄膜或導模諧振光柵將LED薄膜中傳播的橫向出射光提取出來,用于增強LED的出光效率。同時,漏模效應的應用給可見光通信系統(tǒng)的集成化、芯片化、微型化提供了思路。
[Abstract]:The invention relates to a high - quality LED ( light - emitting diode ) light source and a visible light photonic device , which have the advantages of high transmission rate , high transmission safety , no electromagnetic interference , low carbon and low cost , and the like , and has the advantages of high luminous efficiency , low power consumption , high response rate and easy integration . A thin film LED with high light efficiency , low power consumption and high response rate is obtained by using deep silicon etching technology . In this paper , the light - emitting efficiency and the response rate of the LED are studied by using a 325 nm laser as the pumping source .

【學位授予單位】：南京郵電大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TN929.1;TN312.8

【參考文獻】

相關期刊論文 前1條

1 章雙佐;鄭傳濤;李艷婷;葉瑋琳;劉洋;;Design and experiment of post-equalization for OOK-NRZ visible light communication system[J];Optoelectronics Letters;2012年02期

相關博士學位論文 前3條

1 何勝陽;室內可見光通信系統(tǒng)關鍵技術研究[D];哈爾濱工業(yè)大學;2013年

2 丁舉鵬;可見光通信室內信道建模及性能優(yōu)化[D];北京郵電大學;2013年

3 譚家杰;室內LED可見光MIMO通信研究[D];華中科技大學;2011年

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本文編號：1738463