可见光通信系统的集成芯片设计及其关键器件研究

发布时间：2018-04-12 05:59

本文选题：可见光通信 + 发光二极管　；参考：《南京邮电大学》2016年博士论文

【摘要】：可见光通信是一种基于发光二极管(LED)的光线实现“有光照就能上网”的新型高速数据传输技术。与传统射频通信相比,具有传输速率高、传输安全性高、无电磁干扰、绿色低碳和成本低等优点而备受关注。高品质LED光源和集成的可见光光子器件是实现高速可见光通信系统的核心元件。目前,III族氮化物基LED器件已经实现商业化,但是仍存在发光效率低、功耗高和响应速度慢(调制带宽窄)等缺点,严重影响可见光通信系统的高速数据传输性能。因此,为了实现高传输速率和高稳定性的可见光通信系统,获得高出光效率、低功耗、高响应速率、可集成的高性能LED器件至关重要。高出光效率是为了提高可见光通信系统的信噪比,提升通信质量;低功耗是为了降低系统的能源消耗,同时降低系统的热噪声,延长系统的使用寿命;高响应速率是为了提高系统的传输速率,提升通信容量;可集成不仅是为了提升信源LED的性能,更是为了使可见光通信系统朝集成化、芯片化、微型化方向发展。目前,国际上只有少数研究人员从事基于蓝宝石衬底的高响应速率LED器件的开发,而国内鲜有专门针对可见光通信领域的高性能LED器件的研究工作。随着Si衬底GaN基LED晶片的生长工艺日趋成熟,相比于蓝宝石衬底,具有大尺寸、低成本、导热性和热稳定性好且易于集成等优势,将有望突破阻碍可见光通信系统实现高速数据传输的瓶颈问题。鉴于此,本文主要围绕利用Si衬底GaN基LED晶片,制备一种针对可见光通信的高出光效率、低功耗、高响应速率、可集成的LED器件展开,主要的研究内容和成果如下:1、设计制备了GaN导模谐振光栅,搭建了多功能角分辨微纳光谱测试系统。导模谐振光栅能对特定波长范围的光起到调制作用,可作为独立元器件应用于可见光通信系统中提升系统的信噪比,同时也可作为集成器件与LED相集成,提升可见光通信系统的信源性能。通过对导模谐振光栅结构参数进行仿真模拟、测量PL(光致发光)谱、在正入射情况下测试光栅性能、运用角分辨测试系统测试光栅的光学特性、测试不同膜厚的光栅的光学特性等手段,分别表征了周期从400 nm到600 nm,占空比从0.5到0.7,高度为130 nm的圆形光栅和周期为500 nm、550 nm,占空比从0.5到0.7,高度为130 nm的线形光栅。在入射光满足相位条件的情况下,光栅才能产生谐振现象。光栅周期相同的情况下,随着占空比减小,谐振峰波峰会出现蓝移。占空比相同的情况下,随着光栅周期的增加,谐振峰波峰会出现红移,光栅反射率也会有很大的提高。光栅周期、占空比相同的条件下,GaN膜厚越薄,谐振模式数越少,谐振峰波峰出现蓝移。实验结果表明该谐振光栅能实现对出射、入射光谱的高效调控,为可见光通信收发端的微型化集成提供了解决方案。2、发明了Si衬底剥离及悬空GaN薄膜背后减薄技术,制备出高性能的悬空薄膜LED器件。悬空薄膜LED是为可见光通信系统中高出光效率、低功耗、高响应速率的高性能LED光源设计的。利用深硅刻蚀技术剥离Si衬底,使LED晶片正电极和负电极之间的薄膜部分悬空;利用背后减薄技术,减薄悬空LED外延层的厚度,使LED薄膜的厚度变得可控。通过对比实验,表征了有Si衬底的LED、悬空薄膜LED和减薄后两种不同厚度的悬空薄膜LED共四种器件。在发光效率上,减薄LED明显高于悬空薄膜LED,且薄膜厚度更薄的LED出光效率更高,而悬空薄膜LED则明显强于有Si衬底的LED。在功耗上,通过I-V曲线特性,减薄LED明显优于悬空薄膜LED,但是两种减薄的LED在功耗上表现基本相同,而悬空薄膜LED明显强于有Si衬底的LED。在响应速率上,通过C-V曲线特性,发现当LED处于工作电压下,减薄LED的电容特性明显优于悬空薄膜LED,且薄膜厚度更薄的LED性能更好,而悬空薄膜LED则明显优于有Si衬底的LED。实验表明,采用衬底剥离技术和背后减薄技术的LED器件比传统工艺加工的LED器件在出光效率、开启电压、响应速率等性能指标上有了大幅提升。3、研究了激发光的平面传输机制,设计并制备出基于悬空薄膜LED和GaN导模谐振光栅的单片光子集成芯片,获得了激发光和导模谐振光栅的有效耦合,实现了可见光平面的高效通信。p型发光区完全悬空的光子集成悬空薄膜LED器件是为进一步提高可见光通信系统信源LED的出光效率和响应速率、降低LED的功耗,使LED朝着集成化方向发展而设计的。本文用325 nm激光器作泵浦源,观察LED中的光平面传输现象。得出以下结论:当满足相位匹配条件和波导模式数迅速减少这两个条件时,器件中会发生漏模效应。LED的激发光可以看成表面垂直出射光和横向出射光两种组成,利用漏模效应,可以利用悬空薄膜或导模谐振光栅将LED薄膜中传播的横向出射光提取出来,用于增强LED的出光效率。同时,漏模效应的应用给可见光通信系统的集成化、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 .

【学位授予单位】：南京邮电大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN929.1;TN312.8

【参考文献】