面向可见光通信的硅基InGaN/GaN多量子阱多口分路器光子集成芯片

为研究面向可见光通信的多功能光子集成芯片,实现可见光信号发射、探测、传输和功率分配的一体化的复合功能,该文提出一种基于硅基InGaN/GaN多量子阱材料的微型发光二极管(LED)多口分路器结构的光子集成芯片,对集成芯片进行了形貌、光电特性和可见光通信测试等多方面表征,实现了对可见光信号的有效传输和不同比例的多口功率分路,并对分路器不同端口的出射光强进行量化处理,最后,利用信号发生器在微型LED光源发射端加载300 kHz的矩形波电信号,收集分路器末端发射的调制可见光信号,输入/接收信号的波形变化趋势一致,说明该光子集成芯片可实现有效的可见光通信。该研究的主要目的是尝试性将可见光波段的光源和光电探测器集成在氮化物晶圆上,为可见光通信的全光网络的可见光信号片上集成式处理提供新的研究思路和方案,为发展面向可见光通信网络需求的复合功能光子集成芯片终端提供了更多可能性。     

可见光通信感知一体化芯片及关键技术

通信感知一体化是6G关键技术之一。氮化镓量子阱二极管的发射光谱和光探测谱存在重叠区,量子阱二极管光探测器能够吸收具有相同量子阱结构的光发射器件发出的短波长光子,生成光电流。该文基于该物理现象,研制同质集成光发射光接收器件的氮化镓光电子芯片,由于单个量子阱二极管芯片器件自身发光干扰导致感知外界光信号弱,但是收发分离芯片又存在效率低、紧凑性弱、鲁棒性差等问题,将具有相同量子阱结构的量子阱二极管器件制备在同一块芯片上,分别作为发光和接收器件,构建自由空间逆向光通信系统,探索可见光通信感知一体化芯片及关键技术。     

单片集成发光与探测的micro-LED阵列及显示与可见光通信应用

GaN基micro-LED阵列作为新兴的光源技术,已被证明可以在光通信及显示等领域发挥重要作用。如果阵列中的micro-LED能够探测毗邻区域像素的发光性能,将有望形成单片集成发光探测的多功能micro-LED阵列,从而推进未来物联网技术中满足小型化、低功耗需求的光子集成芯片的发展。文章通过实验验证了InGaN/GaN多量子阱结构可以在不同偏压下实现发光和探测的双重功能,从而证明了micro-LED阵列单片集成发光和实时探测的可行性,并进一步将其应用于高稳定性可见光通信以及显示阵列坏点实时检测中,拓宽了micro-LED阵列集成发光探测多功能的潜在应用领域。     

基于聚焦离子束技术的可见光光子调控

采用晶圆级工艺,制备了一种单片集成光源和直波导的硅基氮化镓光电集成器件,结合聚焦离子束技术,使用Ga离子束在直波导上刻蚀形成了一个布拉格反射镜（DBR）,并对器件的光子调控功能进行研究.特殊的InGaN波导结构使得器件在制备过程中不再需要复杂的硅移除和晶片背面减薄工艺,硅衬底可以保持完整.实验结果表明,作为光源的多量子阱发光二极管（MQW-LED）具有良好的电流-电压特性.MQW-LED开启后部分光子耦合进直波导,被限制在波导内向前传输,在DBR处发生全反射并部分衍射到自由空间中.由器件的电致发光光谱可知,制备在波导上的DBR对波导内传输的光子进行了有效调控.     

基于端面耦合的InP基激光器/硅光波导混合集成技术研究

针对硅光子集成回路缺少实用化光源的问题,提出了一种1.55μm波段InP基FP激光器芯片、InP基PIN光电探测器芯片与硅光波导芯片集成模块的设计与制备方法。使用CMOS工艺兼容的硅光无源器件制备工艺,设计并制备了倒拉锥型端面耦合器,与锥形透镜光纤耦合效率为36.7%。采用微组装对准技术将激光器芯片与硅波导芯片耦合、UV固化胶固化后耦合效率为35.8%,1 dB耦合对准容差横向为1.2μm,纵向为0.95μm。     

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

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Ti O2/Si O2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。     

具有谐振腔的弯折光子晶体波导特性研究

为了研究基于光子晶体波导的高性能滤波器,采用调节谐振腔结构和优化耦合结构等方法,基于耦合模理论,在正方格光子晶体中设计了3种光子晶体弯折波导,并进行了理论分析和仿真验证,利用时域有限差分法取得了3种波导在S波段及C波段上的工作特性数据。结果表明,3种波导在不同波段表现出良好的带阻或带通特性,且其结构截止传输波长和通带传输波长随整体介质柱相对介电常数增加向长波方向移动,介电常数ε_r每增加0.3,截止传输波长和通带传输波长均增加6nm左右。这一结果对微型光传感器、微型光通信器件、集成光路等方面的设计都是有帮助的。     

408nm InGaN/GaN LED的材料生长及器件光学特性

通过提高InGaN量子阱结构的生长温度,降低量子阱In组分的掺入效率,提高InGaN/GaN量子阱结构生长质量,缩短LED输出波长等手段,实现了紫光LED高效率输出.采用高分辨率X射线双晶衍射、扫描隧道显微镜和光致发光谱技术研究了高温生长InGaN/GaN多量子阱的结构和光学特性.封装后的300μm×300μm LED器件在20mA的注入电流下输出功率为5.2mW,输出波长为408nm.     

408nm InGaN/GaN LED的材料生长及器件光学特性

通过提高InGaN量子阱结构的生长温度,降低量子阱In组分的掺入效率,提高InGaN/GaN量子阱结构生长质量,缩短LED输出波长等手段,实现了紫光LED高效率输出.采用高分辨率X射线双晶衍射、扫描隧道显微镜和光致发光谱技术研究了高温生长InGaN/GaN多量子阱的结构和光学特性.封装后的300μm×300μm LED器件在20mA的注入电流下输出功率为5.2mW,输出波长为408nm.     

InGaN/GaN超晶格垒层用于InGaN发光二极管发光增强研究

设计了InGaN/GaN超晶格垒层替代p-GaN和n-GaN附近传统GaN垒层的InGaN/GaN多量子阱(MQW)发光二极管(LEDs)结构。通过数值方法模拟出两种LED结构的光功率-电压(L-V)曲线、电致发光(EL)谱、能带图、电子浓度分布和辐射复合速率。结果表明InGaN/GaN超晶格替代n-GaN附近GaN垒层的LED结构比替代p-GaN附近GaN垒层的LED显示出更高的发光强度。这种发光增强的原因是InGaN/GaN超晶格替代n-GaN附近GaN垒层可以提高电子注入效率和辐射复合速率。     

High quality GaN-based LED epitaxial layers grown in a homemade MOCVD system

A homemade 7×2 inch MOCVD system is presented.With this system,high quality GaN epitaxial layers,InGaN/GaN multi-quantum wells and blue LED structural epitaxial layers have been successfully grown. The non-uniformity of undoped GaN epitaxial layers is as low as 2.86%.Using the LED structural epitaxial layers, blue LED chips with area of 350×350μm~2 were fabricated.Under 20 mA injection current,the optical output power of the blue LED is 8.62 mW.     

基于无线可见光通信的双向语音对讲系统

设计并实现了基于无线可见光通信(VLC)的双向语 音对讲系统。上下行链路均使用普通的1W发光二极管(LED)手电筒作为发射端光源, 同时实现语音传输和照明功能。系统采用开关键控-非归零码(OOK-NRZ)调制方式,在测 试LED的光电特性后,设计了LED 驱动电路和接收电路;使用单片机控制音频编解码芯片实现语音信号的采集、处理和传输, 通过异步收发传输接口(UART) 进行数据传输,实现了最远通信距离为40m、最高传输速率为2.5Mbit/s的全双工实时语音 对讲。本文系统实现复杂度低、成 本低和功耗小,并可应用于其他数据传输场合,具有良好的实用性和广泛的适用性。     

Luminescence properties of blue and green dual wavelength InGaN/GaN multi-quantum well light-emitting diode

Blue and green dual wavelength InGaN/GaN multi-quantum well (MQW) light-emitting diode (LED) has wide applications in full color display, monolithic white LED and solid state lighting, etc. Blue and green dual wavelength LEDs, which consist of InGaN strain-reduction layer, green InGaN/GaN MQW and blue InGaN/ GaN MQW, were grown by metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD), and the luminescence properties of dual wavelength LEDs with different well arrangements were studied by photoluminescence and electrolumines-cence. The experimental results indicated that well position played an important role on the luminescence evolvement from photoluminescence to electroluminescence.     

基于LED可见光的网络通信系统设计

随着信息技术的不断发展,通信技术水平越来越高.近年来不少学者对LED光通信进行研究,实现了基于LED的电光信号转换、光信号传输接收以及光电信号解析,达到了数字信息通信的效果.因此,给出了一种基于LED可见光的网络通信系统设计方法,描述网络通信系统架构,阐述LED光通信网络节点、网络层次结构以及网络传输协议等技术.     

基于垂直结构GaN LED的水下蓝光通信系统

垂直结构GaN LED能够提高器件的出光效率和调制带宽,是可见光通信的关键器件。该文面向水下蓝光通信的重大应用需求,基于亚波长理想LED模型,设计、制备了垂直结构蓝光LED器件,在NRZ-OOK调制下可实现10 Mbps的无线光通信。该文进一步搭建了水下可见光通信系统,采用基于该器件,实现了调制速率2 Mbps的全双工水下蓝光通信。     

Chip-scale optical interconnects and optical data processing using silicon photonic devices

Recent advances in the density and complexity of photonic integrated circuits have facilitated possible implementation of chip-scale optical communication systems. Chip-scale optical interconnects and optical data processing are two important functions to transmit and process signal in the optical domain. Silicon photonics offers a promising platform to enable chip-scale optical interconnects and optical data processing using silicon photonic devices. In this paper, we review our recent progress in the design, modeling, and fabrication of silicon photonic devices and their applications in chip-scale optical interconnects and optical data processing with advanced modulation formats. For chip-scale optical interconnects, we experimentally demonstrate digital signal transmissions in silicon microring and silicon vertical slot waveguide. Terabit chip-scale optical interconnect is demonstrated in the experiment. Also, we experimentally demonstrate analog signal transmissions in silicon microring and silicon photonic crystal nanocavity. For chip-scale optical data processing, we experimentally demonstrate all-optical wavelength conversion using a silicon waveguide, simultaneous polarization and wavelength demultiplexing using 2D grating coupler connected with microrings, two-mode (de)multiplexing using a tapered asymmetrical grating-assisted contra-directional coupler, and two-/three-mode (de)multiplexing using asymmetrical directional converter. In addition, we propose and simulate chip-scale optical data exchange, chip-scale high-base optical computing, and chip-scale optical coding/decoding by using nonlinear interactions in a silicon-organic hybrid slot waveguide. The obtained theoretical and experimental results of chip-scale optical interconnects and optical data processing indicate possible integration of optical communication functions on a monolithic chip.     

High-speed real-time visible light communication system based on InGaN/GaN-base multi-quantum well blue micro-LED

Visible light communication (VLC) technology is a new type of wireless communication technology, which employs a light source as the carrier of information to realize illumination and communication simultaneously. This paper adopts a single InGaN/GaN-base multi-quantum well blue micro-light emitting diode (LED) as the light source, designs pre-emphasis circuit, LED driver circuit, impedance matching network, etc., and builds a high-speed real-time VLC system. It has been verified that the LED achieves a 3 dB modulation bandwidth of 450 MHz or more; and the real-time communication rate reaches over 800 Mbit/s at a distance of 2 m. The communication bit error rate (BER) is as low as at a communication rate of 622 Mbit/s. Experimental indicators including 3 dB bandwidth, communication rate, and communication BER are all taken into account. Therefore, this VLC system supports high-quality high-speed real-time communication.