Lifi LED光源将引领可见光通信技术 Wifi已OUT？

　　近年来，随着白光发光二极管(LED)技术的大力发展，可见光通信(Visible Light Communication，VLC)成为新一代无线通信技术的研究热点之一。VLC也叫LiFi(Light Fidelity)，2011年，来自爱丁堡大学的德国物理学家Hardal Hass教授在TED大会上发表了一个关于LiFi技术的演讲，首次将“VLC”称为“LiFi”。

　　LiFi是一种基于光(而不是电波)的新兴无线通信技术，结合了光的照明功能和数据通信功能，如图1所示。LiFi是在不影响LED照明的同时，将信号调制在LED光源上，通过快速开关产生人眼无法感知的高频闪烁信号来传送数据。

　　LiFi的优势

　　相比于当前主流的WiFi通信技术，LiFi有如下优势：

　　(1)容量方面，无线电波的频谱很拥挤，而可见光的频谱宽度(约400THz)比无线电波多10000倍;

　　(2)效率方面，无线电波基站的效率只有5%，大多数能量只是消耗在基站的冷却上，而LiFi的数据可以并行传输，同时提高效率;

　　(3)实用性方面，无线电波只是在基站中获取，不能在飞机上、手术室或者加油站使用WiFi，而全球的每个灯都可容易地接入LiFi热点;

　　(4)安全性方面，无线电波很容易被侵入，而可见光不可以穿墙，甚至窗帘，提供了网络的隐私安全。

　　作为兼顾照明和通信的新技术，LiFi在追求高传输速率的同时，不能影响照明的质量和要求，尤其是在光源的研制上。LiFi的光源既要具备通信光源调制性能好、发射功率大和响应灵敏度高等优点，又要满足照明光源高亮度、低功耗和辐射范围广等特点。

　　LiFi光源选择

　　1、LED

　　目前LiFi技术采用的光源大多数是白光LED，很大一部分的原因得益于LED技术的快速发展。而白光LED的实现方式主要有：蓝色LED芯片激发黄绿色荧光粉转换成白光(PC-LED)、紫外光或紫外LED激发三原色荧光粉产生白光和红、绿、蓝3种LED芯片封装在一起混合产生白光(RGB-LED)。现阶段商用的白光LED产品根据光谱成分的不同，主要分为两大类：PC-LED和RGB-LED，两类白光LED的光谱如图2所示。

　　LED的调制带宽决定了通信系统的信道容量和传输速率，研究LED器件的调制特性是提升新型LiFi系统性能的关键问题之一。LED调制带宽的定义是当LED输出的交流光功率下降到某一参考频率值的50%时(-3dB)的频率。由于PC-LED的黄色荧光粉光谱部分的光电响应比较滞后，如图3所示，导致LiFi光源的调制带宽限制在几个兆赫兹以内，从而限制了整个系统的通信速率，即使在接收端采用蓝色滤波片也未能明显改善该光源的缺陷。

　　因此，越来越多的LiFi研究将光源转向RGB LED，它能提供较高的调制带宽，在3种颜色的光波上用波分复用的方式提高信道容量，调制不同的数据并行传输，并在接收端通过各颜色的滤波片分别接收3种颜色，有效提高发送效率。但是RGB-LED中不同颜色的LED对于输出光通有不同的工作温度依赖性，为了实现工作温度独立的色点，需要对每个单色LED的反馈循环和驱动电流进行单独控制，这样对器件的制备带来了较高的成本和复杂的调制电路。

　　LED的调制带宽受响应速率限制，而响应速率又受载流子寿命的影响。除了设计调制电路，降低RC(resistance-times-capacitance)延时之外，常规提高器件调制带宽的方法是增加电子空穴的辐射复合速率，减少载流子自发辐射寿命。常用载流子复合ABC模型如公式(1)所示。

　　式中，N表示发光有源层的载流子浓度，单位为cm-3，A表示Shockley-Read-Hall(SRH)介质缺陷复合系数，B表示自发辐射(双分子)系数，C表示Auger复合系数，BN2表示自发辐射速率。通过增加注入载流子浓度来减少载流子自发辐射寿命，而增加载流子浓度的方法有加大注入电流和Delta掺杂。大电流下，注入载流子浓度增加，因而激子复合几率增加，辐射复合载流子寿命降低，电光转换快速响应。Delta掺杂技术也实现了载流子的大量注入，从而降低了载流子寿命，实现相同电流密度下调制带宽的提高。

　　载流子浓度的变化会影响到LED的内量子效率，如公式(2)所示：

　　式中，εrad是内量子效率。如表1所示，其中A、B、C的取值选取文献中实验的赋值，而理论的常规赋值中Auger复合系数比实验得到的结果小了4个数量级，可能的原因是杂质和声子作为中间介质参与Auger复合过程，使得C值实际中很大。另外一种可能是droop效应是由载流子溢出等作用的结果，与Auger辐射无关。

　　由载流子ABC模型能够获得测试设备很难测量的重要电光特性，如载流子浓度-内量子效率曲线，如图4所示。在理论值的计算上，内量子效率渐渐趋于100%，但是实际中LED器件的内量子效率会出现上升到峰值再下降的droop效应，并且输出光通量与注入电流的关系也会有droop效应。LED的调制通常发生在工作区，在饱和区进行调制会带来很差的信噪比，所以要控制好注入电流的范围。

　　2、LD(激光二极管)

　　由于研究人员不满足LED调制达到的数据传输速率，LiFi的首次提出者HardalHass教授用激光二极管替换了现有的LED，利用激光器的高能量与高光效，传输数据的速率可以比LED快10倍。激光照明可以混合不同波长的光产生白色光，类似于RGBLED。虽然基于LED的LiFi可达到10Gb/s的数据传输速率，可以改善WiFi中7Gb/s的数据传输速率上限，但是激光传输数据的速率可以很容易超出100Gb/s。最新的报道显示，美国亚利桑那州立大学电子、计算机和能源工程学院的研发团队研制出纳米级别的白光激光器，其可以更加便利地用作LiFi光源。

　　在通信方面，激光二极管相比于LED，具有更快的响应速度、可以直接进行调制和耦合效率高等优点。对于普通的电注入式半导体激光器，当注入电流超过某一值时，LD可以发射受输入电流控制的调制光，其调制特性如图5所示，该点电流称为阈值电流，阈值电流以上部分直到饱和区都属于LD的工作区，而调制范围最好在线性区域内进行，所以降低器件的阈值电流，获得较大的调制工作区显得很重要。

　　阈值电流密度如公式(3)所示

　　式中，Jth是阈值电流密度;e是电子元电荷;d是有源层厚度;Iinj是注入电流;N’是透明载流子浓度;αm和αi分别是镜面损耗和光学吸收损耗;Γg0是最大的模式增益;B和C分别是辐射复合系数和Auger复合系数。

　　垂直腔面发射激光器(Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers，VCSELs)就具有低阈值、宽调制和高光电转换效率等优势，美国PrincetonOptronics公司研制出集成多个VCSELs列阵的激光照明模块，连续输出功率超过650W，如图6所示。但是随着注入电流的增加，高功率的VCSELs就会激发出多重横模，导致器件用于通讯光源时误码率增大，所以要对高功率的VCSELs器件的出射模式进行偏振选择。