高速绿光Micro LED技术获新突破 传输速度达5Gbps

近期，台湾大学林恭如教授团队、阳明交通大学郭浩中教授团队及东京大学暨日本学术振兴会程志贤特别研究员合作开发带有奈米光栅结构的半极化绿光2x2微型发光二极管（Micro LED）阵列并进行高速传输封装以实现高速无线可见光传输其传输位元率可达5 Gbps，相当于不到1秒钟就能传输一片DVD或一部高画质电影，有望应用在智慧显示、扩增实境领域，助攻元宇宙发展,如图一所示。在绿光2x2 Micro LED阵列的特殊设计下可以有效抑制量子局限史塔克效应（Quantum-confined Start effect）以拥有低极化相关电场和平坦的量子阱能带。

图一（a）纳米结构半极化绿光Micro LED元件示意图（b）（c）2х2 Micro LED元件点亮与未点亮在光学显微镜下的影像

Micro LED除了照明以及显示技术，还能将讯号加在Micro LED上，使其作为光源传输，赋予一个兼具照明以及资料传输的通讯应用，若照明波段落在可见光的，我们就将其称为可见光通讯（Visible Light Communication, VLC）。由于Micro LED具有低功耗以及较高的调变频宽，在可见光通讯领域会有很大的潜力。

而可见光通讯需要的成本来自于发射元件、接收元件、驱动电路、用于可见光通讯的专用芯片等，然而价格限制了可见光通讯的发展，因此，需要不断的改进制程，降低生产成本，才能使光通讯得以大规模推广，通过市场带动技术发展，规模化生产促进光通讯成本降低。

为了解决芯片缩小因表面缺陷造成LED光电特性不佳的问题，郭浩中教授研究团队导入原子层钝化沉积技术（Atomic layer deposition, ALD）来提升元件辐射复合的效率，减少漏电流的产生，开发出高性能的高速绿光Micro LED元件。此种效应使得绿光2x2 Micro LED阵列表现出2.5 V的启动电压以及在电流密度1 A/cm2操作下得到0.3 mW的输出功率。

此外，此绿光2x2 Micro LED阵列相较于一般传统LED元件展现出较小的波长偏移。另一方面，50m的大孔径设计可以有效降低元件的电容宜以提升整体3-dB调变频宽及在更大的偏压表现出-1dB的功率压缩。绿光2x2 Micro LED阵列设计相较于单颗Micro LED元件也可有效降低整体的元件借以降低功耗。

在搭配特定高速传输封装使得绿光2x2 Micro LED阵列在非归零开关键控格式讯号（Non-Return-to-Zero On-OFF Keying）传输下，其传输位元率可达1.5 Gbps。如图二（a）所示；

图二（a）-（f） NRZ-OOK传输下的眼图分析，其传输位元率可达1.5 Gbps

而在宽带正交振幅调变-正交分频多工格式传输系统下，使用8阶正交振幅调变-正交分频多工格式讯号且采样率为16 GS操作下，其误码率可达3.3×10-3，总传输位元率达4.5 Gbps。绿光2x2 Micro LED阵列使用加载离散多音（Bit-Loaded Discrete Multitone）格式传输在可以超过5 Gbps的传输位元率，为目前已知绿光调变最 高的总传输位元率，如图三所示。

图三、比较利用NRZ-OOK与OFDM调变方式达到的总传输位元率

此次工作中显示绿光2x2 Micro LED阵列拥有更大的潜力，当与手持移动设备封装结合以应用于可见光通信或光无线通信领域的未来应用。相关研究成果被2021年被顶尖光电期刊《Photonics Research》所接受。

白光照明VLC研究上，阳明交通大学郭浩中教授团队与与美国新创公司Saphlux、耶鲁大学、厦门大学的研究人员合作，采用半极化（Semipolar）的Micro LED结合提出了一种用于全彩显示的PNCs-Micro LED （Perovskite NCs, PNCs）显示技术，该元件是使用半极性（20-21）蓝色Micro LED阵列进行激发，该阵列具有发射绿色的CsPbBr3和发射红色的CsPbBrI2 PNCs，如图四所示。接着在外层披覆SiO2以增强其稳定性，使PNCs可以在老化测试超过1300小时后成功保持其光强度。

图四、可挠式色转换层的制作流程与PNCs-Micro LED白光元件的影像图

此外，半极性（20-21）Micro LED阵列具有良好的波长偏移特性，在不同电流密度下，与具有同对数量子阱（MQW）设计的c-plane Micro LED相比，波长偏移仅为2.7 nm，如图五（c）。PNCs产生的红色和绿色显著提高了色纯度和色域，可达到127.23% NTSC标准色域面积占比的和95.00% Rec. 2020，如图五（b）。

同时也提供655 MHz频宽和1.2 Gbp/s 的数据传输速率，如图五（a）（d）-（f）所提出的PNC-Micro LED具有色偏小、色域大、频宽高、稳定性强等优点，相关研究成果被2021年被顶尖光电期刊《Photonics Research》所接受。

图五、（a）不同操作电流下的半极化蓝光Micro LED频率响应；（b） PNCs-Micro LED的色域面积图；（c）半极化蓝光Micro LED在不同操作电流密度条件下的波长位移；（d）-（f） NRZ-OOK传输下的眼图分析，其传输位元率可达1.2 Gbit/s。

在15日举行研究成果记者会上，中国台大光电所暨电机系终身特聘教授林恭如林恭如表示，团队通过材料与结构设计，研发出超快绿色微型发光二极管阵列元件（Green Micro LED），传输速度达到自由空间中每秒超过50亿位元（5Gbps），相当于不到1秒钟就能传输一片DVD或一部高画质电影，是目前全球最快的可见光传输速度纪录。

林恭如表示，超高速绿光微型LED阵列的研究成果，是继高速蓝光与红光微型发光二极管元件的开发后，完成让智慧显示装置也能进行自由空间光通讯研究发展的最后一哩路。

团队表示，这项成果也被美国光学学会电子期刊“光学聚焦（Spotlight on Optics）”选为2021年度代表性论文，成为去年1万多篇出版论文中最具代表性的100篇论文之一，元件发表后受到鸿海的重视。

郭浩中指出，未来元宇宙的世界中，穿戴式装置是其中重要一环，不只显示亮度要够，也要可以大量传输资料，因此把光当作传输资料方式，就算在人群密集时，光通讯也不会发生塞车状况。

林恭如表示，相关微型LED技术突破，未来不只应用在智慧显示、扩增实境，助攻元宇宙发展而已，元件本身也可以作为普遍性光源使用，如果有高速数据传输需求，象是智慧医疗、智慧零售等其他领域也有机会应用。