适用于可见光通信的LED器件

研究发光二极管(LED)器件调制特性以及在高速调制状态下的发光特性是提升新型可见光通信系统性能的关键问题之一，LED器件调制特性的提升可以显著拓展可见光通信系统的应用范围。基于LED器件的调频特性，通过分析发光器件和封装的结构及其他关键光电性能，提出建议：通过降低RC时间以及载流子自发辐射寿命，有效改善LED器件的响应速率，提高LED的调制带宽。

1 LED器件的调制带宽及其测试

带宽一般指信号所占据的频带宽度。当描述信道时，带宽指能够有效通过该信道信号的最大频带宽度。发光二极管(LED)的调制带宽则是器件在加载调制信号时，能承载信号最大的频带宽度，一般定义为LED输出的交流光功率下降到某一低频参考频率值得一半时(如-3 dB)的频率定为LED的调制带宽。LED的调制带宽是可见光通信系统信道容量和传输速率的决定性因素，受到器件实际的调制深度、伏安特性等因素的多方面影响。

LED器件调制带宽的测试，通常都是对直流工作下的器件加载模拟信号(如正弦信号)，测量光功率信号随频率变化的曲线，来确定带宽。

图1给出了一种器件调制特性测试系统[1-3]。它主要包括信号发射端和接收端。在发射端，信号发生器发出的信号被功率放大器放大，以提高其调制深度;随后，信号加载到驱动LED的直流偏置上，使得LED发出调制光信号;在接收端，光电探测器将光信号转换为电信号，经过滤波放大，输出到示波器上。

图1 器件调制特性测试系统组成

图2 器件调制特性测试系统组成

图2是另一种器件调制特性测试系统[4-5]。系统的核心是网络分析仪，它将信号产生、探测以及处理的功能集成在一起，能够实现更高频率的测试。测量LED调制带宽，主要关注网络分析仪的S21参数，即网络分析仪的端口2的输入功率/端口1的输出功率。

2 影响因素及改善方法

一般来说，影响LED调制特性的因素主要取决于以下两个方面[6]：RC时间和载流子自发辐射寿命。LED的有源区是多量子阱结构，具有电荷限制作用，在响应过程中的上升下降时间称为RC时间，主要受到结电容影响，对信号具有延迟作用;而器件有源区内载流子自发辐射寿命直接影响载流子从复合到光子逃逸出器件的时间。

2.1 降低RC时间

图3所示为LED的小信号等效电路[7]。这个小信号等效电路，实际上和阈值电压下的激光器的等效电路类似。因为在阈值电压下，激光器器件工作在自发辐射状态，受激发射过程还没有开始，所以LED也使用该等效电路[8-11]。

图3 LED 的小信号等效电路