复旦大学田朋飞课题组首次利用micro-LED集成芯片实现水下双工无线光通信和水下

为了突破现有双工UWOC技术瓶颈，复旦大学的田朋飞课题组首次利用micro-LED（微米级LED）作为一体化集成芯片，实现了高性能双工UWOC以及水下充电综合应用系统的构建，并详细地研究micro-LED集成阵列的的光发射、光电探测以及光伏发电功能。系统通过基于micro-LED的发射器和光电探测器可以实现高速双工UWOC，而基于micro-LED的太阳能电池应用则可以提供能量供给。通信和充电功能的结合将有助于实现自供电的UWOC系统，并减少对外部电源的依赖。基于micro-LED阵列的系统集成了光发射、光电探测和光伏发电功能，在保证了高速UWOC的同时，延长了系统使用寿命，相关研究在海底勘探、洋流监测和其他复杂多变的水下环境应用将具备极为广阔的应用前景，整体应用场景如图1所示。

图1基于micro-LED阵列实现的双工UWOC和水下充电综合应用场景。

作为光发射器，得益于小尺寸的特性，micro-LED具备高光效、高调制带宽、低功耗等独特优势，非常适用于可见光通信应用。在该研究中，研究人员利用开关键控调制(On-Off Keying, OOK)，结合micro-LED的光发射功能，在2.3 m长的水下信道中实现了最高660 Mbps的实时通信速率。更进一步的，基于同一micro-LED器件，其水下光电探测潜力也得以充分开发，由于Ⅲ-Ⅴ族氮化物材料大的禁带宽度、高吸收系数、高饱和电子漂移速度等特性，micro-LED基光电探测器具备高响应度、高比探测率、优秀的线性度、波长选择性等优点。同样采用OOK调制，在-5 V和0 V偏置电压条件下，器件能分别取得最高60 Mbps和52.5 Mbps的通信速率上限。可以看到，在外部偏置电压下，器件的最大数据速率仅发生微小变化。结果表明，micro-LED用作光电探测器时，具备自供电的特性，无论有没有外部电源，其均能处于高性能的工作状态，并具有实现高速双工UWOC应用的能力。