氮化镓通信感知一体化光电子集成芯片的研究.pdf

摘要

随着时代的进步和信息技术的发展，无线通信的用户数量也急剧增加。然而，无线频谱

资源的短缺与用户数量的增加之间的矛盾，制约了通信技术的进步。为了解决这一问题，关

键在于要对频谱资源的节流和开源。可见光通信感知一体是解决这一问题的关键所在，也是

6G技术的重要组成部分之一。基于氮化镓量子阱二极管的发射光谱和光探测谱存在重叠区的

物理现象，本文研发了同质集成光发射光接收器件的氮化镓光电子芯片。这种芯片能够吸收

具有相同量子阱结构的光发射器件发出的短波长光子，从而产生光电流。

对于核心器件的研究，本文从可见光芯片的理论知识开始介绍，然后对器件的制备进行

详细描述，基于氮化镓材料，选用蓝宝石基底，采用金属-有机化学气相沉积工艺，将多量子

阱绿光发光二极管制备在一块芯片上。然后对器件分别进行光学和电学表征、通信测试分析。

研究发现，核心器件有着良好的发光性能和较强的出光效率。在通信测试中发现芯片接收器

件在零偏压和在发光时均可以实现与发射器件的通信，包括伪随机二进制序列（Pesudo

RandomBinarySequence，PRBS）信号和音频信号等。同时在发光谱和探测谱的测试中发现，

发光谱和探测谱大约有30nm的重叠区域，通过将多个相同的量子阱二极管集成到同一个芯

片上，可以将它们分别用作通信发送和探测感知器件，从而实现在单个芯片上集成通信和感

知功能，节省频谱资源，同时还能减少收发设备的数量和体积。

然后又根据此物理现象设计了逆向光通信实验并成功验证器件在发光的时候仍然可以接

收到反射回来的外部光信号，在传输过程中，机械快门的调制信息加载到发射信号上，在接

收后可以解调机械快门对发射信号的调制，证明其对外部信息的感知能力。可以将此芯片应

用于音视频通信、脉搏测量装置和光电反射式传感器，都有无限的发展潜力和前景。同时在

此芯片的良好的发光性能和探测特性之上，本文还结合Arduino核心开发板设计并实现了基

于通信感知一体芯片的可见光定位系统，可以在自由空间内通过此芯片探测外部光源，并在

OLED显示屏上实时显示外部光源的位置坐标。

关键词:氮化镓LED，多量子阱，通信感知一体化，可见光通信

Abstract

Withtheprogressofthetimesandthedevelopmentofinformationtechnology,thenumberof

usersofwirelesscommunicationhasalsoincreaseddramatically.However,thecontradictionbetween

theshortageofwirelessspectrumresourcesandtheincreaseofusersrestrictstheprogressof

communicationtechnology.Tosolvethisproblem,thekeyistothrottleandopensourcethespectrum

resources.Visiblelightcommunicationperceptionasawholeisthekeytosolvethisproblem,andit

isalsooneoftheimportantcomponentsof6Gtechnology.Basedonthephysicalphenomenonthat

theemissionspectrumandthephotodetectionspectrumofGaNquantumwelldiodeoverlap,aGaN

photoelectronchipwithhomogeneousintegratedopticalemissionreceiverisdeveloped.Thechipcan

absorbshort-wavelengthphotonsemittedbylightemitterswiththesamequantumwellstructure,

therebygen