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研究發(fā)光二極管(LED)器件調(diào)制特性以及在高速調(diào)制狀態(tài)下的發(fā)光特性是提升新型可見(jiàn)光通信系統(tǒng)性能的關(guān)鍵問(wèn)題之一，LED器件調(diào)制特性的提升可以顯著拓展可見(jiàn)光通信系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。基于LED器件的調(diào)頻特性，通過(guò)分析發(fā)光器件和封裝的結(jié)構(gòu)及其他關(guān)鍵光電性能，提出建議：通過(guò)降低RC時(shí)間以及載流子自發(fā)輻射壽命，有效改善LED器件的響應(yīng)速率，提高LED的調(diào)制帶寬。

1 LED器件的調(diào)制帶寬及其測(cè)試

帶寬一般指信號(hào)所占據(jù)的頻帶寬度。當(dāng)描述信道時(shí)，帶寬指能夠有效通過(guò)該信道信號(hào)的最大頻帶寬度。發(fā)光二極管(LED)的調(diào)制帶寬則是器件在加載調(diào)制信號(hào)時(shí)，能承載信號(hào)最大的頻帶寬度，一般定義為L(zhǎng)ED輸出的交流光功率下降到某一低頻參考頻率值得一半時(shí)(如-3 dB)的頻率定為L(zhǎng)ED的調(diào)制帶寬。LED的調(diào)制帶寬是可見(jiàn)光通信系統(tǒng)信道容量和傳輸速率的決定性因素，受到器件實(shí)際的調(diào)制深度、伏安特性等因素的多方面影響。

LED器件調(diào)制帶寬的測(cè)試，通常都是對(duì)直流工作下的器件加載模擬信號(hào)(如正弦信號(hào))，測(cè)量光功率信號(hào)隨頻率變化的曲線，來(lái)確定帶寬。

圖1給出了一種器件調(diào)制特性測(cè)試系統(tǒng)[1-3]。它主要包括信號(hào)發(fā)射端和接收端。在發(fā)射端，信號(hào)發(fā)生器發(fā)出的信號(hào)被功率放大器放大，以提高其調(diào)制深度;隨后，信號(hào)加載到驅(qū)動(dòng)LED的直流偏置上，使得LED發(fā)出調(diào)制光信號(hào);在接收端，光電探測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)過(guò)濾波放大，輸出到示波器上。

圖1 器件調(diào)制特性測(cè)試系統(tǒng)組成

圖2 器件調(diào)制特性測(cè)試系統(tǒng)組成

圖2是另一種器件調(diào)制特性測(cè)試系統(tǒng)[4-5]。系統(tǒng)的核心是網(wǎng)絡(luò)分析儀，它將信號(hào)產(chǎn)生、探測(cè)以及處理的功能集成在一起，能夠?qū)崿F(xiàn)更高頻率的測(cè)試。測(cè)量LED調(diào)制帶寬，主要關(guān)注網(wǎng)絡(luò)分析儀的S21參數(shù)，即網(wǎng)絡(luò)分析儀的端口2的輸入功率/端口1的輸出功率。

2 影響因素及改善方法

一般來(lái)說(shuō)，影響LED調(diào)制特性的因素主要取決于以下兩個(gè)方面[6]：RC時(shí)間和載流子自發(fā)輻射壽命。LED的有源區(qū)是多量子阱結(jié)構(gòu)，具有電荷限制作用，在響應(yīng)過(guò)程中的上升下降時(shí)間稱為RC時(shí)間，主要受到結(jié)電容影響，對(duì)信號(hào)具有延遲作用;而器件有源區(qū)內(nèi)載流子自發(fā)輻射壽命直接影響載流子從復(fù)合到光子逃逸出器件的時(shí)間。

2.1 降低RC時(shí)間

圖3所示為L(zhǎng)ED的小信號(hào)等效電路[7]。這個(gè)小信號(hào)等效電路，實(shí)際上和閾值電壓下的激光器的等效電路類似。因?yàn)樵陂撝惦妷合拢す馄髌骷ぷ髟谧园l(fā)輻射狀態(tài)，受激發(fā)射過(guò)程還沒(méi)有開(kāi)始，所以LED也使用該等效電路[8-11]。

圖3 LED 的小信號(hào)等效電路