大功率LED光调制和脉冲边沿加速的研究

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LED以其高光效、长寿命、全固态和无汞环保等优势在照明领域得到日益广泛的应用。与传统照明光源相比,它的另外一大特点就是光电响应速率快,可达到几十MHz的响应带宽,因而也是光通信光源一个很好的选择,与激光光源相比,它又具有结构简单、可靠性高、大功率、成本低的优势。在现代工业、商业、金融乃至军事领域,对通信的安全性、机动性和便捷性要求越来越高。相对激光适合点到点传输的高方向性而言,LED的发散角特性和大功率正适合于宽覆盖范围的无线组网光通信,组建无线光局域网络,应用于信息安全度要求较高或射频干扰要求比较苛刻的地方。近年来基于照明LED的可见光通信(Visible Light Communication,VLC)研究,及智能化照明技术引起相关研究人员的重视。不过大功率LED的芯片面积较大,比小功率器件的时间响应要慢,发射功率与传输速率存在比较突出矛盾。因此如何提高大功率器件的调制速率也是LED光通信在发射端首先要解决的关键问题。  本文对于目前LED照明的技术状况和发展趋势进行了详细的考察,充分了解了LED无线光通信的研究现状和需要解决的问题。首先分析了LED器件的光电特性,发现LED的发光脉冲响应明显滞后于注入电流脉冲。设计一个短脉冲注入-泄放实验观察LED芯片的光场分布变化,该实验揭示了大尺寸芯片LED发光的瞬时响应在脉冲上升沿以及下降沿的延迟机理,由此分析了载流子在LED器件内部的输运过程和存储效应。  在充分了解LED瞬态响应特性的基础上,设计通过外部驱动电路来加速其光脉冲调制速率。对于脉冲上升沿的加速采用瞬时过压的方法来实现;下降沿加速通过泄放电路实现,即在脉冲结束时将LED两极短路或反偏迅速将剩余载流子抽出,使光信号拖尾缩短,从而大大提升了大功率LED的调制速率。通过对比码元速率为4Mb/s时,普通LED驱动电路与本文加速驱动电路的眼图,验证了通过该驱动电路调制后对传输信号通信质量的提升。最后利用 FPGA对传输信号进行16PPM调制,通过Xilinx ISE软件平台对程序进行调试与测试,最终下载到FPGA芯片中,实现大功率LED的空间光传输。
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