新加坡科技研究局(A*STAR)和新加坡國立大學(National University of Singapore)的研究人員聯手,設計了一款波長可選的光偵測器,它能聚焦白光螢光粉所發射的藍光訊號,從而使白光光照上網(Light Fidelity;Li-Fi)速度從5MHz提高到20MHz。

儘管塗覆螢光粉的白光LED已經成為明亮照明的主流,但混合物中使用的色彩轉換螢光粉在光致發光壽命方面的變化相當大。例如,為了偵測白光在450nm和560nm的時域解析黃色光致螢光光譜(PL),研究人員發現藍光的衰減時間為1.4ns,較黃光發射的54.4ns更快許多。

這意味著當調節白光使其得以傳輸數位訊號時,藍光能以較黃光更快的速度有效地開啟和關閉,而寬頻的矽(Si)光偵測器最終取得訊號的最慢公分母,減緩上升和下降時間。

為了聚焦於快速的藍光,研究人員設計了一款窄頻的綠光氮化銦鎵(InGaN) LED作為接收器。研究人員在發表於《ACS Photonics》期刊的論文(Textured V-Pit Green Light Emitting Diode as a Wavelength-Selective Photodetector for Fast Phosphor-Based White Light Modulation)中詳細描述在380nm的波長製造InGaN LED時,具有V型凹槽紋理的表面可提高InGaN LED主動層的峰值響應度。

如同元件的3D時域有限差分(FDTD)模擬,具有紋理的V型凹槽表面由於增加角散射和光路徑,從而提高了光吸收量。

20170330_Li-Fi_NT02P1 (a) 具紋理的p-GaN表面;(b) LED結構的暗場。插圖顯示具穿透錯位(TD)的V型凹槽特寫

研究人員利用金屬有機化學氣相沉積(MOCVD),在藍寶石基板上生長LED結構。這種基板是由未摻雜的GaN層、厚度約1μm的Si摻雜n-GaN層、10對InGaN (4nm)/GaN (16nm) QW、40nm厚的鎂摻雜AlGaN以及600nm厚的鎂摻雜GaN組成。

20170330_Li-Fi_NT02P2 具紋理的LED結構示意圖

LED結構頂部具紋理的表面是由隨機分佈的六角形V型凹槽(密度約1×109/cm2)組成,具有300nm-500nm的較大調變振幅。藉由控制三甲基鎵(TMGa)氣流,可在生長p-AlGaN層時取得。

研究人員計算出:在420〜480nm範圍(藍光)的平均吸收量較具有相同發光波長與主動層厚度的一般平面LED更高2.23倍。具紋理的LED偵測器峰值響應度為0.23A/W,較平面LED偵測器(0.139A/W)更高63%。

這項研究背後的想法是,利用這種藍光波長可選的光偵測器取代寬頻的Si光偵測器,將足以使白光Li-Fi通訊速度提高4倍,而無需更換任何安裝的白光LED燈泡和燈具。

編譯:Susan Hong

(參考原文:V-pit textured LED to speed up Li-Fi,by Julien Happich)