大功率LED的发光瞬态响应及光调制



大功率LED的发光瞬态响应及光调制

引文格式： 梁仕，何志毅，尹椿淑.大功率LED的发光瞬态响应及光调制[J].桂林电子科技大学学报，2016,36(1)：14-18.

梁仕，何志毅，尹椿淑

(桂林电子科技大学 信息与通信学院，广西 桂林541004)

摘要：为实现LED无线光通信大范围、远距离、高速率的传输，研究了大功率LED载流子注入与复合对光电响应速度的影响，设计了在FPGA控制下的载流子加速注入/抽出调制方案。通过在驱动电压脉冲上升沿施加一个瞬时过压和下降沿，将驱动输出端下拉或反偏，加速光脉冲的上升/下降沿，以避免光脉冲重叠所造成的码间干扰。测试结果表明，大电流调制可提高大功率LED的光信号质量和传输速率。

关键词：大功率LED；无线光通信；光响应；FPGA；脉冲整形

LED具有发光效率高、成本低、寿命长、体积小、低功耗、无汞环保等优点，取代传统照明光源已成发展趋势。利用LED低压驱动、光电响应速度快的特点，可将信号调制到LED的可见光进行传输。这种将照明用可见光作为载波进行数据传输的技术称为可见光通信。尽管LED的响应速度比荧光灯快，但其开关速率小于20 MHz，且随着功率的增大，其响应速率更低，1 W以上大功率LED的响应速率小于10 MHz[1-2]。受荧光粉余辉效应的限制，目前市场上广泛使用调制带宽更低的蓝光激发型白光LED。

采用蓝光过滤、高阶调制、波分复用、均衡等[3-6]可大大提高LED的传输速率。如目前采用最多的高阶调制格式为正交振幅调制(quadrature amplitude modulation，简称QAM)，可实现高达100 Mbit/s的传输速率。同时，为实现远距离数据传输，需要较大的光源发射功率。然而，目前高速调制的LED均是小电流调制，调制电流的峰峰值仅为几十毫安[7]。因此，要增大数据的传输距离和传输范围，提高光源的发射功率具有重要的实际意义。

1LED脉冲调制特性

高阶调制格式(如QAM)虽然有很高的频谱利用率，可大大提高通信系统的传输速率，但QAM系统对幅度和相位检测的信噪比要求很高，驱动设计复杂，采用连续波调制，器件运行在放大区，发热比较严重，功耗也比较大，不利于提高光源的发射功率，可采用脉冲调制加以改善。脉冲调制时，器件只有导通和截止2种状态，功耗低，而且脉冲调制相对简单，对发射和接收的要求较低。

为避免小功率LED多路并联使用，要达到一定的总光源功率，应采用大功率LED，即单个芯片功率达到1 W。分析采用目前市场上标称为3 W的单个芯片LED，由于散热和大电流驱动下效率降低，实际使用时，电流为700 mA，电压为3.6 V，实际功率约为2.5 W。

大功率LED的光脉冲响应时延如图1所示，其中，图1(b)为对三极管Q基极输入1 MHz频率、50%占空比的脉冲信号(脉冲宽度500 ns)，测量平均驱动电流300 mA的光脉冲波形和电流脉冲波形，电流脉冲波形通过电阻Rs采样。实验中，光信号接收采用PIN光电二极管和低噪跨阻放大器组成的接收电路，光波形和电流波形通过示波器检测。

图1　大功率LED的光脉冲响应时延Fig.1　Pulse response delay of high power LED

从图1可看出，光脉冲的上升沿和下降沿均有较大时延，而且明显比电流脉冲时延要长。大功率LED芯片面积较大，其结电容也大。在1 MHz时，光脉冲波形开始明显失真，在更高调制速率下，这时种迟必然造成前、后码元重叠，引起码间串扰。因此，在增大发射功率的同时，提高LED的响应速率也是需要解决的关键问题。

2LED光电响应时延机制分析

为提高LED的光响应速率，可优化器件结构设计。文献[3]简单地把发光时延归因于它的结电容和阻抗，但这种RC阻容时延只是它在驱动电路中的外部表现，是由LED内部载流子的传输过程造成的。为获得较高的发光效率，蓝光LED有源区由InGaN多量子阱构成。量子阱对载流子有较强的束缚作用，尤其是迁移率较低的空穴，跨过多量子阱的速率远比电子慢，由此引起的电子-空穴复合过程的离散性，造成发光脉冲缓慢的上升沿；同时，电子和空穴在各量子阱中分布不均等[8]，驱动脉冲结束后存余的电子和空穴分别处在不同空间位置的量子阱中，需要相向运动到近距离才能复合，脉冲低电平期间无外加电场，需要依靠电子-空穴之间库伦作用力形成的极化电场或扩散的方式移动，因此，造成了光脉冲下降沿时延。光脉冲的下降过程随着LED有源区的量子阱增多而变长[9]，也说明了多量子阱结构对发光响应过程的影响。但是，这仅解释了LED光脉冲响应时延，并不能说明不同功率、多量子阱结构的LED发光时延不同。

目前大功率LED的N型电极和P型电极分别位于芯片的顶部和底部，N电极主要为条形或条形与点状的结合，P电极覆盖整个芯片的底部。这样的结构设计使得注入电路分布不均匀的问题得到解决。在PN结正偏时，N型电极注入电子，P型电极注入空穴，电子和空穴在外加电场的作用下相向运动复合发光。空穴的迁移率比电子低，由于P电极覆盖整个芯片底部，空穴在芯片中是均匀分布的，因此，电子从N电极侧向运动到P电极与空穴发生复合的时间，决定了LED的响应速率。

不同的功率、芯片面积LED，其光脉冲时延也不同，这与载流子垂直外加电场方向的侧向传输过程有关。采用晶体管集电极负载LED共射极连接的驱动电路，用一个200倍可调的PC机显微工业摄像头观察脉冲驱动下的3 W蓝光LED芯片的表面光场分布，如图2所示。图2(b)为频率5 MHz、占空比20%、宽度40 ns脉冲驱动下的芯片表面光场。图2未观察到所预期的不均匀分布，但这并不能说明在40 ns内载流子完成了电极之间的传输。因为载流子仍然可在脉冲结束后，其尚未复合的剩余部分继续扩散或迁移，达到均匀分布。

图2　3 W蓝光 LED芯片Fig.2　3 W blue LED

为了观察电脉冲期间载流子传输和复合的情况，设计注入电流脉冲结束时载流子抽出的实验方法，同样在电脉冲下降沿，将LED短路，至少相当一部分剩余载流子通过外部回路抽出，此时观察器件表面光场分布。由于3 W大功率LED不可能采用负载电流只有几十毫安的CMOS门驱动电路[10]，一些大电流高速BJT(双极型晶体管)是比较合适的选择。为了避免隔离控制，注入与抽出电路应设计为共地连接。图3为载流子抽出对LED发光的影响，驱动晶体管采用共集电极连接方式，通过晶体管Q1对LED注入载流子，Q2进行抽出，对它们的控制脉冲信号电压Vin1和Vin2由相位关联信号源的2个端口输出，Vin2的上升沿紧跟着Vin1的下降沿(不能重叠，否则会导致Vcc与地之间的短路)，这样注入电流脉冲结束后，LED有源区的载流子很快通过Q2被抽出一部分。从图3(b)可看出，LED芯片光场分布不均匀，在电极周边亮度较高，在远处的电极间隙较暗。

图3　载流子抽出对LED发光的影响Fig.3　LED emission effect on carrier extraction

3光脉冲整形电路设计

为了加快大功率LED的光脉冲响应速率，采用分布较密的网状电极结构或ITO透明电极，改善载流子在注入后沿侧向的传输，可提高其光响应速率。显然量子阱数目对于发光响应速率的影响较大，但LED器件设计首先要考虑发光效率，获得高效发光的多量子阱结构不能轻易改变。考虑到LED通信与照明的兼容性，也可选择从外部驱动电路的设计[10]着手，这样可直接采用商业化的LED光源，而无需专业化设计，有利于降低成本和便于实际应用。

由此可知，上升沿和下降沿的缓慢变化过程是由于载流子在侧向传输缓慢而造成。因此，设计了在脉冲的上升沿施加一个瞬间较高的电压来加速载流子的注入和传输，该电压超过了LED的额定电压，但该瞬时过压仍在器件能承受的安全范围。同时，在脉冲下降沿将LED两端短路，将剩余载流子抽出，从而加快下降沿。

如何提供一个几百毫安甚至安培量级的大电流，并在几兆赫兹范围工作是面临的最大挑战。高速门器件如与门、或门、非门可驱动LED，基于它们具有较低的输出阻抗，将LED两端瞬间短路，加速载流子的泄放。门电路通常用于数字电路，具有损耗低的特点，但负载能力非常有限，输出电流不超过20 mA，而且其能承受的最大电压只有约7 V。可考虑将多个门电路并联，以提高带负载能力，但是耐压低的特点决定了它们不可能工作于大功率。MOFET因其高输入阻抗而常被用于开关电路中，但受结电容的限制，此类器件工作的频率范围一般不超过100 kHz。要达到数兆赫兹的范围且实现大电流，开关晶体管是比较合适的选择。

图4　大功率LED光脉冲整形驱动电路Fig.4　The drive circuit for optical pulse shaping of high power LED

图4为设计的大功率LED光脉冲整形驱动电路。因为FPGA具有在线编程灵活和高速实时处理的特点，所以，三路输入脉冲信号均由FPGA产生。泄放控制脉冲电压Vin2的上升沿紧跟输入脉冲电压Vin1的下降沿，过压控制脉冲电压Vin3的上升沿紧跟输入脉冲电压Vin1的上升沿。当输入脉冲电压Vin1为高电平时，Q1和Q2导通，驱动LED发光；同时过压控制脉冲Vin3使Q4和Q3导通，通过Vcc2给LED提供一个瞬间高压，使载流子迅速注入，从而加速上升沿；当输入脉冲电压Vin1结束时，泄放控制脉冲电压Vin2使Q5导通，LED两端相当于短路，LED内部剩余的载流子通过Q5泄放，从而加速光脉冲下降沿。图5为输入信号与光信号波形。FPGA产生伪随机信号并进行2PPM调制后，输入共射极电路，示波器观测到传输速率为4 Mbit/s、平均驱动电流300 mA的光信号眼图(未整形)如图5(a)所示。在同样的条件下，用FPGA产生图4的三路脉冲相关信号并调制后，测得相同传输速率、相同电流下整形电路驱动的光信号波形如图5(b)所示。

从图5可看出，未整形的光脉冲“眼睛”具有人类眼睛“血丝”的特征，其“眼睛”张开很小，光信号边沿有较大时延。而通过上升沿和下降沿加速的整形方法，“眼睛”明显张大，“眼睛”内没有“血丝”，光信号波形得到很大的改善，说明通过脉冲整形的方法提高LED的响应速率是有效的。图5(c)为与图5(a)对应的输入信号与光信号的瞬时波形。由于传输时延，光信号波形相对输入信号有接近一个码元的时延。由此可见，当输入信号脉冲较宽(对应“10”码)时，光脉冲幅度相对较大，而输入脉冲较窄(对应“00”、“01”、“11”码)时，光脉冲幅度小于1/2。这种差异与

图5　输入信号与光信号波形Fig.5　The electric and optical signal waveforms

LED在高电平期间存储载流子的多少有关，经过较长时间高电平注入的载流子较多(即出现“10”时)，因此，光脉冲的幅度较大。而短时间高电平(即出现“00”、“01”、“11”时)存储载流子较少，光脉冲的幅度相对较小。光脉冲下降沿不仅与高电平期间注入的载流子多少有关，还与低电平泄放的载流子数目有关，即出现“101”的情况。那么，“0”之后紧接的低电平只有一个时隙(125 ns)，光脉冲还未下降到最低点，下一个脉冲就开始了，如图5(c)中虚线框所示。因此，图5(a)的光信号眼图出现多个“眼皮”。经过整形，在输入脉冲下降沿LED内部的载流子存储通过外部回路泄放，下降沿的抖动消失。在输入信号的上升沿，通过电源提供瞬间高压加快载流子注入和传输，上升沿得到加速。

采用QAM调制可达到100 Mbit/s以上的传输速率，但是这都是小功率的传输速率。因为受器件发热的影响，采用QAM调制难以做到大功率。而脉冲调制因其较小的器件功耗，光源发射功率可达到很高。虽然脉冲调制的传输速率不比QAM高，但是对于实际应用来说，脉冲调制更适合于可见光通信。

4结束语

无线光通信远距离、大范围的数据传输要求光源具有较大的发射功率。然而，大功率LED的响应速率比小功率的要低。为提高无线光通信的传输速率，必须加快大功率LED的响应速率。LED器件内电子和空穴的不均匀分布以及载流子沿电场侧向传输发生复合的时间决定了LED的响应速度。通过FPGA产生驱动脉冲，在不改变硬件电路的情况下，可满足对LED高速调制与驱动电路的控制要求，具有控制精确的特点。采用光脉冲整形的方法，信号眼图的上升沿和下降沿变陡，边沿抖动相比未整形的变小，说明光脉冲整形对提高LED响应速率是有效的。

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编辑：梁王欢

Luminous transient response and optical modulation of high power LED

LIANG Shi, HE Zhiyi, YIN Chunshu

(School of Information and Communication Engineering, Guilin University of Electronic Technology, Guilin 541004, China)

Abstract：To achieve a wide range or long distance of the LED-based wireless communication, the power LED carrier injection and recombination process and their influence on optical-electric response in the pulse drive are investigated. The modulation technique is designed by accelerating carrier injection/extraction in the control of FPGA. A transient over-voltage is applied to the rising edge of the driving pulse and a pull-down or reverse bias is set at the falling edge. The rising/falling edges are speeded up for avoiding the intersymbol interference. The measurement results show that the optical signal quality under the large current of modulation is significantly improved, and the transmission rate can be effectively promoted.

Key words：high power LED; optical wireless communication; optical response; FPGA; pulse shaping

中图分类号：TN929.12

文献标志码：A

文章编号：1673-808X(2016)01-0014-05

通信作者：何志毅(1965-)，男，湖南永州人，教授，博士，研究方向为LED无线光通信、光电显示与图像技术。E-mail:hezhiyi@guet.edu.cn

基金项目：广西无线宽带通信与信号处理重点实验室开放基金(12108)

收稿日期：2015-04-08