隨著5G的大規(guī)模商用，全球?qū)W術(shù)界和工業(yè)界紛紛啟動下一代移動通信技術(shù)(6G)的研究。

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然而，現(xiàn)有射頻頻譜資源嚴(yán)重枯竭，無法滿足6G超高速、超大容量的頻譜需求。這一嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)促使研究人員關(guān)注太赫茲、紅外和可見光等更高頻段。其中，可見光通信利用400THz至800THz的超寬光譜，具有無需許可、保密性高、環(huán)保、無電磁輻射等優(yōu)點。

同時，借助商用LED技術(shù)，可見光通信系統(tǒng)可以與照明系統(tǒng)集成。然而，受限于LED器件的電光響應(yīng)性能，系統(tǒng)實際可用帶寬與可見光頻段相比非常小。

提高可見光通信系統(tǒng)中LED器件的可用帶寬成為實現(xiàn)高速可見光通信的重要問題。Micro-LED具有GHz級-3dB器件帶寬。然而，隨著器件尺寸縮小至數(shù)十微米，Micro-LED器件的電流密度急劇增加，難以進(jìn)一步提高。

(a)建議的等效電路，用于安裝有和沒有V坑(有微小V坑)的LED。黃色虛線框中的分支專用于表示V坑區(qū)域引入的額外電流。本征LED部分的另一個分支代表平坦量子阱區(qū)域。使用建議的等效電路對(b)無V凹坑的樣品和(c)有V凹坑的樣品進(jìn)行擬合的結(jié)果。圖片來源：光電科學(xué)(2023)。DOI：10.29026/oes.2023.230005

在電流密度的限制下，Micro-LED很難達(dá)到瓦級光功率，不適合需要大功率光發(fā)射器件的長距離和水下光通信。因此，如何提高常規(guī)尺寸LED的通信性能也是目前的一個關(guān)鍵問題。

發(fā)表在《光電科學(xué)》上的文章作者研究了一種基于多色LED的波分復(fù)用可見光通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用具有3D結(jié)構(gòu)量子阱的Si襯底GaN基LED。在該LED的有源層中，有一個具有六邊形輪廓的三維結(jié)構(gòu)(“V”形凹坑，或V-pit)，開口朝向P型GaN層。

一般來說，對于GaN基LED來說，為了實現(xiàn)更長的自發(fā)發(fā)射波長，需要在量子阱中添加更高的銦成分，這導(dǎo)致了嚴(yán)重的GaN和InN晶格失配問題。然而，V坑結(jié)構(gòu)有助于屏蔽GaN基LED中晶格失配引起的位錯，從而顯著提高長波長(如黃綠波段)GaN基LED的量子阱質(zhì)量和光學(xué)效率。

本研究中使用的多色LED陣列包含八個不同的LED單元。最多可同時使用8個獨立的WDM通道。除660nm和620nm紅色LED單元外，570nm-450nm波段的其他6個LED單元均采用南昌大學(xué)國家硅襯底LED研究所開發(fā)的硅襯底GaN基LED。

基于LED陣列，復(fù)旦大學(xué)團(tuán)隊搭建了通信系統(tǒng)，并編寫了系統(tǒng)所需的先進(jìn)數(shù)字信號處理技術(shù)程序，包括位功率加載DMT調(diào)制/解調(diào)程序、DZN數(shù)字預(yù)均衡器以及基于軟件后均衡器的程序。關(guān)于循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。該通信系統(tǒng)總傳輸速率達(dá)到31.38Gb/s。

作者還結(jié)合物理模型仿真和等效電路建模解釋了V坑的原理。在模型模擬過程中，作者發(fā)現(xiàn)V坑強烈增強了其附近的電流密度。大量載流子涌入V坑，然后在量子阱中水平輸送到鄰近的平坦區(qū)域。

根據(jù)這一現(xiàn)象，在LED等效模型中V坑附近添加了代表量子阱的特殊分支。這種新的電路模型成功地擬合了器件的響應(yīng)曲線。模型表明，V形凹坑有效降低了器件的串聯(lián)電阻，增強了器件對高頻信號的響應(yīng)。這意味著V-pit帶來了更高的電光轉(zhuǎn)換效率和更大的器件帶寬。由此，從理論上初步解釋了V坑結(jié)構(gòu)對LED器件通信性能的積極影響。

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