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光通信系統(tǒng)性能的關(guān)鍵問題之一，LED器件調(diào)制特性的提升可以顯著拓展可見光通信系統(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LED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LED的調(diào)制帶寬。LED的調(diào)制帶寬是可見光通信系統(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)制帶寬的測試，通常都是對直流工作下的器件加載模擬信號(hào)（如正弦信號(hào)），測量光功率信號(hào)隨頻率變化的曲線，來確定帶寬。

　　圖1給出了一種器件調(diào)制特性測試系統(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，光電探測器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)過濾波放大，輸出到示波器上。

　　圖1 器件調(diào)制特性測試系統(tǒng)組成

　　圖2 器件調(diào)制特性測試系統(tǒng)組成

　　圖2是另一種器件調(diào)制特性測試系統(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、探測以及處理的功能集成在一起，能夠?qū)崿F(xiàn)更高頻率的測試。測量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

　　一般來說，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LED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)射過程還沒有開始，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

　　其中，C是結(jié)電容，RD是結(jié)電阻，RS是等效串聯(lián)電阻，L為引線等引起的寄生電感。研究人員通過實(shí)驗(yàn)測量及理論擬合，可以得到這些對應(yīng)的關(guān)鍵參數(shù) ［7-8］。這里得到的電容和幾何電容是一個(gè)量級的，電阻也和幾何電阻相近。因此通過器件的尺寸設(shè)計(jì)可以有效調(diào)整等效電路參數(shù)進(jìn)而提高器件帶寬。

　　通過這種器件的尺寸設(shè)計(jì)來降低RC時(shí)間，從而改善LED調(diào)制帶寬，是較為直觀的一種方式。通過設(shè)計(jì)一組不同尺寸（結(jié)面積、p-GaN與結(jié)接觸面積不同）的LED器件，研究尺寸對LED帶寬的影響［4］。有源區(qū)面積越大的器件，在相同電流密度下，具有較小的調(diào)制帶寬。其原因主要是因?yàn)榈刃ЫY(jié)電容更大，而且電容增大對帶寬的影響比電阻減小的效果更加顯著。這個(gè)結(jié)果和***成功大學(xué)的J.-W. Shi等人［6］的結(jié)果一致。圖4給出實(shí)驗(yàn)器件A與B在不同驅(qū)動(dòng)電流下的頻率響應(yīng)曲線。A器件p-GaN與結(jié)接觸面積更大。

　　圖4 兩種不同尺寸器件在多個(gè)驅(qū)動(dòng)電流下的頻率響應(yīng)曲線

　　圖4還反映了不同電流對LED帶寬的影響，大電流下，載流子濃度增加，導(dǎo)致多量子阱內(nèi)復(fù)合增強(qiáng)，載流子輻射復(fù)合壽命減小。

　　***清華大學(xué)的Chien-Lan Liao等人［12］利用摻鎵（Ga）的氧化鋅（ZnO）薄膜GZO，有效地降低了結(jié)電容。圖5顯示具有電流限制層的藍(lán)光LED結(jié)構(gòu)示意圖。由于將p型的 GaN層刻出臺(tái)面，在p型上做電極，能減小有效電容。而且電極采用環(huán)形結(jié)構(gòu)，利用橫向電阻大的GZO薄膜，實(shí)現(xiàn)對電流限制作用，使得電流主要在垂直方向傳輸，即GZO實(shí)現(xiàn)了與氧化銦錫（ITO）相反的功能，抑制了電流的擴(kuò)展。因此，實(shí)際的結(jié)電容將會(huì)變小，從而實(shí)現(xiàn)LED調(diào)制帶寬的提高。通過這種環(huán)形電極設(shè)計(jì)，該器件的3 dB帶寬達(dá)到225 MHz。

　　圖5 采用GZO 作電流限制層的外延片結(jié)構(gòu)

　　***中央大學(xué)的許晉瑋等人［13］通過串聯(lián)的方式也有效提高了LED調(diào)制速率，其出發(fā)點(diǎn)也是基于對RC時(shí)間的優(yōu)化。假如N個(gè)相同的LED串聯(lián)，電阻值將線性增加R總=N·R，而電容值線性降低C總=C/N。這樣雖然RC時(shí)間沒有發(fā)生變化。但是，一般器件都要外接負(fù)載，那么實(shí)際RC就是（N·R+R0）·C/N，因此，就小于單個(gè)相同面積LED的RC（RC+N·R0C），從而可以有效提高調(diào)制帶寬。