室内可见光通信研究：光OFDM和相关技术+LED赋能

1962年，GaAsP红光发光二极管诞生。与传统的照明光源荧光灯和白炽灯相比，LED在能效、光照度、寿命和可靠性方面都表现出了技术优势。随着III-V族合金的提纯和外延技术的发展，LED的性能在过去的50年中获得了显著的提升。商用LED的效率已从0.1lm/W迅速提升到100lm/W以上。目前，LED可以发射从短波长（紫色）到长波长（红色）的所有可见光谱的光。因此，LED已广泛应用于我们的日常生活中，如普通照明、交通信号灯和平板显示器。在全球商业照明中，LED的市场份额不断增长，未来几年，商用LED销售税收将超过200亿美元。尽管目前LED的价格高于传统光源，但可以预见的是，随着制造技术的发展，LED的成本将进一步降低。

1.5.1　LED类型

图1.3所示为目前主要的几种LED类型，包括荧光LED（pc-LED），多芯片LED，有机LED（OLED）和微LED（μ-LED）。其中pc-LED和多芯片LED通过将两种或多种不同波长的光混合而产生白光，是照明最常用的两种LED。典型的商用pc-LED是在发射蓝光的芯片外面涂覆发射黄光的荧光粉，通过蓝光和黄光混合产生白光。随着加工技术的发展，pc-LED的发光效率已提高到150lm/W。但是，荧光粉的响应速度较慢，pc-LED的调制带宽很低，被限制在几兆赫兹以内。多芯片LED是利用3个或更多LED芯片发出不同的单色光，根据预定比率将各色光混合在一起而产生白光，即红、绿、蓝（RGB）LED。多芯片LED具有显色性好的优点，其调制带宽可以达到pc-LED的数倍，但其成本较高，调制电路复杂。

图1.3　LED类型

OLED由阳极、阴极和加在两者中间的半导体薄膜所构成。OLED的发光机制与无机LED不同。在电子-空穴对复合时，形成了单重态或三重态激发的高能分子态，激发所产生的光和波长与薄膜层相关。基于小分子的OLED常用于平板显示。与液晶显示相比，OLED在能效、对比率、刷新频率等方面具有优势。

μ-LED是一种新兴的LED，可用于自发光微显示器、多站点光激励和混合无机/有机器件。与液晶显示器不同，μ-LED显示器具有自发光和能效高的优点，此外，可支持广视角观看而不会发生色彩偏移。与化学特性不稳定的基于有机材料的OLED不同，μ-LED继承了无机LED的稳定性，具有更长的使用寿命。通常μ-LED显示器集成了大量小型LED元件，每个元件的尺寸仅为微米级或更小。常用的安装μ-LED阵列的方法是将多个微芯片元件布置在基底，且μ-LED的元件被单独寻址，这就增加了设计的复杂性。一种解决方案是逐行或逐列地处理每个元件。

1.5.2　LED发光原理

常见的LED是由两种不同的半导体材料（即P型和N型）形成PN结而产生。对于P区，空穴是多子，电子是少子；而对于N区，电子是多子，而空穴是少子。在没有偏置电压时，位于P区中的多子空穴扩散到N区，并与电子复合，在N区产生正电荷离子；而N区中的电子将扩散到P区，并与空穴复合，在P区释放出带负电荷的离子。最后，在P区和N区的边界处形成内建扩散电场，表示为

其中，q是元电荷；k是玻尔兹曼常数；T是绝对温度；NA和ND分别表示P区的受主半导体浓度和N区的施主半导体浓度；ni是P区和N区的本征载流子浓度。如图1.4所示，内建电场会阻碍P区和N区的多子扩散，在交界处形成耗尽区，从而达到平衡状态。

图1.4　平衡条件下的PN结

当在PN结的两端加上正向偏置电压V时，位于P区的空穴和N区的电子会分别扩散到对方区域，如图1.5所示。此时，耗尽区宽度变小，可表示为

其中，ε是半导体的介电常数。

图1.5　正向偏压时的PN结

当耗尽区宽度变得足够小时，电子将穿过PN结进入中性P区并与空穴重新复合。由于导带中的电子与价带中的空穴之间的能带隙，电子-空穴对复合时将产生光子激发。价带顶部的能量（Ev）与导带底部的能量（Ec）之间的能带隙（Eg）可表示为

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导带中的电子能量为

价带中的空穴能量为

1.5.3　LED非线性特性

对于理想的 LED，输入（正向偏置）与输出（发射光功率）呈线性关系。而实际的LED总是存在非线性失真，导致系统性能显著降低。可用肖克利（Shockley）理想二极管方程来描述电流和电压之间的非线性效应。

式中，IS为饱和电流，表示为

式中，A是结面积；Dp和Dn表示电子和空穴扩散常数；τp和τn是少子寿命。由于扩散常数、少数载流子寿命和本征载流子浓度都是与温度相关，因此对于特定LED，饱和电流是不固定的。

由于正向电压通常远大于热电压（kT/e），因此肖克利理想二极管方程可以简单地近似为

此外，电流-光功率（I-P）转换也是非线性的，可以建模为无记忆或记忆模型。典型的无记忆LED模型是多项式模型。基于泰勒级数，可以得到非线性传递函数的多项式近似

式中，αn为非线性传递函数的n次幂系数，IDC代表直流电流。

由于LED的电容、电导和频率密切相关，因此多项式模型不能准确地描述LED的动态和记忆属性，取而代之的是将非线性和记忆效应结合在一起的Volterra模型。基于Volterra系列的连续时间系统的电流—光功率转换可表示为