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user: 4. 发展概况 随着RCLED器件设计和制作工艺水平上的不断进步，使得蓝紫光RCLED在发光功率、结构优化、传输速率，品质因数、调制带宽等方面大幅提升，目前已应用于民用数据通信系统。 4.1. 效率提升 2013年，日本小组选取50 × 50 μm 2 和100 × 100 μm 2 尺寸的455 nm波长GaN基RCLED和普通LED，在15 mA电流下进行测试比较，获得RCLED的出光功率比普通LED分别提高了95.26%和127.36%；普通LED的提取效率为6.57%，RCLED最高可达到9.73%。远场分布方面，RCLED的远场半宽可达到±51˚(±47˚)，图5为实验RCLED与普通LED的功率对比图 [ 12 ] 。 另外，利用在RCLED上制备光子晶体(PhC)的方法，可使功率大大提高。曾有报道制作出输出光功 图5. 50 um/100um尺寸RCLED与普通LED的P-I-V特性曲线 率是普通Ga基RCLED 2.48倍，远场半宽接近17%˚的GaN基RCLED [ 13 ] 。 4.2. 波段拓宽 4.2.1. 绿光波段RCLED GaN基绿光RCLED凭借着光谱纯度高，方向性好以及提取效率高等优势，广泛应用于家庭网络用塑料光纤(POF)光源，日本公司在Si衬底上生长GaN基绿光RCLED已有报道，其光输出和半峰全宽(FWHM)相比普通LED均有大幅度增强。此外，还有针对蓝宝石、Cu等不同衬底的绿光RCLED相关研究。 4.2.2. 近紫外波段RCLED 常用光源中，III族氮化物基的蓝光和绿光LED以经发展成熟，但在400 nm以及深紫外波段仍处于探索阶段。380~400 nm的RCLED在工业，医疗领域应用非常有吸引力。如光催化、影印技术，光纤光源，皮肤癌和光化性角化病的治疗、荧光内镜光动力疗法，荧光微阵列和显微镜等。传统近紫外LED由于GaN的高折射率(约为2.5)，在InGaN/GaN量子阱产生的光在GaN与空气表面完全反射回内部，限制了光的输出。随着激光剥离蓝宝石衬底技术的发展，制作出InGaN量子阱RCLED能够具有高光腔品质因数Q，更好的出光方向性以及更大的光功率等优点 [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] 。除了薄膜制造工艺以外，InGaN材料RCLED也可通过外延生长高反射率的AlGaN/GaN DBR反射镜 [ 17 ] [ 18 ] ，利用Ta 2 O 5 作为反射镜，具有化学性能和热性能稳定，高折射率和光谱范围宽的优点，透射光谱范围涵盖300~820 nm [ 19 ] (图6)。 20世纪初曾经报道过510 nm和460 nm塑料光纤用RCLED， [ 21 ] [ 22 ] ，Diagne等人用应变GaN/AlGaN，高反射率的分布布拉格反射镜(DBR)组成的光腔制作出413 nm波长RCLED [ 23 ] 。2013年，T. Moudakir等人用III族氮化物应变制做出含20对AlGaN/GaN底部DBR，发射波长为390 nm的RCLED [ 3 ] 。 2016年，Chia-Lung Tsai等人利用GaN作为衬底，InGaN材料为有源层，Ta 2 O 5 /SiO 2 介质作为上DBR制成的近紫外RCLED在150 mA下得到的光功率比普通LED高21.1%，外量子效率达到8.5% [ 20 ] 。 2017年，Yuh-Shiuan Liu等人通过离子注入的方式来限制紫外波段RCLED，制备出的器件在15 kA/cm 2 电流下的发射波长为371.4 nm，光谱宽度为5.1 nm [ 24 ] ，图7是实验器件测量的EL光谱。 4.3. 器件结构发展 4.3.1. 电流限制结构 在传统的VCSELs中，电流孔径对器件特性起着至关重要的作用。没有良好的电流孔径来限制载流 图6. 390 nm紫外RCLED器件实物图 图7. 370 nm波长紫外RCLED的EL光谱 子在两DBR之间产生光子，就无法保证低阈值电流和单一模式。自从1989年Dallesasse和Holonyak发现了控制Al x Ga 1−x As材料的方法，大多数VCSEL结构的VCSEL开始采用氧化Al x Ga 1−x As作为限制电流和光子，使得这项技术成为最常用的一种传统III-V族化合物红外波段半导体VCSELs制造技术。然而，对于在近紫外波段或蓝绿色波长范围内的发光器件，由于DBR材料不同，氧化铝的方式不再可行。该领域人员开始对各种电流限制的技术进行了研究，如埋AlN选择区域生长法，AlInN氧化法，受体选择性激活法等。 对于生长在绝缘蓝宝石衬底上的GaN基RCLED，横向电流经常会导致电流拥挤效应 [ 25 ] ，用铟锡氧化物(ITO)作为电流扩展层可以让电流延横向均匀扩散 [ 26 ] ，但改变垂直结构要运用复杂的原片转移技术来去除蓝宝石衬底，需要精确控制原片厚度达到谐振效应。更简洁的办法是制作更小的电流限制结构。目前电流限制层(CBLs)主要包括：氧化硅/氮化硅绝缘层、台面刻蚀工艺、离子注入、肖特基势垒以及通过选择性氧化或等离子体处理形成高电阻区域等方式。2014年，台湾科技大学台湾科技大学光电工程研究所利用Si扩散限制结构工艺，制作出5 um的电流限制结构 [ 27 ] ，如图8所示。 图8. 硅扩散型限制结构RCLED的三维立体剖面图 4.3.2. 反射镜(DBR) 对于发光器件，氮化物DBR在RCLED和VCSEL中扮演者重要角色。两种器件都要求具有高反射率的分布布拉格反射镜(DBR)，对于VCSEL，谐振腔上下的DBR都需要高反射率DBR；而对于RCLED，高反射率的DBR能增强光功率和发射光谱。之前有许多利用分子束外延(MBE)和金属有机物化学气相外延(MOCVD)生长GaN/AlGaN和AlInN/GaN材料DBR结构的报道 [ 28 ] [ 29 ] ，然而由于GaN与AlGaN、AlInN的折射率差很低，需要许多对DBR来达到反射率要求。这些氮化物DBR生长在蓝宝石衬底上，线密度位错将高达10 8 ~10 10 /cm 2 ，在DBR对数达到40对后，晶体质量严重下降。因此，下DBR的质量将直接影响谐振腔和上DBR的好坏程度。AlN/GaN具有很高的折射率差(Δn/n = 0.20)，可通过较少的对数获得较大的反射率。Ng et al.等人最早利用25.5对AlN/GaN DBR在467 nm反射峰处的反射率达到99% [ 30 ] 。利用20对AlN/GaN基DBR和三个超晶格结构得到在399 nm处反射率为97%，禁带宽度为14 nm的RCLED [ 31 ] 。 经过不断发展，目前GaN基RCLED按所采用的DBR结构可以分为以下两种类型：混合腔结构VCSEL和全介质膜结构VCSEL。混合腔结构VCSEL底部采用氮化物DBR，在生长氮化物DBR时由于组成DBR的两种材料之间具有较大的晶格失配和热失配，因此很难获得高质量的氮化物外延层；全介质膜结构VCSEL上下采用两个介质膜DBR，可以避开制作高质量氮化物DBR的困难。 TiO 2 是一种新型介质DBR材料，相比于传统DBR，它具有较高的反射率带宽、可设置波长、横模控制和偏振选择等诸多优点。在光栅材料选择上，由于TiO 2 具有良好的光学、化学和机械特性，如较高的折射率，在超过400 nm波长范围其吸收损耗可忽略不计，化学蚀刻选择性非常高，薄膜中的残余机械应力可控等优点。 2015年，Ehsan Hashemi等人成功制备悬空TiO 2 基高折射率亚波长光栅反射镜(HCG)。实验通过材料淀基等技术，制备出悬空TiO 2 基高折射率亚波长光栅反射镜(HCG)作为蓝光VCSEL的上反射镜，产生了未弯曲的理想矩形光束。峰值波长的反射率达到95%，对TM偏振有较大的反射带宽(FWMH为80 nm)，如图9所示 [ 16 ] 。 2016年，台湾科技大学光电工程研究所通过将上DBR反射率减少至50%来增加GaN基蓝光RCLED输出光功率。在室温下，20 um出光孔径的器件在注入电流为25.2 mA时功率达到0.53 mW CW；在有DBR情况下，半峰全宽FWMH从20 nm降至3.5~4.5 nm；峰值波长为428 nm，随温度的红移量为0.03 nm/℃ [ 24 ] 。 4.4. 品质因数 利用衬底两部转移法制备GaN基RCLED。通过将30 nm的ITO层生长到电场的波节位置使，以及 利用CMP技术将布满缺陷的GaN衬底层移除并剖光表面，实验结果品质因数达到2170，并证明高品质因数下能得到更低的损耗以及更高的光输出 [ 16 ] 。 利用高反射率的AlN/GaN材料作为下DBR，Ta 2 O 5 /SiO 2 作为上DBR，获得品质因数Q为895的RCLED，相比普通LED 20 nm光谱宽度，RCLED的光谱宽度可达到0.5 nm [ 32 ] ，其结构如图10所示。 台湾的小组通过减小ITO的厚度，证明了ITO对光吸收的重要性 [ 33 ] ，另一方面，量子阱吸收主要是由于载流子分布不均匀所造成 [ 17 ] [ 34 ] [ 35 ] [ 36 ] 。据研究表明，GaN基LED中存在的载流子分布不均匀，尤其量子阱中远离在p-GaN的位置空穴浓度很低 [ 20 ] [ 37 ] 这是导致大电流下LED效率骤降的原因之一。在垂直腔结构器件中由于需要更大的注入电流，这个效应会更加明显。 图9. TiO 2 高反射率光栅(HCGs)TE/TM模反射光谱的测量和模拟结果图 图10. GaN基Ta 2 O 5 /SiO 2 介质DBR结构RCLED 4.5. 传输速率 近年来GaN基RCLED的传输速率正在不断提升。商业用蓝绿光RCLED塑料光纤已达到250 Mb/s的速率 [ 38 ] ，充分体现RCLED在短距离光纤通信领域和数据传输上的应用价值。在室内无线传输方面，与射频链路相比LED基可见光传输具有系统功耗低，抗电磁干扰，网络安全，带宽高且不受限制等诸多优点。Chun et al.等人利用正交频分复用技术，将GaN基蓝光LED和黄色荧光灯相结合实现了1.68 Gb/s的白光无线传输 [ 39 ] 。 2015年，Wang et al.报道了三基色LED为基础的波分复用通信系统，在1.5 m室内数据传输速度超过4.5 Gb/s。2016年，Chia-Lung Tsai等人通过制备组合成白光RCLED实现了短距离范围内(~100 cm)速率为150 Mb/s的数字电视信号传输，图11接收到的数字电视信号。2017年，GaN基紫光微型LED实现10 Gb/s的正交频分复用可见光通信 [ 40 ] ，这将为RCLED的进一步发展提供了新思路。 塑料光纤(Plastic Optical Fiber， POF)在光纤通讯领域中具有巨大商业价值。相比于玻璃纤维，它具有成本低、安装方便和恢复力强等优点。凭借着速率上的提升，RCLED在POF通讯中也有更广泛的应用。(表1，表2)红光LED已经成为一个在100米范围内POF传输中，低成本、较简便的家庭网络应用的良好选择，表1列出了当前世界先进POF常用光源的性能以及相关研究；绿光RCLED在较大的距离(≥100)光纤传输上具有更好的表现 [ 37 ] 。 在聚合物光纤(POF)传输系统中，RCLED中的非线性传输部分会对整体的传输性能产生极大影响。为了消除非线性失真以增强POF的传输性能，可对非线性区域进行信号补偿。2014年Miao，P.等人用预失真器数字查找表(LUT)的方法，对RCLED的非线性区域进行补偿 [ 41 ] ，使性能提升至少10dB。在此基础之上，该小组在2016年成功对SI-POF内DMT调制的RCLED进行优化和非线性补偿，使收敛时间大幅降低 [ 42 ] 。此外，采用功率回退法，减小峰值-平均输出功率(PAPR)，迭代信号裁剪技术等方式，也能使 图11. 接收到白光RCLED所传输的的数字电视信号 Table 1 The performance and research of POF light sourc S.no Fiber Type Source Data Rate Length Year and Ref Remarks 1 SI-POF GaAs VCSEL 2.5 Gbps 2.5 m 1999 [ 3 ] Short Distance Ethernet Application 2 GI-POF Red RCLED 500 Mbps 50 m 2001 [ 4 ] Applications in Digital TV 3 GI-POF VCSEL 5 Gbps 50 m 2011 [ 5 ] Discrete Tone Modulation， Application in Data Centers 4 SI-POF Red RCLED 300 Mbps 50 m 2011 [ 6 ] CAP modulation， Passive Equalization 5 SI-POF Red Laser 1.25 Gbps 50 m 2012 [ 7 ] High Speed Intra Home Networking Applications 6 SI-POF Red RCLED 622 Mbps 30 m 2014 [ 8 ] Home Networking Applications 7 SI-POF Red LED 50 Mbps 10 m 2016 [This work] 4-PAM modulation， Home Networking Application 8 SI-POF Red LED ≤100 Mbps ≤100 m 2016 [This work] 2-PAM， Home Networking Application 表1. POF常用光源的性能及研究 Table 2 Parameters of sources， POF， and PIN Diodes use Source Red LED Red RCLED Red Laser Green RCLED Modules HFBR-1527Z FT01MVNR GL PT-6.0 FT05MHNG Wavelength (nm) 650 650 650 530 Diameter (mm) 1 1 1 1 Distance Covered (m) ≤100 100 100 100 Far- Field angle [ 9 ] 60˚ 10˚ 20˚ 10˚ Optical Rise Time (ns) 2.1 9 1 9 Optical Fall Time(ns) 2.8 3 1.5 3 Spectral Width (nm) 21 11 2 18 Operating Current (mA) 19 20~25 ≥35 20~25 Power Output −10 dBm −3 dBm 2~5 mW −3 dBm Operating Temperature(˚C) −40 to 90 −40 to 85 −10 to 36 −40 to 85 Eye Safe Yes Yes Unsafe Yes POF Core Diameter Attenuation NA Bandwidth.km(MHz.Km) HFBR RNS010Z SI 1 mm 0.22 dB/m @ 650 nm 0.46 10 PIN Photo-diode +TIA Dark Current Responsivity Peak Input Optical Power HFBR-25X6Z 4 nA 6.5 V/W −5.8 dBm FR05MHIR 2 nA 8 V/W −30 dBm IFD98 2.5 nA 5 V/W −7.3 dBm 表2. POF和PIN二极管所用光源其它性能参数 非线性得到改善 [ 39 ] [ 40 ] 。