本發(fā)明涉及基于ingan光子單片集成的多維空間可見光通信系統(tǒng)，屬于可見光通信的技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

目前，可見光無線通信技術(shù)(lightfidelity,lifi)利用電信號控制發(fā)光二極管發(fā)出的肉眼看不到的高速閃爍信號來傳輸信息，但存在著無法反向通信的問題；現(xiàn)有全雙工通信系統(tǒng)采用頻分復(fù)用或波分復(fù)用等技術(shù)實現(xiàn)單信道全雙工，占用的頻譜和光譜資源較多。

而ingan材料具有良好的光電效應(yīng)，具有更高的禁帶寬度，更大的電子飽和漂移速度，更強的臨近擊穿電場，更高的熱導(dǎo)率以及熱穩(wěn)定性等特性，是制備高頻、高溫、高壓、大功率器件的理想材料。研究表明ingan材料具有發(fā)光、導(dǎo)光以及探測光等多種特性，可以利用光子集成技術(shù)可以將ingan材料制成的光源、波導(dǎo)和探測器集成于一體。這為發(fā)展微納可見光通信、光子互聯(lián)及光學(xué)微電子器件提供了新的方向。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了基于ingan光子單片集成的多維空間可見光通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)的ingan光子集成芯片是由四個ingan多量子阱器件和三個波導(dǎo)組成。ingan多量子阱器件的發(fā)射光可以在片內(nèi)耦合，也可以在片外透射，并且傳輸?shù)墓庑盘柲鼙粰z測，因此實現(xiàn)多維空間可見光通信。集成芯片中的ingan多量子阱器件既可作為發(fā)光源，散發(fā)出的平行于平面的光，通過波導(dǎo)耦合傳輸?shù)搅硪粋€多量子阱器件中，也可作為光電探測器，將接收到的光信號轉(zhuǎn)化為電信號，實現(xiàn)片內(nèi)一對多的全雙工光通信。集成芯片上器件發(fā)的光除了耦合到波導(dǎo)中，其余發(fā)散到空間中，用商用光電探測器探測所傳輸?shù)墓庑盘?，所接收到的信號與計算信號相符合，該系統(tǒng)實現(xiàn)了基于ingan光子單片集成的多維空間可見光通信，為多維可見光通信研究奠定了基礎(chǔ)。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案是：一種基于ingan光子單片集成的多維空間可見光通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)的芯片以硅基氮化物材料為基底，從下往上一次為硅襯底層1、外延緩沖層2、純gan層3、n-電極5、懸空p-n結(jié)量子阱器件；所述p-n結(jié)量子阱器件包括從下至上依次為n-gan層4、ingan/gan多量子阱6和p-gan層7，p-電極8。在所述n-gan層4上表面有刻蝕出的階梯狀臺面，所述階梯狀臺面包括下臺面和上臺面，所述n-電極5設(shè)置在下臺面，所述上臺面與ingan/gan多量子阱6的底面相連接；在所述n-gan層4經(jīng)過背后襯底層1剝離，減薄后獲得所述懸空薄膜區(qū)15。所述懸空薄膜區(qū)15包括懸空n電極區(qū)11、懸空p電極區(qū)14、和懸空波導(dǎo)17，所述懸空波導(dǎo)17中間是用于隔離兩個p區(qū)的隔離槽16。所述p-電極8包括依次連接的p-電極引線區(qū)12、p-電極導(dǎo)電區(qū)13和懸空p-電極區(qū)14；所述n-電極5包括一次連接的n-電極引線區(qū)9、n-電極導(dǎo)電區(qū)10和懸空n電極區(qū)11。

進一步的，本發(fā)明基于ingan光子單片集成的多維空間可見光通信系統(tǒng)中，光子集成的量子阱結(jié)構(gòu)芯片，以硅基氮化物晶片為載體，從下至上的結(jié)構(gòu)依次為硅襯底層、外延緩沖層、純gan層、四個懸空p-n結(jié)量子阱器件以及三個懸空波導(dǎo)；所述p-n結(jié)量子阱器件從下至上依次為n-gan層、ingan/gan多量子阱、p-gan層和p-電極，在所述n-gan層上表面有刻蝕出的階梯狀臺面，所述階梯狀臺面包括下臺面和上臺面，所述n-電極設(shè)置在下臺面上，所述上臺面與ingan/gan多量子阱的底面相連接。所述n-gan層經(jīng)過背后襯底層剝離，減薄后獲得所述懸空薄膜區(qū)。

進一步的，本發(fā)明的p-n結(jié)量子阱結(jié)構(gòu)位于懸空薄膜區(qū)上，所述懸空薄膜區(qū)包括懸空p電極區(qū)、懸空波導(dǎo)和懸空n電極區(qū)，所述懸空波導(dǎo)中間是用于隔離兩個p區(qū)的隔離槽。所述p-電極包括依次連接的懸空p-電極區(qū)、p-電極導(dǎo)電區(qū)和p-電極引線區(qū)；所述n-電極包括依次連接的懸空n電極區(qū)、n-電極導(dǎo)電區(qū)和n-電極引線區(qū)。對于懸空波導(dǎo)、p電極和n電極，除了p電極引線區(qū)、n電極引線區(qū)以及部分導(dǎo)電區(qū)以外的其他結(jié)構(gòu)都位于懸空薄膜區(qū)上。每個p-n結(jié)之間都有隔離區(qū)來隔離p-n結(jié)，防止p-n結(jié)之間的電學(xué)影響。

進一步的，本發(fā)明的基于ingan光子單片集成的多維空間可見光通信系統(tǒng)中包括片內(nèi)全雙工通信系統(tǒng)和片外通信系統(tǒng)。所述的片內(nèi)全雙工通信系統(tǒng)中，ingan多量子阱器件作為發(fā)光源的同時也探測另一個ingan多量子阱器件通過懸空波導(dǎo)傳輸過來的光信號，通過自干擾消除方法提取出有效疊加信號。所述片外通信系統(tǒng)中，多個ingan多量子阱器件發(fā)光，通過物鏡，匯聚到商用光電探測器上，接收的信號與理論計算的信號相符合。

本發(fā)明包括片內(nèi)全雙工通信系統(tǒng)和片外通信系統(tǒng)，基于ingan光子集成芯片，該集成芯片采用光子作為信息傳輸?shù)妮d體，使信息在傳輸中所造成的信息畸變和失真極小，光傳輸、轉(zhuǎn)換時能量消耗和散發(fā)熱量極低。同時，ingan多量子阱器件既可作為光源，也可作為光電探測器使用，實現(xiàn)晶體管源、漏極的雙向利用。

本發(fā)明的多維空間可見光通信系統(tǒng)中，ingan多量子阱器件同時發(fā)光并作為光探測器時，根據(jù)提取的傳輸信號，通過自干擾消除的方法提取出有效的疊加信號，實現(xiàn)片內(nèi)全雙工通信。多個ingan多量子阱器件同時發(fā)光，除了耦合到波導(dǎo)中的光，發(fā)散出來的光通過物鏡、平面透鏡聚集到商用光電探測器上，探測到多個ingan多量子阱器件所發(fā)送的信號，接收到的信號與理論上計算的多個發(fā)送信號疊加在一起的信號相符合。

本發(fā)明的芯片是基于懸空p-n結(jié)量子阱的光致晶體管?；诠枰r底的氮化物材料的光致晶體管，利用各向異性硅刻蝕技術(shù)，并采用背后減薄刻蝕技術(shù)，獲得超薄的懸空光子集成器件。

本發(fā)明是在空間上的多維可見光通信，不同于單向和雙向的可見光通信系統(tǒng)，本發(fā)明中片內(nèi)一對多的全雙工通信，片外多維通信均能實現(xiàn)。

有益效果：

1、本發(fā)明是基于ingan光子單片集成的多維空間可見光通信系統(tǒng)，相較于單一信道可見光通信系統(tǒng)，利用多維空間傳輸光信息，實現(xiàn)多路信道并行傳輸，克服調(diào)制帶寬限制，提升可見光通信系統(tǒng)傳輸容量。

2、本發(fā)明提出的多維空間可見光通信系統(tǒng)基于ingan光子集成芯片，該集成芯片相較于其他光致晶體管集成芯片，其中的懸空波導(dǎo)作為一個橋梁將光致晶體管的發(fā)射極與集電極相連，且波導(dǎo)兩邊與懸空薄膜完全隔開，即發(fā)射極的光是通過波導(dǎo)耦合進集電極的，不受懸空薄膜的影響。

3、本發(fā)明是基于ingan光子單片集成的多維空間可見光通信系統(tǒng)，相較于現(xiàn)有的將下鏈路隔離實現(xiàn)全雙工的可見光通信系統(tǒng)，利用基于ingan的p-n結(jié)量子阱器件具有同時發(fā)光、探測光信號的特性，將光源、光波導(dǎo)和光探測器集成在一起，因此只需一對器件就可以完成全雙工，從而節(jié)省一半的設(shè)備資源損耗。

附圖說明

圖1是本發(fā)明基于ingan光子單片集成的多維空間光通信系統(tǒng)的器件前視圖。

圖2是本發(fā)明基于ingan光子單片集成的多維空間光通信系統(tǒng)的器件結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是本發(fā)明基于ingan光子單片集成的多維空間光通信系統(tǒng)的通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖4是本發(fā)明基于ingan光子單片集成的多維空間光通信系統(tǒng)中片內(nèi)雙工通信和片外通信的信號示意圖。

標(biāo)識說明：1－硅襯底層；2－外延緩沖層；3－純gan層；4－n-gan；5－n-電極；6－ingan/gan多量子阱；7－p-gan層；8－p-電極；9－n-電極引線區(qū)；10－n-電極導(dǎo)電區(qū)；11－懸空n-電極區(qū)；12－p-電極引線區(qū)；13－p-電極導(dǎo)電區(qū)；14－懸空p-電極區(qū)；15－懸空薄膜區(qū)；16－隔離槽；17－懸空波導(dǎo)；18-隔離區(qū)。

具體實施方式

下面結(jié)合說明書附圖對本發(fā)明創(chuàng)造作進一步的詳細說明。

圖1給出了本發(fā)明基于ingan的多維空間可見光通信的芯片前視圖。該芯片以硅基氮化物材料為基底，從下往上一次為硅襯底層1、外延緩沖層2、純gan層3、n-電極5、懸空p-n結(jié)量子阱器件；所述p-n結(jié)量子阱器件包括從下至上依次為n-gan層4、ingan/gan多量子阱6和p-gan層7，p-電極8。在所述n-gan層4上表面有刻蝕出的階梯狀臺面，所述階梯狀臺面包括下臺面和上臺面，所述n-電極5設(shè)置在下臺面，所述上臺面與ingan/gan多量子阱6的底面相連接；在所述n-gan層4經(jīng)過背后襯底層1剝離，減薄后獲得所述懸空薄膜區(qū)15。所述懸空薄膜區(qū)15包括懸空n電極區(qū)11、懸空p電極區(qū)14、和懸空波導(dǎo)17，所述懸空波導(dǎo)17中間是用于隔離兩個p區(qū)的隔離槽16。所述p-電極8由依次連接的p-電極引線區(qū)12、p-電極導(dǎo)電區(qū)13和懸空p-電極區(qū)14組成；所述n-電極5由一次連接的n-電極引線區(qū)9、n-電極導(dǎo)電區(qū)10和懸空n電極區(qū)11組成。

圖2給出了本發(fā)明基于ingan光子單片集成的多維空間光通信系統(tǒng)的器件結(jié)構(gòu)示意圖。本發(fā)明基于ingan的多維空間可見光通信芯片中有四個p-n結(jié)光量子阱器件，器件1和器件2是其中一對p-n結(jié)光量子阱器件。為了達到更好的電學(xué)隔離效果，在波導(dǎo)中間都添加了隔離槽16，使得p區(qū)與p區(qū)之間有足夠的隔離間隔，防止p區(qū)間電學(xué)導(dǎo)通，并且p-n結(jié)光量子阱器件之間添加了隔離區(qū)18，防止p-n結(jié)光量子阱器件之間有電學(xué)影響。圖2中所示的三個發(fā)射極的p-n結(jié)光量子阱器件不僅結(jié)構(gòu)一致，材料和特性也是完全一致的，這不僅降低了芯片單片集成的難度，也是實現(xiàn)本發(fā)明中片內(nèi)全雙工通信的基礎(chǔ)。

圖3給出了系統(tǒng)通信示意圖。本發(fā)明基于ingan的多維空間可見光通信系統(tǒng)，包括片內(nèi)全雙工通信系統(tǒng)和片外通信系統(tǒng)。所述片內(nèi)全雙工通信系統(tǒng)中，用50mbps傳輸速率的偽隨機碼序列驅(qū)動兩個ingan多量子阱器件，即圖2中的器件1和器件2，同時發(fā)光，器件1和器件2發(fā)出的光均耦合到懸空波導(dǎo)中，探測器件1和器件2接收到的信號，通過自干擾消除方法提取出有效的疊加信號。所述片外通信系統(tǒng)中，50mbps的偽隨機碼序列驅(qū)動器件1和器件2同時發(fā)光，光發(fā)散到空間中，通過二十倍放大物鏡變成平行光，再經(jīng)過四倍的物鏡匯集起來，用hamamatsuc12702-12的商用光電探測器接收光信號，并轉(zhuǎn)換為電信號。

圖4(a)給出了上所述器件1和器件2片內(nèi)全雙通信時接收的50mbps傳輸速率的信號。圖4(b)(c)分別給出了上所述片內(nèi)全雙工通信系統(tǒng)選中，根據(jù)器件1和器件2發(fā)送的信號，通過自干擾消除發(fā)，提取出的有效疊加信號。本發(fā)明中基于ingan光子單片集成上的p-n結(jié)光致晶體管不僅能發(fā)送光信號，也能探測光信號，是實現(xiàn)片內(nèi)全雙工的基礎(chǔ)。圖4(d)給出了上述片外商用探測器接收到的信號，接收到的信號與理論計算的接收的信號相符合，所以片外通信通過信號的疊加，實現(xiàn)多維的通信。

根據(jù)上述，本發(fā)明基于ingan光子單片集成的多維空間可見光通信系統(tǒng)，實現(xiàn)片內(nèi)一對多的全雙工通信，片外多維通信，促進了光子單片集成和可見光通信的發(fā)展。

上述實施例僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，根據(jù)說明書中的技術(shù)方案，能直接實現(xiàn)，所以在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和等同替換，這些對本發(fā)明權(quán)利要求進行改進和等同替換后的技術(shù)方案，均落入本發(fā)明的保護范圍。