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Abstract
School of Information and Communication Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China
This paper has proposed an experimental system for non-orthogonal multiple access (NOMA) wireless optical communication in challenging underwater turbulent environments, employing the gallium nitride (GaN)-based micro-LED array. This design of the GaN-based micro-LED array enables the independent transmission of signals from distinct data streams within the NOMA framework, facilitating direct optical power-domain superposition of NOMA signals. The experimental setup involves emulating oceanic turbulence channels, characterized by varying the level of scintillation intensity, to thoroughly investigate the bit error rate (BER) performance. The outcomes unequivocally demonstrate the superiority of our proposed NOMA scheme, as compared to conventional circuit-driven optical NOMA systems utilizing fixed LED array grouping, particularly in the presence of turbulent underwater channels. The proposed NOMA scheme exhibits consistently superior BER performance and maintains excellent linearity at the lower frequencies while effectively mitigating signal distortion at the higher frequencies.
optical non-orthogonal multiple access gallium nitride-based micro-LED array oceanic turbulence channels bit error rate Chinese Optics Letters
2024, 22(3): 030101
大连理工大学信息与通信工程学院,辽宁 大连 116024
针对水下无线通信高速率、远距离、低成本和小型化设备的实用需求,本文设计研制了一种高鲁棒性的基于现场可编程门阵列(FPGA)和大功率LED阵列的小型化水下无线光通信系统。其光发射机的光源采用45 W大功率LED阵列,基于FPGA实现高阶调制与编码,并设计了准直光学发射天线有效减少光束发散角,大幅度延长了传输距离。在光接收端,设计了一种基于3 mm大孔径雪崩光电二极管(APD)的自动增益控制放大和FPGA解调与信号处理的光接收机,降低了光通信系统对准的严苛要求。该系统可实现30 Mbps 开关键控(OOK)信号和正交幅度调制(QAM)信号(16QAM信号)的12 m水下信道实时传输,二者的误码率(BER)分别为2.467×10-4和3.467×10-3。此外,该系统还实现了22 Mbps的非归零(NRZ)-OOK整形信号12 m水下+30 m空气的跨介质传输(总长度为42 m),BER为3.619×10-4。最后,实现了12 m水下信道中接收机偏离主光轴40°之内22 Mbps OOK信号的有效接收,提高了系统的鲁棒性。
水下无线光通信 现场可编程门阵列 LED阵列 高阶调制 小型化光端机
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Abstract
Although the 5G wireless network has made significant advances, it is not enough to accommodate the rapidly rising requirement for broader bandwidth in post-5G and 6G eras. As a result, emerging technologies in higher frequencies including visible light communication (VLC), are becoming a hot topic. In particular, LED-based VLC is foreseen as a key enabler for achieving data rates at the Tb/s level in indoor scenarios using multi-color LED arrays with wavelength division multiplexing (WDM) technology. This paper proposes an optimized multi-color LED array chip for high-speed VLC systems. Its long-wavelength GaN-based LED units are remarkably enhanced by V-pit structure in their efficiency, especially in the “yellow gap” region, and it achieves significant improvement in data rate compared with earlier research. This work investigates the V-pit structure and tries to provide insight by introducing a new equivalent circuit model, which provides an explanation of the simulation and experiment results. In the final test using a laboratory communication system, the data rates of eight channels from short to long wavelength are 3.91 Gb/s, 3.77 Gb/s, 3.67 Gb/s, 4.40 Gb/s, 3.78 Gb/s, 3.18 Gb/s, 4.31 Gb/s, and 4.35 Gb/s (31.38 Gb/s in total), with advanced digital signal processing (DSP) techniques including digital equalization technique and bit-power loading discrete multitone (DMT) modulation format.
GaN-based LED LED array VLC V-pit sidewall quantum well high-frequency response Opto-Electronic Science
2023, 2(5): 230005
杭州电子科技大学自动化学院,浙江 杭州 310018
LED阵列光功率受热学、电学影响:LED芯片的光电热(PET)参数耦合,而且LED阵列中热耦合关系复杂,给大功率光源的结构设计带来困难。基于PET理论提出了一个光功率计算模型:首先根据LED芯片的工作机理,构建其电功率、结温、热功率之间的耦合关系;其次,将LED阵列的热耦合仿真结果,作为训练样本,获得输入为布局间距和热功率,输出为LED结温的BP神经网络;最后,将神经网络获得的结温作为PET方程的温度条件,计算LED阵列的光功率。为验证该模型的准确性,进行实验验证,最大误差为7.6%。该模型可分析LED阵列在不同布局参数及热沉温度下的最大光功率工作点,解决LED阵列布局及热沉结构的优化设计问题。
LED阵列 光电热理论 BP神经网络 光功率 激光与光电子学进展
2022, 59(5): 0523002
红外与激光工程
2021, 50(12): 20210745
为了给光遗传应用领域提供更大的光刺激面积以及区域可选择性的光刺激,本课题组研制了一套结构简单、可无线调控刺激参数、可独立控制的多通道光遗传刺激系统。采用LED芯片作为光源,利用光刻技术与微焊接工艺制作了一个具有阵列式光源的蓝光刺激器,并结合无线通信模块实现了刺激器的无线控制功能。光刺激器的尺寸为46 mm×30 mm,重7.134 g。测试结果表明:光极表面的最大输出光功率为24.6 mW,满足ChR2激活神经元的条件;输出光频率的可调控范围为1~500 Hz,最大输出误差小于1%,占空比可调控范围为0~100%,无线通信距离可达50 m。本系统可应用于多点大面积的光遗传领域调控、细胞培养及大面积光照需求的场所,为部分神经环路的调控及研究提供有效工具。
医用光学 光遗传学 光刺激 μLED阵列 无线控制 激光与光电子学进展
2021, 58(19): 1917001
1 华南理工大学广东省光电工程技术研究开发中心, 物理与光电学院, 广东 广州 510640
2 广东省宽禁带半导体芯片及应用工程技术研究中心, 中山市华南理工大学现代产业技术研究院, 广东 中山 528437
提出了一种针对微尺寸LED阵列芯片的集成封装方法, 设计封装了6种发光单元尺寸不一的4×4微尺寸LED阵列芯片, 色温控制在6 300 K左右, 显色指数约为70。光电性能测试结果表明, 发光单元越小, 调制带宽越高。发光单元直径为60 μm的芯片在90 mA的注入电流下, 调制带宽达到了125.71 MHz, 而发光单元尺寸越大, 饱和光通量越高, 直径为160 μm的饱和光通量约为15 lm。这些结果将有助于制备可见光通信的白光光源, 在保证照明品质的前提下提高调制频率。
微尺寸LED阵列芯片 可见光通信 LED封装 性能 micro-LED array visible light communication LED package performance
1 福州大学物理与信息工程学院, 福建福州 350116
2 福州大学福建省医疗器械和医药技术重点实验室, 福建福州 350116
3 福州大学电气工程与自动化学院, 福建福州 350116
4 福建工程学院信息科学与工程学院, 福建福州 350118
人乳头瘤病毒 (HPV)基因芯片检测装置可读取与分析 HPV芯片的杂交点信号值, 进而区分不同的 HPV病毒类型, 而检测装置照明的均匀性关系到 HPV芯片图像处理算法的可靠性与难度。为实现均匀照明, 优化了矩形 LED阵列排布并配置匀光扩散板。首先, 分析单个 LED灯珠的辐射强度分布, 建立矩形 LED阵列的理论模型; 然后, 在仿真软件中建立 4行 8列的矩形 LED阵列模型; 最后, 搭建 HPV基因芯片检测装置进行实验测试。实验结果表明, 该照明系统能使 70 mm×20 mm的目标被照面的灰度均匀度达到 95.6%, 满足了 HPV基因芯片检测装置均匀照明的要求。
HPV基因芯片 矩形 LED阵列 匀光照明 灰度均匀度 HPV gene chip rectangular LED array uniform illumination gray level uniformity