Communication lumineuse visible à grande vitesse basée sur des micro-LED

L’évolution des réseaux cellulaires de nouvelle génération vise à créer des solutions plus rapides et plus fiables. Le réseau 6G de nouvelle génération et le métaverse nécessitent des vitesses de transmission élevées. La communication par lumière visible (VLC) est considérée comme une technologie auxiliaire importante de la communication sans fil.

La technologie d’éclairage à semi-conducteurs à diodes électroluminescentes (DEL) offre une faible consommation d’énergie et un faible coût, une petite taille et une longue durée de vie opérationnelle. De plus, il est respectueux de l’environnement. Ces avantages ont contribué à la croissance explosive du marché de l’éclairage LED.

Notamment, la bande de lumière visible avec une plage spectrale comprise entre 380 et 780 nm n’est pas autorisée comme les radiofréquences et peut être utilisée sans autorisation. Par conséquent, la technologie de communication par lumière visible (VLC) à base de LED a attiré l’attention de la recherche dans le monde entier et la technologie VLC s’est rapidement développée au cours de la dernière décennie.

Le scintillement des LED ne peut pas être identifié à l’œil nu, en raison de la fréquence élevée du signal dans le système VLC. Ainsi, en ajoutant des composants frontaux relativement peu coûteux, VLC peut être facilement mis en œuvre dans les infrastructures d’éclairage existantes pour réaliser des communications de données avec des vitesses de l’ordre du Gbps.

De plus, par rapport à l’interférence co-canal considérable de la communication RF sans fil, la propagation de la lumière visible n’est pas perturbée par les ondes électromagnétiques, c’est-à-dire que le phénomène d’interférence électromagnétique ne se produit pas. Par conséquent, VLC offre des avantages uniques dans les hôpitaux, les aéroports, les centrales nucléaires, les mines souterraines, les sous-stations et d’autres scénarios sensibles aux interférences électromagnétiques.

En raison des larges bandes passantes de modulation des micro-diodes électroluminescentes (μLED), ce sont des sources lumineuses idéales pour les VLC à grande vitesse. Bien que les μLED soient maintenant largement utilisées dans VLC, peu d’études ont fourni des descriptions générales des systèmes VLC basés sur μLED, des appareils aux applications.

Les auteurs de cet article présentent un aperçu des μLED pour VLC. Des méthodes pour améliorer la largeur de bande de modulation sont discutées en termes d’optimisation d’épitaxie, d’orientation cristalline et de structure de région active. De plus, des LED blanches photoluminescentes basées sur la conversion de couleur au phosphore ou à points quantiques et des détecteurs à base de μLED pour VLC sont introduits. Enfin, les dernières applications VLC haut débit et les perspectives d’application de VLC en 6G sont présentées.

En tant que type de μLED le plus courant, l’optimisation structurelle des dispositifs μLED du plan c a été signalée et l’amélioration de la bande passante de modulation s’est principalement concentrée sur l’amélioration du processus de recombinaison des porteuses. Les méthodes spécifiques incluent la formation de contacts métalliques à faible résistance de contact par recuit thermique, la croissance de dispositifs QW ultra-minces, etc., ce qui peut améliorer considérablement la bande passante de modulation des dispositifs μLED.

De plus, les LED du plan C sont affectées par un fort effet Stark de confinement quantique (QCSE), qui limite la bande passante de modulation. Une approche pour surmonter le QCSE consiste à fabriquer des structures non polaires ou semi-polaires. La bande passante de modulation des μLED avec différentes orientations cristallines est indiquée. La bande passante des μLED cultivées sur les faces non polaires est la plus élevée, suivie du plan semi-polaire et du plan c. Par conséquent, la fabrication de μLED non polaire ou semi-polaire est également une méthode pour améliorer la bande passante de modulation.

En raison de leur faible consommation d’énergie, de leur haute luminosité, de leur haute résolution et de leur saturation des couleurs, les μLED sont avantageuses pour les applications d’affichage et d’éclairage. Par conséquent, les systèmes VLC à lumière blanche basés sur des μLED peuvent réaliser à la fois des fonctions d’éclairage et d’affichage en plus de la transmission de données à haut débit, ce qui offre de plus grandes perspectives d’application. Les auteurs de cet article ont compilé les dernières avancées des systèmes VLC à lumière blanche basés sur μLED au cours des dernières années pour démontrer que ce type de systèmes devrait devenir une partie importante des technologies de communication et d’éclairage de nouvelle génération.

À mesure que la recherche sur les dispositifs μLED se développe, le VLC haute vitesse basé sur μLED suscite un intérêt croissant. Cette revue résume les avantages et les défis des μLED dans les systèmes VLC. Des méthodes pour améliorer la bande passante de modulation des μLED ont été introduites. En plus de l’optimisation conventionnelle de la structure épitaxiale c-polaire et de la croissance épitaxiale semi/non polaire de GaN, les μLED utilisant des microstructures ou des QD InGaN comme régions actives peuvent également améliorer le taux de recombinaison radiative.

Les μLED sont considérées comme des sources d’éclairage à semi-conducteurs brillantes par rapport aux différentes classes de WLED pour VLC. De même, les μLED peuvent également être utilisées comme détecteurs dans les systèmes VLC. Enfin, les perspectives de VLC en 6G et les dernières applications VLC haut débit ont été présentées. Compte tenu des avantages de la transmission à haut débit, le VLC basé sur μLED devrait devenir une technologie auxiliaire pour la 6G et coopérer avec d’autres technologies de communication au profit de notre vie quotidienne.

Ce travail fournit de nouvelles idées pour la conception de dispositifs de μLED à large bande passante, révèle davantage d’utilisations potentielles des systèmes VLC à haut débit basés sur μLED et fournit une nouvelle voie technique pour la promotion de VLC dans les technologies de communication de nouvelle génération.

La recherche est publiée dans la revue Science opto-électronique.

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