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一种基于纳米晶体的物质,将蓝色激光转化为白光,进行照明和数据通信。

(图片来源于:KAUST)

引言

可见光通信,Visible Light Communication (VLC),也被称为”Li-Fi”,使用可见光作为媒介,利用“可见光频谱”传输数据,有效突破了传统无线射频(RF)通信系统在“频谱资源”和“带宽”方面的瓶颈。可是,目前大多数可见光通信系统的LED光源,光转化器都基于“磷”,在转换速度方面有一定瓶颈。所以,阿卜杜拉国王科技大学(KAUST)的研究人员,使用钙钛矿纳米晶体作为光颜色转化器,通过蓝色激光对其照射后发出绿光,加上氮化物荧光体发出的红光,三种光混合成白光, 在有效的进行室内照明的同时,进行可见光通信的带宽可达2 Gbps。

可见光通信相关知识回顾

根据市场研究公司IDC的分析,到2020年,IOT连接的对象数将达2120亿
同时,传统的物联网无线通信技术,例如:WiFi,BlueTooth,Zigbee,Thread,Z-Wave,Mesh,GSM,CDMA,NB-IoT,LoRa,Sigfox等等,不断消耗着频谱资源。“频谱资源短缺”严重的限制了无线电通信技术的发展。然而,向更高的频段发展,是解决这个问题一条有效途径。而可见光通信,处于频谱范围(380 ~ 790 THz)的频段,则可有效的拓展频谱资源。

如IntelligentThings在之前的“OpenVLC开源平台:有效助推可见光通信研究”(点此阅读)一文中提及,高速率性,无电磁辐射,密度高,成本低,频谱丰富,高保密性,绿色低碳,是可见光通信系统的相对于RF通信系统优势。这些优势,使它有望成为下一代物联网(IOT),即“光联网”(IOL)和5G通信的核心技术,推动智能家居,车联网领域相关技术发展。

传统LED可见光通信系统的瓶颈

然而,传统的VLC应用,通常需要是通过发光二极管(LED)或者激光二极管(LD),发出蓝光,使用“磷”将这些蓝光,转化为红光和绿光,然后混合成白光,进行室内照明和数据传输。

然而,磷的这种光转化过程的速度较慢,无法匹配LED开关的高速切换速度,这成为VLC应用的一个重要瓶颈。由于这种调制带宽的限制,可见光通信的带宽潜力无法被真正的释放出来。所以,开发一种光转换器,让发光物质可具有较短发光周期,成为VLC领域的一个主要挑战。

钙钛矿纳米晶体光转换器

钙钛矿(Perovskite),已经广泛应用于光伏电池,激光器,发光二极管,光电探测器。它的优点包括远程电荷传输,可见光谱中的可调谐发光,低成本,相对低温下的可加工性。然而,它快速且显著的辐射复合特性,以及可以发出白光,让它成为VLC系统中的光线转换器的选择。

KAUST团队创造的钙钛矿纳米晶体,差不多只有8个纳米的大小,使用简单低成本的方法制造,同时也结合了传统的氮化物“磷”物质。当纳米晶体通过一种蓝色激光照射后,发出绿光,而氮化物发出红光,从而混合生成一种温暖的白光。


通过蓝色激光,产生白光进行照明和通信的原理示意图。

(图片来源于:KAUST)

研究人员通过一种飞秒瞬态吸收光谱的方法,来观测这些物质的光学特性,结果显示该物质的光转换时间大约在7纳秒左右。

(图片来源于:KAUST)

另外,科学家还对于该系统产生的白光质量和性能进行研究,结果表明这种白光的性能和质量较好,已达到室内照明和显示应用的要求,同时能源效率也比较高。


(图片来源于:KAUST)

为了研究该系统产生的白光的调制带宽,研究人员进行了“小信号频率响应”测量,经测得调制带宽可达491.4 MHz,为传统的磷物质(3-12MHz)的40倍以上,系统最高的数据传输率2 Gbit/s


(图片来源于:KAUST)

未来展望

这种钙钛矿纳米晶体物质制成的光转换器,未来有望在可见光通信系统中广泛应用。同样,半导体激光发射器制成的白光,也许有望替代LED白色灯泡,成为更加高效的照明产品。

参考资料

【1】 Ibrahim Dursun, Chao Shen, Manas R. Parida, Jun Pan, “Perovskite
Nanocrystals as a Color Converter for Visible Light Communication”,ACS
Photonics, 2016, 3 (7), pp 1150–1156 DOI: 10.1021/acsphotonics.6b00187, http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsphotonics.6b00187

【2】http://www.eurekalert.org/pub_releases/2016-08/kauo-wfl081116.php


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可见光通信领域重要进展:钙钛矿纳米晶体光转换器
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