王永進(jìn) 高 羽 王林寧 高緒敏 胡澤鋒

(南京郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院 南京 210003)

1 引言

海洋是人類最寶貴的資源和財富，由于陸地資源的短缺，對海洋的勘探和開發(fā)日益加強(qiáng)。水下無線光通信(Underwater Wireless Optical Communication， UWOC)技術(shù)[1–5]成為一個令人興奮的新前沿，在海洋勘探、水下傳感器網(wǎng)絡(luò)和海底通信方面具有突出的技術(shù)優(yōu)勢和潛力。一方面，由于趨膚效應(yīng)[6]，射頻電磁波在水中傳播時衰減過大，而光避開了由于海水的高導(dǎo)電性(3.5～5 dB/m)而導(dǎo)致射頻在水中衰耗過大，解決了通信距離過短，帶寬低，延遲高等水聲通信的難題[7]。而隨著LED性能的不斷提升，UWOC的相關(guān)研究和產(chǎn)業(yè)化越來越熱，相比較聲學(xué)和射頻同類產(chǎn)品更節(jié)能，更具成本效益。同時，UWOC系統(tǒng)相比于高能耗的大型且昂貴的聲學(xué)和RF收發(fā)器，它可以實現(xiàn)相對較小且低成本的光學(xué)水下收發(fā)器。另外，光波具有高帶寬，但由于溫度波動、散射、色散和光束轉(zhuǎn)向，它們會受到其他傳播效應(yīng)的影響，由于光學(xué)頻段的嚴(yán)重吸水和懸浮粒子的強(qiáng)烈反向散射，無線水下通信僅限于短距離，但水下EM光譜的藍(lán)綠色波長存在相對低衰減的光學(xué)窗口[8]，因此藍(lán)綠色的光在水中的傳輸距離較長。同時，光在海水中受溫度和鹽度的影響較小抗干擾能力強(qiáng)[9–11]。

當(dāng)前水下可見光通信主要分為基于藍(lán)綠光LED和激光通信兩種方式，其中激光通信的通信功率大，在水中的傳輸距離較遠(yuǎn)，但由于存在相干閃爍問題且實際通信中需要精確對準(zhǔn)，在實際的操作過程中會造成困難，而基于藍(lán)綠光LED的通信方式在通信過程中無需嚴(yán)格對準(zhǔn)，并且集聚照明與通信功能為一體[12]。因此，基于藍(lán)綠光LED的水下可見光通信技術(shù)是未來水下通信的主要發(fā)展方向。本文通過自主研發(fā)的垂直結(jié)構(gòu)GaN LED作為發(fā)射器，利用高靈敏APD作為接收器設(shè)計了一款發(fā)射功率大，通信速率為2Mbps的全雙工視頻通信系統(tǒng)。

正文主要分為兩大部分進(jìn)行闡述，第1部分介紹高性能垂直結(jié)構(gòu)GaN LED的制備與性能分析，第2部分詳述搭載該LED的光通信系統(tǒng)，包含水下藍(lán)光通信系統(tǒng)的搭建，高速大功率驅(qū)動發(fā)射電路設(shè)計，高靈敏接收放大的實現(xiàn)，以及現(xiàn)場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array， FPGA)與外部設(shè)備數(shù)據(jù)交互組網(wǎng)。

2 水下藍(lán)光通信系統(tǒng)的實現(xiàn)

在國內(nèi)外中，現(xiàn)階段大多數(shù)高速遠(yuǎn)距離的水下可見光通信系統(tǒng)均采用任意波形發(fā)生器(Arbitrary Waveform Generator， AWG)產(chǎn)生的調(diào)制信號來驅(qū)動LED并通過接收器在示波器上進(jìn)行顯示，對實驗具有指導(dǎo)意義，但是在實際的通信需求中仍有很大區(qū)別，如表1給出近幾年水下可見光通信的部分研究成果。而本文則是通過攝像頭傳輸實際的720P視頻信號，其中水下藍(lán)光視頻通信系統(tǒng)的實現(xiàn)主要分為以下4個方面：GaN LED的制備以及器件特性是水下通信的物理基石，水下通信系統(tǒng)的設(shè)計是整個通信實驗的基本框架，硬件電路是合理驅(qū)動LED和光電探測器的必要條件，F(xiàn)PGA部分的軟件代碼是實現(xiàn)通信傳輸?shù)幕?/p>

2.1 GaN垂直結(jié)構(gòu)LED制備和器件表征

硅基GaN垂直結(jié)構(gòu)器件的制備過程如圖1(a)所示。首先，為了去除晶圓表面的顆粒物等雜物，本文使用超聲清洗機(jī)對外延晶圓進(jìn)行清洗，然后對晶圓進(jìn)行脫水烘烤[17]；其次，使用旋涂法在晶圓的表面涂抹7μm的光刻膠，經(jīng)離心力的作用下在整個晶圓上均勻鋪開，為了將掩膜版上的器件形狀轉(zhuǎn)移到光刻膠上則使用紫外光線透過掩膜版照射曝光，并加以顯影處理。同時，通過感應(yīng)耦合等離子體(Inductive Coupled Plasma， ICP)刻蝕技術(shù)使用Cl2/BCl3混合氣體在磁場的作用下高速運動撞擊晶圓表面，對沒有光刻膠保護(hù)的部分晶圓進(jìn)行刻蝕，最終得到設(shè)計好的器件形狀[18，19]。在經(jīng)過刻蝕之后，本文采用無掩?？涛g工藝對緩沖層以及GaN層進(jìn)行去除，以及n-GaN層的減薄、粗化處理，由此可以有效抑制芯片內(nèi)部的光波導(dǎo)模式，可以制備出光效率高的GaN垂直結(jié)構(gòu)器件[20]，為了進(jìn)一步提高LED出光效率和發(fā)光強(qiáng)度，將減薄后的氮化物底部集成金屬反射Ag鏡。最后，在器件表面涂抹光刻膠使用紫外線透過另一個掩膜版進(jìn)行照射并放入顯影液顯影，接著通過ULVAC Ei-5z電子束蒸發(fā)機(jī)在芯片表面進(jìn)行電子束蒸鍍 Cr/Pt/Au(10/200/1800 nm)[21]，然后將多余的金屬以及光刻膠進(jìn)行去除得到n電極；同樣地，在器件的背后電子束蒸鍍形成p電極，這樣就完成了垂直結(jié)構(gòu)GaN LED的全部制備流程。圖1(b)為制備的垂直結(jié)構(gòu)GaN LED掃描電鏡圖，器件的尺寸約為990 μm×428 μm。垂直結(jié)構(gòu)LED能夠減少器件內(nèi)部的光學(xué)模式，提高出光效率；減小器件的電容電阻時間常數(shù)，提升器件的調(diào)制帶寬[22]。

圖1 GaN垂直結(jié)構(gòu)LED制備

對此GaN器件主要包括電流-電壓(I-V)特性表征，光譜特性和通信性能的測試。GaN LED的電流-電壓(I-V)特性采用半導(dǎo)體參數(shù)儀進(jìn)行表征。如圖2(a)所示，當(dāng)注入電流為0.26A時測得電壓為3.5 V，并使用PM100A光功率計測量單顆GaN LED的輸出光功率約為60～65 mW，同時該I-V曲線在3.5 V至5 V呈線性趨勢，可以計算出動態(tài)電阻為1.36 Ω，正常工作時功率約為6 W。圖2(a)的插圖所示為GaN LED當(dāng)注入0.26A時的發(fā)光圖像，該器件的發(fā)光強(qiáng)度隨著電流的增加而線性增加。

由于在GaN量子阱層內(nèi)約束載流子的復(fù)合，LED可以發(fā)出寬譜的光，采用直流電源為GaN-LED提供不同的恒定電流，同時用光譜儀對LED的發(fā)光強(qiáng)度進(jìn)行測試。如圖2(b)所示，LED的電致發(fā)光(EL)光譜被繪制成與注入電流相關(guān)的函數(shù)。當(dāng)LED流入電流從0.4 A增加到0.8 A時，發(fā)光強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，發(fā)光譜峰從450 nm偏移到456 nm，且隨電流增加偏移不明顯。

圖2 GaN垂直結(jié)構(gòu)LED器件表征

本文搭建了藍(lán)光通信實驗系統(tǒng)，驗證GaN LED的通信性能。其中發(fā)送端由信號發(fā)生器以0.8 V的峰值電壓和4V的偏置電壓直接驅(qū)動LED，將偽隨機(jī)二進(jìn)制序列(Pseudo-Random Binary Sequence，PRBS)信號調(diào)制成光信號。在接收端，采用濱松C12702-11探測器將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，用示波器進(jìn)行接收及其表征。如圖3(a)所示，接收到的PRBS信號與發(fā)送的信號一致，數(shù)據(jù)通信速率為10 Mbps。同時該P(yáng)RBS信號的峰值幅度在100 mV左右，包絡(luò)線非常清晰，說明GaN LED能夠達(dá)到10 Mbps的基帶傳輸速率，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)未達(dá)到極限。

圖3 GaN LED通信性能測試

2.2 軟件設(shè)計

本文實現(xiàn)了二進(jìn)制開關(guān)鍵控(On-Off Keying，OOK)調(diào)制以及里所碼(Reed-Solomon codes，RS)編解碼技術(shù)，通過使用該技術(shù)可以提高水下藍(lán)光通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率和視頻通信的可靠性，并利用FPGA的優(yōu)勢，該系統(tǒng)在后續(xù)的維護(hù)和升級較為簡單。

如圖4所示，F(xiàn)PGA通過以太網(wǎng)接口代碼實現(xiàn)對物理層芯片的數(shù)據(jù)讀寫，在RGMII數(shù)據(jù)接口模塊上利用以太網(wǎng)協(xié)議實現(xiàn)FPGA與外部設(shè)備的數(shù)據(jù)交互。在發(fā)送端，數(shù)據(jù)從網(wǎng)口取出以后，首先放入FIFO Buff進(jìn)行數(shù)據(jù)緩存，然后在有限狀態(tài)機(jī)的控制下進(jìn)行數(shù)據(jù)封幀以及RS信道編碼。OOK調(diào)制模塊負(fù)責(zé)對信道編碼后的數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制，F(xiàn)PGA通過并串轉(zhuǎn)換將編碼后的字節(jié)數(shù)據(jù)不斷以1 bit方式串行輸出，并配置循環(huán)計數(shù)器的數(shù)值完成OOK信號的頻率設(shè)置，持續(xù)發(fā)送帶寬為1MBaud的OOK信號，當(dāng)發(fā)送1 MHz 方波時表示電平數(shù)值“1”，發(fā)送2 MHz方波時表示電平數(shù)值“0”，若無數(shù)據(jù)則由VLC_tx控制不斷發(fā)送單個字節(jié)前導(dǎo)碼“55”。在接收端，經(jīng)比較器輸入至FPGA的OOK調(diào)制信號經(jīng)過VLC_rx模塊將單比特信號進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換，使用接收時鐘計數(shù)將接收到的8 bit信號轉(zhuǎn)換成1 Byte數(shù)據(jù)，由于收發(fā)兩端電路不為同一個時鐘，故接收端通過異步接收方式接收單比特數(shù)據(jù)作為跨時鐘域處理，在接收端，計數(shù)器通過檢測到第1個上升沿開始計數(shù)，當(dāng)檢測到下降沿時進(jìn)行判決，統(tǒng)計高電平持續(xù)時長，若該高電平為短電平(200～340 ns)且前一個高電平也為短電平，則判斷接收到的信號為“0”，若檢測到高電平為長電平(300～600 ns)且前一個短電平的狀態(tài)位為0則接收到信號為“1”，若接收的電平都過長或過短則發(fā)出錯誤位，跳過此次接收等待下一個上升沿檢測；最后將接收到的字節(jié)數(shù)據(jù)通過RS解碼并將解碼后的信號送入到發(fā)送端FIFOBuff進(jìn)行存儲，通過以太網(wǎng)接口將該數(shù)據(jù)經(jīng)網(wǎng)口輸出到外部設(shè)備，至此完成視頻通信全部過程。

圖4 FPGA軟件系統(tǒng)框圖

2.3 硬件設(shè)計

2.3.1 高速調(diào)制驅(qū)動發(fā)射電路

本文水下藍(lán)光通信系統(tǒng)，通過設(shè)計大功率MOS管驅(qū)動電路來控制GaN LED的發(fā)光強(qiáng)度變化，利用MOS管的高響應(yīng)速率實現(xiàn)對水下藍(lán)光通信系統(tǒng)的通信速率提升，同時MOS管可承載電流較大可滿足大功率GaN LED的需求，從而改善通信系統(tǒng)的通信性能。由于GaN LED長時間工作在大功率的情況下，溫度會對LED的內(nèi)阻產(chǎn)生影響，導(dǎo)致在一定的電壓下GaN LED的電流增加。因此，本文設(shè)計了反饋恒流電路用來限制LED電流以避免LED在長期工作下因熱損壞而導(dǎo)致通信中斷。在圖5(a)中，本文采用升壓恒流芯片LTC3780為LED提供電壓，同時利用LTC3780具有折返輸出電流限制功能結(jié)合MCU的模擬輸入口在MOS管源極對電阻R1進(jìn)行電壓采樣，并求取電流與設(shè)定的LED能接收的最大電流比較，最后將比較后的信號由MCU輸出通過ADC模塊反饋至LTC3780芯片的參考端，以此達(dá)到LED端恒流的目的。圖5(a)中的Vled為LTC3780提供的LED驅(qū)動電壓，同時為了防回流在LED上串聯(lián)肖特二級管SS54。

在圖5(b)中紅色曲線是OOK調(diào)制信號經(jīng)電流放大后加載至MOS管柵極波形，峰峰值電壓為11～12 V，藍(lán)色曲線為MOS管漏極電壓，波形與柵極波形相反由此反映出MOS管開斷這一現(xiàn)象，其Vpp約為4 V。

圖5 發(fā)射端電路和測試波形

2.3.2 接收增益放大設(shè)計

為了接收水下藍(lán)光調(diào)制信號，本文設(shè)計了高靈敏水下藍(lán)光接收電路，主要由雪崩光電二極管(Avalanche Photo Diode， APD)、信號處理電路和高電壓電源電路所構(gòu)成。通過實驗結(jié)合發(fā)射端GaN LED的光功率以及水中的信道衰減模型，本文采用靈敏度高、速率快的APD，在水下可視范圍內(nèi)擁有很高的靈敏度。

由于實際通信過程中，因為通信距離突然減小可能會引起接收端APD所接收的光過強(qiáng)，光電流隨之變大而導(dǎo)致比較器輸出電平持續(xù)變高，從而導(dǎo)致通信鏈路中斷，因此本文設(shè)計了自動增益控制電路，在圖6(a)中，通過AGC模塊采樣跨阻放大器(Transimpedance Amplifier， TIA)輸出端的調(diào)制信號，并將采樣的信號送入FPGA中存儲，在正常通信中經(jīng)過多次采用后進(jìn)行取平均值得到現(xiàn)階段下的閾值電壓，如果下次采樣后的電壓值偏離閾值電壓超過40%后，AGC模塊將根據(jù)偏離的電壓動態(tài)調(diào)整APD的電壓，從而控制APD的增益，實現(xiàn)了水下藍(lán)光視頻通信的距離自適應(yīng)。同時為了降低自然光的低頻噪聲的影響，將跨阻放大器放大后的調(diào)制信號送入高通濾波器中。

圖6 接收端電路和波形測試

2.4 水下藍(lán)光通信系統(tǒng)設(shè)計

水下藍(lán)光通信系統(tǒng)的發(fā)射端由網(wǎng)絡(luò)攝像頭、FPGA、MOS管驅(qū)動電路、GaN LED與光學(xué)系統(tǒng)構(gòu)成，通過傳輸信道，由對端光學(xué)系統(tǒng)與APD、TIA放大器、FPGA、計算機(jī)作為接收端還原視頻圖像。發(fā)射端部分中，由網(wǎng)絡(luò)攝像頭輸入的視頻信號通過以太網(wǎng)接口連接至FPGA經(jīng)RS編碼、OOK調(diào)制等過程傳輸至MOS管驅(qū)動電路，然后通過GaN LED供電電壓的變化實現(xiàn)對LED的亮暗程度進(jìn)行控制，再經(jīng)過發(fā)射透鏡減少GaN LED的散射和功率衰減，提高光的傳輸距離。在接收端，通過光學(xué)透鏡聚焦的光信號經(jīng)接收端的APD感知并輸出成電流。經(jīng)APD探測到的光電流通過TIA放大電路進(jìn)行放大，并通過遲滯比較器和濾波等多級信號處理后輸出為FPGA的VLC_rx模塊能夠識別判決的數(shù)字信號波形；最后，接收的視頻信號被解調(diào)、RS解碼后恢復(fù)成發(fā)送端攝像頭的比特流視頻信號，將信號通過以太網(wǎng)口接口連接至計算機(jī)通過網(wǎng)頁顯示視頻圖像。整個視頻通信的過程中是基于網(wǎng)絡(luò)攝像頭的TCP協(xié)議進(jìn)行的雙工視頻通信，在通信的過程中可以保證鏈路的穩(wěn)定。由于TCP協(xié)議需要通信雙方進(jìn)行3次握手連接，因此在圖7(b)中分別有發(fā)射接收端1和發(fā)射接收端2，至此可以保證通信鏈路為雙工通信。而圖7(a)為水下藍(lán)光通信系統(tǒng)在工作時的單向示意圖，在圖中可以看出單向信號的處理過程及流向。

圖7 水下藍(lán)光通信系統(tǒng)

3 結(jié)束語

本文通過自主研制的垂直結(jié)構(gòu)GaN LED芯片，基于器件的大功率、發(fā)光效率高的特性結(jié)合FPGA的編碼調(diào)制和電路設(shè)計，實現(xiàn)了基于網(wǎng)絡(luò)攝像頭的全雙工水下藍(lán)光視頻通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)具備了功率大、誤碼率低、鏈路穩(wěn)定以及后續(xù)升級方便等優(yōu)勢，將為國內(nèi)自主研發(fā)高速水下可見光通信系統(tǒng)提供新穎可靠的技術(shù)方案。