調制電子束泵浦半導體量子點白光隨機激光通信光源的制作方法

本發明涉及一種調制電子束泵浦半導體量子點白光隨機激光通信光源，用于可見光無線通信(li-fi)，發出經調制電子束泵浦調制的白光隨機激光載波，在進行室內照明的同時，實現可見光無線通信，屬于光通信技術領域。

背景技術：

可見光無線通信其光源既要滿足作為照明光源的高亮度、低功耗和輻射范圍廣等要求，又要具備作為通信光源的寬調制帶寬、高光輸出功率等特點，以獲得通信系統所應有的通信速率。

通信光源的調制帶寬受制于響應速率。雖然相比于白熾燈、日光燈，白光led具有較高的響應速率，但是，在熒光轉換型白光led中，熒光光譜響應比較滯后，導致通信脈沖的多徑展寬，進而使光源的調制帶寬也就在幾個mhz以內，依舊不能滿足作為通信光源為使通信系統具有應有的通信速率而對響應速率的要求。而rgb-led器件本身結構復雜，三個led芯片的發光性能會受到驅動電壓和溫度特性之間的差異的影響，作為通信光源還要配備非常復雜的調制電路，導致器件的制作難度增大，使用成本提高。因此，目前商用白光led只限于作為照明光源，難以既作為照明光源又作為通信光源。

相比于自發輻射白光發光器件，受激輻射白光激光器件具有更高的光輸出功率、發光效率和更快的響應速率，可直接調制，且輸出耦合效率高，例如，將白光激光器件用作通信光源，數據傳輸速率比led快10倍，也就是說，基于led的li-fi其數據傳輸速率可達到10gb/s，基于白光激光器的數據傳輸速率則能夠非常容易地超過100gb/s。不過，現有白光激光要么是通過多臺分立或者集成的氣體/固體激光器合成而得，要么通過單臺氣體/固體激光器倍頻形成三基色輸出而得，結構復雜，體積大。在現有技術中尚無白光半導體激光器。

為了改善可見光無線通信的調制帶寬，提高通信系統的信道容量和調制速率，現有技術集中在光電系統構成和驅動電路設計等方面，尚無可實際應用于光通信技術領域、具有甚高頻調制能力、兼做照明光源和通信光源的具體光源方案。

技術實現要素：

為了獲得一種可見光無線通信光源，其同時具有亮度高、功耗低、輻射范圍廣、易于調制、調制帶寬寬、結構簡單以及體積小等特點，我們發明了一種調制電子束泵浦半導體量子點白光隨機激光通信光源。

在本發明之調制電子束泵浦半導體量子點白光隨機激光通信光源中，如圖1所示，紅外種子光源1、準直擴束鏡2、光電陰極3、微通道板4、電子束聚焦極5、透射式陽極6和半導體量子點發光層7依次同軸排列；在光電陰極3、微通道板4、電子束聚焦極5、透射式陽極6之間加有方向相同的電壓；透射式陽極6覆蓋在半導體量子點發光層7上；在所述半導體量子點發光層7內均勻分布等摩爾量的藍光、綠光和紅光半導體量子點，還均勻分布有與藍光、綠光和紅光分別相對應的具有消光作用的貴金屬納米晶。

本發明其技術效果在于，紅外種子光源1紅外脈沖調制信號光由準直擴束鏡2整形后入射光電陰極3，由光電陰極3轉換為光電流，該光電流由微通道板4倍增為高能脈沖電子束并出射，由電子束聚焦極5會聚到透射式陽極6，透過透射式陽極6的高能脈沖電子束作為調制電子束泵浦，在為藍光、綠光和紅光半導體量子點提供激發能量的同時，對半導體量子點發光層7進行調制，藍光、綠光和紅光半導體量子點發出的熒光在半導體量子點發光層7中得到散射放大，最后形成白光隨機激光出射，該白光隨機激光在發揮照明作用的同時以高頻閃爍的方式傳送通信信號。

相比于p-n結發光器件，如led，本發明不受功率增益帶寬積的約束。當將led作為可見光無線通信光源時，電流注入驅動led器件，同時也在進行通信調制。加大led器件的電流注入區，在加大有效光發射面積的同時提高發光強度，當將這一措施用于半導體量子點有源層led時，由于器件的結電容也因此增大，由于功率增益帶寬積(功率增益與帶寬的積)的約束，也就是p-n結的功率特性與頻響特性相互制約，頻響特性將因此而下降，此時調制帶寬通常只有約3～50mhz。然而，在本發明之調制電子束泵浦半導體量子點白光隨機激光通信光源中，并無p-n結結構，不會產生結電容，通過電子倍增器件如微通道板4增強光電流，得到增強的光電流穿過透射式陽極6以電子束激勵方式激發半導體量子點發光，由此獲得更大功率的白光輸出，同時不至于因此降低調制帶寬。

采用本發明之調制電子束泵浦半導體量子點白光隨機激光通信光源獲得白光輸出，系由半導體量子點發光層7中均勻分布的藍光、綠光和紅光半導體量子點發光后合成所致，相比于熒光轉換型白光led，不存在熒光光譜響應滯后的問題，也就不會產生由此導致的后續問題，如通信脈沖的多徑展寬，調制帶寬的下降，通信速率的降低。

如果采用現有rgb-led器件作為可見光無線通信光源，要想獲得調制白光輸出，需要配備非常復雜的調制電路，三個led芯片的發光性能受驅動電壓和溫度特性之間的差異的影響較大，使得作為通信光源的器件的制作難度增大，使用成本提高。而本發明采用紅外種子光源1作為調制信號光源，現有紅外種子光源技術成熟，如1550nm或者1310nm近紅外波段dfbingaas光纖通信光源，能夠發出高速調制通信光，將其作為調制信號光源，經光電轉換、放大，成為調制電子束泵浦激勵藍光、綠光和紅光半導體量子點發光，就能輸出與調制信號光源具有相同調制頻率的白光。

另外，如果采用現有rgb-led器件作為可見光無線通信光源，其響應速率的提高主要取決于載流子輻射復合壽命、器件的結電容和電路阻抗，例如，通過提高電子空穴的輻射復合速率，降低載流子輻射復合壽命，也就是降低載流子熒光壽命，提高單色led的響應速率。然而，本發明采用的發光材料半導體量子點是用半導體材料合成所得的尺寸在0～100nm之間的顆粒，所說的半導體材料如cd鹽體系材料或者鈣鈦礦晶態材料，作為一種納米材料，半導體量子點同樣具有量子尺寸效應，其表現除了通過改變所述顆粒尺寸能夠改變熒光波長之外，還表現為半導體量子點具有窄而對稱的熒光發射峰，且無拖尾。因此，在半導體量子點發光層7中，其載流子熒光壽命可以降低到納秒量級，可獲得超高的響應速率，實現高頻調制。

在發光器件中引入貴金屬納米晶能夠增強熒光強度、提高器件量子效率和頻響特性，例如，通過引入ag納米晶等離子體在提高gan基藍光led的光輸出功率的同時，能夠明顯改善了gan基藍光led的頻響特性，獲得高達56mhz的調制帶寬。本發明在半導體量子點發光層7中引入與藍光、綠光和紅光分別相對應的具有消光作用的貴金屬納米晶，局域表面等離子體分別對應增強藍、綠、紅半導體量子點的熒光強度，提高了熒光效率，并能夠進一步降低熒光壽命至亞納秒量級。

相比于自發輻射白光發光器件，受激輻射白光激光器件具有更高的光輸出功率、發光效率和更快的響應速率，可直接調制，且輸出耦合效率高，例如，將白光激光器件用作通信光源，數據傳輸速率比led快10倍，也就是說，基于led的li-fi其數據傳輸速率可達到10gb/s，基于白光激光器的數據傳輸速率則能夠非常容易地超過100gb/s。本發明之調制電子束泵浦半導體量子點白光隨機激光通信光源也是一種激光光源，在調制電子束泵浦能量激勵下，半導體量子點發光，經散射放大，最后形成白光隨機激光出射，能夠獲得遠大于自發輻射白光發光器件的數據傳輸速率。不過，現有白光激光器要么是通過多臺分立或者集成的氣體/固體激光器合成而得，要么通過單臺氣體/固體激光器倍頻形成三基色輸出而得，結構復雜，體積大。相比之下，本發明在同樣獲得白光激光輸出的前提下，光源器件結構簡單、緊湊，體積小、重量輕。

附圖說明

圖1是本發明之調制電子束泵浦半導體量子點白光隨機激光通信光源結構示意圖，該圖同時作為摘要附圖。圖2是本發明之調制電子束泵浦半導體量子點白光隨機激光通信光源中的半導體量子點發光層組分及分布示意圖。圖3是本發明中的半導體量子點發光層熒光光譜曲線圖。

具體實施方式

在本發明之調制電子束泵浦半導體量子點白光隨機激光通信光源中，如圖1所示，紅外種子光源1、準直擴束鏡2、光電陰極3、微通道板4、電子束聚焦極5、透射式陽極6和半導體量子點發光層7依次同軸排列。所述紅外種子光源1為1550nm或者1310nm近紅外波段光纖通信光源，發出紅外脈沖調制信號光，調制帶寬為ghz量級。所述準直擴束鏡2將紅外脈沖調制信號光整形擴束后投向光電陰極3。所述光電陰極3為一層ingaas膜，附著在紅外高透過率光學玻璃基板8上，將紅外脈沖調制信號光轉換為光電流。所述微通道板4將光電流倍增為高能脈沖電子束并出射。所述電子束聚焦極5是一個銅質環片，將高能脈沖電子束聚焦。所述透射式陽極6為一層al膜，膜厚3～5nm，覆蓋在半導體量子點發光層7上。在光電陰極3、微通道板4、電子束聚焦極5、透射式陽極6之間加有方向相同的電壓，如光電陰極3與微通道板4前端面之間的電壓為300v，微通道板4的前端面與后端面之間的電壓為1000v，微通道板4后端面與電子束聚焦極5之間的電壓為2000v，電子束聚焦極5與透射式陽極6之間的電壓為3000v。所述半導體量子點發光層7涂覆在石英襯底9上，在所述半導體量子點發光層7內均勻分布等摩爾量的藍光、綠光和紅光半導體量子點，還均勻分布有與藍光、綠光和紅光分別相對應的具有消光作用的貴金屬納米晶。所述藍光、綠光和紅光半導體量子點為cd鹽體系材料量子點或者鈣鈦礦晶態材料量子點，以鈣鈦礦晶態材料量子點為例，具體選用銫鉛鹵化物cspbx3(x＝cl,br,i)，并且，cspbcl3為藍光量子點c，cspbbr3為綠光量子點b，cspbi3為紅光量子點a，如圖2所示；當高能脈沖電子束轟擊半導體量子點發光層7時，所述三種量子點分別產生450nm藍光熒光、530nm綠光熒光和620nm紅光熒光，如圖3所示。所述貴金屬納米晶為消光波長分別對應藍、綠、紅光區的ag納米顆粒f、au納米顆粒e、au納米棒d，如圖2所示。ag納米顆粒f、au納米顆粒e、au納米棒d分別增強cspbcl3藍光量子點c、cspbbr3綠光量子點b、cspbi3紅光量子點a的熒光，并進一步降低熒光壽命至亞納秒量級。半導體量子點發光層7中的又一種組分為無熒光微納顆粒，如sio2微納顆粒或/和tio2微納顆粒，提高半導體量子點發光層7組分分布無序度，形成折射率的空間無序變化，以增強光學散射，降低隨機激光閾值。最終獲得甚高頻、亞瓦級白光隨機激光輸出。

所述半導體量子點發光層7是一種膠體薄膜，組分介質為pmma(聚甲基丙烯酸甲酯)。