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        科學(xué)上沒(méi)有平坦的大道，真理的長(zhǎng)河中有無(wú)數(shù)礁石險(xiǎn)灘。只有不畏攀登的采藥者，只有不怕巨浪的弄潮兒，才能登上高峰采得仙草，深入水流覓得驪珠。—華羅庚

        白光發(fā)光二極管（LED）是第四代節(jié)能環(huán)保照明產(chǎn)品，因?yàn)樗褂脡勖L(zhǎng)、尺寸小、易驅(qū)動(dòng)、效率高。白光LED的響應(yīng)靈敏度非常高，具有良好的調(diào)制特性，它在照明的同時(shí)，可作為無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的接入點(diǎn)。將室內(nèi)的通信基站與白光LED照明設(shè)備結(jié)合到一起，并將其接入其他通信網(wǎng)絡(luò)，這就是可見(jiàn)光通信。

         在無(wú)線光通信領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)化方面，已經(jīng)提出了許多版本的數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議，點(diǎn)到點(diǎn)協(xié)議有VLCC/IEEE802.15.7（可見(jiàn)光）、IrDA/IEEE802.15.3（紅外光）；點(diǎn)到多點(diǎn)協(xié)議有IEEE812.15.7/OWMAC（可見(jiàn)光）、OWMAC（紅外光）。光無(wú)線媒體接入控制（OWMAC）協(xié)議規(guī)定的數(shù)據(jù)速率為128~1024Mbit/s，是半雙工或者全雙工通信，比如，可見(jiàn)光（如波長(zhǎng)450nm）系統(tǒng)，數(shù)據(jù)速率采用100Mbit/s，覆蓋范圍12m2；紅外光（如波長(zhǎng)850nm）系統(tǒng)，數(shù)據(jù)速率采用300Mbit/s，覆蓋范圍30m2。在可見(jiàn)光通信標(biāo)準(zhǔn)方面，有一個(gè)可見(jiàn)光通信協(xié)會(huì)（VLCC），它是一個(gè)使用LED提供可見(jiàn)光通信系統(tǒng)的日本標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)盟。

       日前，中國(guó)電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院和全國(guó)信息技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員無(wú)線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)工作組聯(lián)合發(fā)布了可見(jiàn)光通信標(biāo)準(zhǔn)化白皮書(shū)，其中對(duì)國(guó)內(nèi)可見(jiàn)光通信產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀進(jìn)行了深入分析，并就可見(jiàn)光通信技術(shù)、應(yīng)用、芯片、標(biāo)準(zhǔn)化等方面提出了針對(duì)性的建議。

一、白光LED發(fā)光原理 1.LED工作原理

       從6.1.3節(jié)可知，發(fā)光二極管（LED）是通過(guò)電子從高能級(jí)躍遷到低能級(jí)，發(fā)出頻譜寬度在幾百納米以下的光，如圖12.4.1所示?？梢?jiàn)光光譜的波長(zhǎng)范圍為380~760nm，人眼感受到的七色光——紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫，各自都是一種單色光。白光是由多種單色光合成的復(fù)合光，早在1666年，就被英國(guó)物理學(xué)家牛頓發(fā)現(xiàn)（見(jiàn)3.3.2節(jié)）。

圖12.4.1 LED的發(fā)光機(jī)理及分類(lèi)

a）LED——光的自發(fā)輻射b）面發(fā)射LEDc）邊發(fā)射LED

       LED有面發(fā)光型和邊發(fā)光型兩類(lèi)。面發(fā)光LED的出光面與PN結(jié)平面平行，如圖12.4.1b所示。邊發(fā)光LED與普通的LD相同，從PN結(jié)的一個(gè)端面（與結(jié)平面垂直）出光，如圖12.4.1c所示。

        發(fā)光二極管的材料主要是III-V族化合物半導(dǎo)體，如GaP、GaAs、GaN等，半導(dǎo)體材料往往折射率較高（如GaAs，n=3.6），故在材料與空氣的界面易發(fā)生全反射，使光不能完全輻射出去，如圖12.4.2a所示。為了提高面發(fā)光LED的耦合效率，通常將LED芯片封裝在塑料半透鏡的中心，如圖12.4.2b和圖12.4.2c所示。透明塑料的折射率為1.5，光輸出是圖12.4.2a的4倍，而且造價(jià)也低，因而被大量使用。

圖12.4.2  面發(fā)光LED的結(jié)構(gòu)［6］

a）面發(fā)射LED發(fā)散角大，部分光出現(xiàn)全反射b）加微透鏡聚光LEDc）半球形塑料封裝LED

2.白光是如何實(shí)現(xiàn)的

       白光LED實(shí)際上是藍(lán)光和黃光的混合光，因?yàn)辄S色是紅色和綠色的混合色，所以將藍(lán)色和黃色混合，相當(dāng)于將紅色、綠色和藍(lán)色三色混合，當(dāng)然會(huì)顯示白色。白光LED的出現(xiàn)，主要?dú)w功于氮化鎵銦（GaInN）高亮度藍(lán)光LED的研制成功。一種典型的白光LED結(jié)構(gòu)如圖12.4.3a所示，它是將磷光體半球體覆蓋GaInN芯片，該芯片在加上電壓后發(fā)出藍(lán)光，部分藍(lán)光激發(fā)Y3Al5O12:Ce3+磷光體中的發(fā)光中心Ce3+，發(fā)出黃光，然后藍(lán)光和黃光混合就變成了肉眼看到的白光，其光譜圖如圖12.4.3b所示。由此可見(jiàn)，這種白光LED綜合采用了電致發(fā)光和光致發(fā)光的原理。電致發(fā)光是一種直接把電能轉(zhuǎn)換成光能的物理現(xiàn)象。光致發(fā)光是在磷光體中，發(fā)光中心（催化劑）首先被高頻光激發(fā)，高能量光子首先被吸收，然后以低能量光子發(fā)射的一種發(fā)光現(xiàn)象。彩色陰極射線管（CRT）顯示器和等離子體（PDP）平板顯示器就是光致發(fā)光的例子。

圖12.4.3白光LED的結(jié)構(gòu)和光譜形成的過(guò)程

a）典型白光LED結(jié)構(gòu)b）白光LED光譜的形成