本發(fā)明涉及一種調(diào)制電子束泵浦半導(dǎo)體量子點(diǎn)白光隨機(jī)激光通信光源，用于可見光無線通信(li-fi)，發(fā)出經(jīng)調(diào)制電子束泵浦調(diào)制的白光隨機(jī)激光載波，在進(jìn)行室內(nèi)照明的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)可見光無線通信，屬于光通信技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

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(diào)制帶寬、高光輸出功率等特點(diǎn)，以獲得通信系統(tǒng)所應(yīng)有的通信速率。

通信光源的調(diào)制帶寬受制于響應(yīng)速率。雖然相比于白熾燈、日光燈，白光led具有較高的響應(yīng)速率，但是，在熒光轉(zhuǎn)換型白光led中，熒光光譜響應(yīng)比較滯后，導(dǎo)致通信脈沖的多徑展寬，進(jìn)而使光源的調(diào)制帶寬也就在幾個(gè)mhz以內(nèi)，依舊不能滿足作為通信光源為使通信系統(tǒng)具有應(yīng)有的通信速率而對(duì)響應(yīng)速率的要求。而rgb-led器件本身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，三個(gè)led芯片的發(fā)光性能會(huì)受到驅(qū)動(dòng)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(fù)雜的調(diào)制電路，導(dǎo)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(fā)輻射白光發(fā)光器件，受激輻射白光激光器件具有更高的光輸出功率、發(fā)光效率和更快的響應(yīng)速率，可直接調(diào)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(shù)據(jù)傳輸速率比led快10倍，也就是說，基于led的li-fi其數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)到10gb/s，基于白光激光器的數(shù)據(jù)傳輸速率則能夠非常容易地超過100gb/s。不過，現(xiàn)有白光激光要么是通過多臺(tái)分立或者集成的氣體/固體激光器合成而得，要么通過單臺(tái)氣體/固體激光器倍頻形成三基色輸出而得，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積大。在現(xiàn)有技術(shù)中尚無白光半導(dǎo)體激光器。

為了改善可見光無線通信的調(diào)制帶寬，提高通信系統(tǒng)的信道容量和調(diào)制速率，現(xiàn)有技術(shù)集中在光電系統(tǒng)構(gòu)成和驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)等方面，尚無可實(shí)際應(yīng)用于光通信技術(shù)領(lǐng)域、具有甚高頻調(diào)制能力、兼做照明光源和通信光源的具體光源方案。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了獲得一種可見光無線通信光源，其同時(shí)具有亮度高、功耗低、輻射范圍廣、易于調(diào)制、調(diào)制帶寬寬、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單以及體積小等特點(diǎn)，我們發(fā)明了一種調(diào)制電子束泵浦半導(dǎo)體量子點(diǎn)白光隨機(jī)激光通信光源。

在本發(fā)明之調(diào)制電子束泵浦半導(dǎo)體量子點(diǎn)白光隨機(jī)激光通信光源中，如圖1所示，紅外種子光源1、準(zhǔn)直擴(kuò)束鏡2、光電陰極3、微通道板4、電子束聚焦極5、透射式陽(yáng)極6和半導(dǎo)體量子點(diǎn)發(fā)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(yáng)極6之間加有方向相同的電壓；透射式陽(yáng)極6覆蓋在半導(dǎo)體量子點(diǎn)發(fā)光層7上；在所述半導(dǎo)體量子點(diǎn)發(fā)光層7內(nèi)均勻分布等摩爾量的藍(lán)光、綠光和紅光半導(dǎo)體量子點(diǎn)，還均勻分布有與藍(lán)光、綠光和紅光分別相對(duì)應(yīng)的具有消光作用的貴金屬納米晶。

本發(fā)明其技術(shù)效果在于，紅外種子光源1紅外脈沖調(diào)制信號(hào)光由準(zhǔn)直擴(kuò)束鏡2整形后入射光電陰極3，由光電陰極3轉(zhuǎn)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(huì)聚到透射式陽(yáng)極6，透過透射式陽(yáng)極6的高能脈沖電子束作為調(diào)制電子束泵浦，在為藍(lán)光、綠光和紅光半導(dǎo)體量子點(diǎn)提供激發(fā)能量的同時(shí)，對(duì)半導(dǎo)體量子點(diǎn)發(fā)光層7進(jìn)行調(diào)制，藍(lán)光、綠光和紅光半導(dǎo)體量子點(diǎn)發(fā)出的熒光在半導(dǎo)體量子點(diǎn)發(fā)光層7中得到散射放大，最后形成白光隨機(jī)激光出射，該白光隨機(jī)激光在發(fā)揮照明作用的同時(shí)以高頻閃爍的方式傳送通信信號(hào)。

相比于p-n結(jié)發(fā)光器件，如led，本發(fā)明不受功率增益帶寬積的約束。當(dāng)將led作為可見光無線通信光源時(shí)，電流注入驅(qū)動(dòng)led器件，同時(shí)也在進(jìn)行通信調(diào)制。加大led器件的電流注入?yún)^(qū)，在加大有效光發(fā)射面積的同時(shí)提高發(fā)光強(qiáng)度，當(dāng)將這一措施用于半導(dǎo)體量子點(diǎn)有源層led時(shí)，由于器件的結(jié)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(jié)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(shí)調(diào)制帶寬通常只有約3～50mhz。然而，在本發(fā)明之調(diào)制電子束泵浦半導(dǎo)體量子點(diǎn)白光隨機(jī)激光通信光源中，并無p-n結(jié)結(jié)構(gòu)，不會(huì)產(chǎn)生結(jié)電容，通過電子倍增器件如微通道板4增強(qiáng)光電流，得到增強(qiáng)的光電流穿過透射式陽(yáng)極6以電子束激勵(lì)方式激發(fā)半導(dǎo)體量子點(diǎn)發(fā)光，由此獲得更大功率的白光輸出，同時(shí)不至于因此降低調(diào)制帶寬。

采用本發(fā)明之調(diào)制電子束泵浦半導(dǎo)體量子點(diǎn)白光隨機(jī)激光通信光源獲得白光輸出，系由半導(dǎo)體量子點(diǎn)發(fā)光層7中均勻分布的藍(lán)光、綠光和紅光半導(dǎo)體量子點(diǎn)發(fā)光后合成所致，相比于熒光轉(zhuǎn)換型白光led，不存在熒光光譜響應(yīng)滯后的問題，也就不會(huì)產(chǎn)生由此導(dǎo)致的后續(xù)問題，如通信脈沖的多徑展寬，調(diào)制帶寬的下降，通信速率的降低。

如果采用現(xiàn)有rgb-led器件作為可見光無線通信光源，要想獲得調(diào)制白光輸出，需要配備非常復(fù)雜的調(diào)制電路，三個(gè)led芯片的發(fā)光性能受驅(qū)動(dòng)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(fā)明采用紅外種子光源1作為調(diào)制信號(hào)光源，現(xiàn)有紅外種子光源技術(shù)成熟，如1550nm或者1310nm近紅外波段dfbingaas光纖通信光源，能夠發(fā)出高速調(diào)制通信光，將其作為調(diào)制信號(hào)光源，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換、放大，成為調(diào)制電子束泵浦激勵(lì)藍(lán)光、綠光和紅光半導(dǎo)體量子點(diǎn)發(fā)光，就能輸出與調(diào)制信號(hào)光源具有相同調(diào)制頻率的白光。

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

在發(fā)光器件中引入貴金屬納米晶能夠增強(qiáng)熒光強(qiáng)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(lán)光led的光輸出功率的同時(shí)，能夠明顯改善了gan基藍(lán)光led的頻響特性，獲得高達(dá)56mhz的調(diào)制帶寬。本發(fā)明在半導(dǎo)體量子點(diǎn)發(fā)光層7中引入與藍(lán)光、綠光和紅光分別相對(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)增強(qiáng)藍(lán)、綠、紅半導(dǎo)體量子點(diǎn)的熒光強(qiáng)度，提高了熒光效率，并能夠進(jìn)一步降低熒光壽命至亞納秒量級(jí)。

相比于自發(fā)輻射白光發(fā)光器件，受激輻射白光激光器件具有更高的光輸出功率、發(fā)光效率和更快的響應(yīng)速率，可直接調(diào)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(shù)據(jù)傳輸速率比led快10倍，也就是說，基于led的li-fi其數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)到10gb/s，基于白光激光器的數(shù)據(jù)傳輸速率則能夠非常容易地超過100gb/s。本發(fā)明之調(diào)制電子束泵浦半導(dǎo)體量子點(diǎn)白光隨機(jī)激光通信光源也是一種激光光源，在調(diào)制電子束泵浦能量激勵(lì)下，半導(dǎo)體量子點(diǎn)發(fā)光，經(jīng)散射放大，最后形成白光隨機(jī)激光出射，能夠獲得遠(yuǎn)大于自發(fā)輻射白光發(fā)光器件的數(shù)據(jù)傳輸速率。不過，現(xiàn)有白光激光器要么是通過多臺(tái)分立或者集成的氣體/固體激光器合成而得，要么通過單臺(tái)氣體/固體激光器倍頻形成三基色輸出而得，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積大。相比之下，本發(fā)明在同樣獲得白光激光輸出的前提下，光源器件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，體積小、重量輕。

附圖說明

圖1是本發(fā)明之調(diào)制電子束泵浦半導(dǎo)體量子點(diǎn)白光隨機(jī)激光通信光源結(jié)構(gòu)示意圖，該圖同時(shí)作為摘要附圖。圖2是本發(fā)明之調(diào)制電子束泵浦半導(dǎo)體量子點(diǎn)白光隨機(jī)激光通信光源中的半導(dǎo)體量子點(diǎn)發(fā)光層組分及分布示意圖。圖3是本發(fā)明中的半導(dǎo)體量子點(diǎn)發(fā)光層熒光光譜曲線圖。

具體實(shí)施方式

在本發(fā)明之調(diào)制電子束泵浦半導(dǎo)體量子點(diǎn)白光隨機(jī)激光通信光源中，如圖1所示，紅外種子光源1、準(zhǔn)直擴(kuò)束鏡2、光電陰極3、微通道板4、電子束聚焦極5、透射式陽(yáng)極6和半導(dǎo)體量子點(diǎn)發(fā)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(fā)出紅外脈沖調(diào)制信號(hào)光，調(diào)制帶寬為ghz量級(jí)。所述準(zhǔn)直擴(kuò)束鏡2將紅外脈沖調(diào)制信號(hào)光整形擴(kuò)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(xué)玻璃基板8上，將紅外脈沖調(diào)制信號(hào)光轉(zhuǎn)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(gè)銅質(zhì)環(huán)片，將高能脈沖電子束聚焦。所述透射式陽(yáng)極6為一層al膜，膜厚3～5nm，覆蓋在半導(dǎo)體量子點(diǎn)發(fā)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(yáng)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(yáng)極6之間的電壓為3000v。所述半導(dǎo)體量子點(diǎn)發(fā)光層7涂覆在石英襯底9上，在所述半導(dǎo)體量子點(diǎn)發(fā)光層7內(nèi)均勻分布等摩爾量的藍(lán)光、綠光和紅光半導(dǎo)體量子點(diǎn)，還均勻分布有與藍(lán)光、綠光和紅光分別相對(duì)應(yīng)的具有消光作用的貴金屬納米晶。所述藍(lán)光、綠光和紅光半導(dǎo)體量子點(diǎn)為cd鹽體系材料量子點(diǎn)或者鈣鈦礦晶態(tài)材料量子點(diǎn)，以鈣鈦礦晶態(tài)材料量子點(diǎn)為例，具體選用銫鉛鹵化物cspbx3(x＝cl,br,i)，并且，cspbcl3為藍(lán)光量子點(diǎn)c，cspbbr3為綠光量子點(diǎn)b，cspbi3為紅光量子點(diǎn)a，如圖2所示；當(dāng)高能脈沖電子束轟擊半導(dǎo)體量子點(diǎn)發(fā)光層7時(shí)，所述三種量子點(diǎn)分別產(chǎn)生450nm藍(lán)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(zhǎng)分別對(duì)應(yīng)藍(lán)、綠、紅光區(qū)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(qiáng)cspbcl3藍(lán)光量子點(diǎn)c、cspbbr3綠光量子點(diǎn)b、cspbi3紅光量子點(diǎn)a的熒光，并進(jìn)一步降低熒光壽命至亞納秒量級(jí)。半導(dǎo)體量子點(diǎn)發(fā)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(dǎo)體量子點(diǎn)發(fā)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(qiáng)光學(xué)散射，降低隨機(jī)激光閾值。最終獲得甚高頻、亞瓦級(jí)白光隨機(jī)激光輸出。

所述半導(dǎo)體量子點(diǎn)發(fā)光層7是一種膠體薄膜，組分介質(zhì)為pmma(聚甲基丙烯酸甲酯)。