作者单位
摘要
大连理工大学信息与通信工程学院,辽宁 大连 116024
针对水下无线通信高速率、远距离、低成本和小型化设备的实用需求,本文设计研制了一种高鲁棒性的基于现场可编程门阵列(FPGA)和大功率LED阵列的小型化水下无线光通信系统。其光发射机的光源采用45 W大功率LED阵列,基于FPGA实现高阶调制与编码,并设计了准直光学发射天线有效减少光束发散角,大幅度延长了传输距离。在光接收端,设计了一种基于3 mm大孔径雪崩光电二极管(APD)的自动增益控制放大和FPGA解调与信号处理的光接收机,降低了光通信系统对准的严苛要求。该系统可实现30 Mbps 开关键控(OOK)信号和正交幅度调制(QAM)信号(16QAM信号)的12 m水下信道实时传输,二者的误码率(BER)分别为2.467×10-4和3.467×10-3。此外,该系统还实现了22 Mbps的非归零(NRZ)-OOK整形信号12 m水下+30 m空气的跨介质传输(总长度为42 m),BER为3.619×10-4。最后,实现了12 m水下信道中接收机偏离主光轴40°之内22 Mbps OOK信号的有效接收,提高了系统的鲁棒性。
水下无线光通信 现场可编程门阵列 LED阵列 高阶调制 小型化光端机 underwater wireless optical communication field programmable gate array LED array high-order modulation miniaturized optical transceiver 
光学学报
2024, 44(6): 0606002
Author Affiliations
Abstract
Although the 5G wireless network has made significant advances, it is not enough to accommodate the rapidly rising requirement for broader bandwidth in post-5G and 6G eras. As a result, emerging technologies in higher frequencies including visible light communication (VLC), are becoming a hot topic. In particular, LED-based VLC is foreseen as a key enabler for achieving data rates at the Tb/s level in indoor scenarios using multi-color LED arrays with wavelength division multiplexing (WDM) technology. This paper proposes an optimized multi-color LED array chip for high-speed VLC systems. Its long-wavelength GaN-based LED units are remarkably enhanced by V-pit structure in their efficiency, especially in the “yellow gap” region, and it achieves significant improvement in data rate compared with earlier research. This work investigates the V-pit structure and tries to provide insight by introducing a new equivalent circuit model, which provides an explanation of the simulation and experiment results. In the final test using a laboratory communication system, the data rates of eight channels from short to long wavelength are 3.91 Gb/s, 3.77 Gb/s, 3.67 Gb/s, 4.40 Gb/s, 3.78 Gb/s, 3.18 Gb/s, 4.31 Gb/s, and 4.35 Gb/s (31.38 Gb/s in total), with advanced digital signal processing (DSP) techniques including digital equalization technique and bit-power loading discrete multitone (DMT) modulation format.
GaN-based LED LED array VLC V-pit sidewall quantum well high-frequency response 
Opto-Electronic Science
2023, 2(5): 230005
明振兴 1吕清花 1,*明月 1曾炜 2[ ... ]张杰 3
作者单位
摘要
1 湖北工业大学 理学院,湖北 武汉 430068
2 湖北工业大学 经济与管理学院,湖北 武汉 430068
3 湖北工业大学 电气与电子工程学院,湖北 武汉 430068
为了提高发光二极管(light emitting diode,LED)光源阵列的光照均匀度,提出一种改进粒子群算法和新型等差LED阵列排布方式。根据光照分布模型建立了照射面的光照均匀度评价函数,使用改进的粒子群算法对新型等差LED阵列、矩形及圆形阵列进行优化。将优化后的LED阵列数据导入光学软件TracePro中进行仿真验证,得到优化后等差、矩形及圆形LED阵列的光照均匀度分别为82.89%、73.31%及78.56%,比优化前LED阵列的光照均匀度分别提高了15.84%、10.65%及15.57%。研究结果表明,改进后的粒子群算法收敛速度更快、精度更高,且提出的新型等差LED阵列有着更好的光照均匀度。
改进粒子群算法 等差LED阵列 光照均匀度 TracePro improved particle swarm algorithm arithmetic LED array illumination uniformity TracePro 
应用光学
2022, 43(3): 524
作者单位
摘要
杭州电子科技大学自动化学院,浙江 杭州 310018
LED阵列光功率受热学、电学影响:LED芯片的光电热(PET)参数耦合,而且LED阵列中热耦合关系复杂,给大功率光源的结构设计带来困难。基于PET理论提出了一个光功率计算模型:首先根据LED芯片的工作机理,构建其电功率、结温、热功率之间的耦合关系;其次,将LED阵列的热耦合仿真结果,作为训练样本,获得输入为布局间距和热功率,输出为LED结温的BP神经网络;最后,将神经网络获得的结温作为PET方程的温度条件,计算LED阵列的光功率。为验证该模型的准确性,进行实验验证,最大误差为7.6%。该模型可分析LED阵列在不同布局参数及热沉温度下的最大光功率工作点,解决LED阵列布局及热沉结构的优化设计问题。
LED阵列 光电热理论 BP神经网络 光功率 LED array photo-electric-thermal theory BP neural network optical power 
激光与光电子学进展
2022, 59(5): 0523002
作者单位
摘要
1 江苏理工学院 机械工程学院,江苏 常州 213001
2 东南大学 机械工程学院,江苏 南京 211189
针对当前视觉检测系统LED光源照度优化研究中存在的照度效果评价因素单一、照度优化方法通用性不足等问题,以芯片封装质量视觉检测为例,提出一种基于改进樽海鞘算法的LED光源照度优化方法。该方法在单个LED光源照度数学模型基础上,建立标准条形LED阵列光源照度数学模型,获取条形LED阵列在任意空间位姿与被测面的照度值;基于照度均匀度、照度梯度变化与对中度、平均照度、目标与背景区分度等因素建立平面照度效果评价函数;提出改进樽海鞘算法,通过改进算法收敛系数、速度、领导者与追随者位置等更新策略,增强区域搜索的多样性;应用改进樽海鞘算法对平面照度效果评价函数进行优化求解,获取具有最优照度效果的空间位姿参数。实验结果表明:考察优化区域的相对照度分布,文中提出的LED光源照度优化方法所得照度分布与实际测量所得照度分布结果基本一致,目标区域理论照度均匀度在98.78%以上,误差在5.57%以内。因此文中提出方法优化目标合理,可用于视觉检测系统具有最优照度效果时光源位姿信息参数的获取。
照度建模 改进樽海鞘算法 优化计算 均匀光照 LED阵列 illumination modeling improved Salp swarm algorithm optimization calculation illumination uniformity LED array 
红外与激光工程
2021, 50(12): 20210745
作者单位
摘要
北京工业大学材料与制造学部,北京 100124
为了给光遗传应用领域提供更大的光刺激面积以及区域可选择性的光刺激,本课题组研制了一套结构简单、可无线调控刺激参数、可独立控制的多通道光遗传刺激系统。采用μLED芯片作为光源,利用光刻技术与微焊接工艺制作了一个具有阵列式光源的蓝光刺激器,并结合无线通信模块实现了刺激器的无线控制功能。光刺激器的尺寸为46 mm×30 mm,重7.134 g。测试结果表明:光极表面的最大输出光功率为24.6 mW,满足ChR2激活神经元的条件;输出光频率的可调控范围为1~500 Hz,最大输出误差小于1%,占空比可调控范围为0~100%,无线通信距离可达50 m。本系统可应用于多点大面积的光遗传领域调控、细胞培养及大面积光照需求的场所,为部分神经环路的调控及研究提供有效工具。
医用光学 光遗传学 光刺激 μLED阵列 无线控制 medical optics optogenetic light stimulation μLED array wireless control 
激光与光电子学进展
2021, 58(19): 1917001
作者单位
摘要
杭州电子科技大学 自动化学院,浙江 杭州 310018
大功率LED阵列动态光源工作过程中光电热参数具有不确定性和时变时滞非线性特点,利用动态核主元分析方法(DKPCA)对大功率LED阵列动态光源进行在线状态观测与故障诊断能有效地捕捉观测数据的非线性和相关性特征,根据历史数据的主元特征计算出的统计量阈值和在线数据的统计特征实现故障检测,利用重构贡献图法实现故障的分离。仿真实验表明,对大功率LED阵列动态光源典型的传感器和执行器故障进行有效监测和诊断相对于核主元分析方法对故障更为敏感,故障检测率最高提高了7.5%,误检率下降了4.2%。
大功率LED阵列 动态核主元分析 在线监测 故障诊断 high-power LED array dynamic kernel principal component analysis on-line monitoring fault diagnosis 
应用光学
2021, 42(4): 728
黄天来 1,2,*谢子敬 1,2张辉 1王洪 1,2
作者单位
摘要
1 华南理工大学广东省光电工程技术研究开发中心, 物理与光电学院, 广东 广州 510640
2 广东省宽禁带半导体芯片及应用工程技术研究中心, 中山市华南理工大学现代产业技术研究院, 广东 中山 528437
提出了一种针对微尺寸LED阵列芯片的集成封装方法, 设计封装了6种发光单元尺寸不一的4×4微尺寸LED阵列芯片, 色温控制在6 300 K左右, 显色指数约为70。光电性能测试结果表明, 发光单元越小, 调制带宽越高。发光单元直径为60 μm的芯片在90 mA的注入电流下, 调制带宽达到了125.71 MHz, 而发光单元尺寸越大, 饱和光通量越高, 直径为160 μm的饱和光通量约为15 lm。这些结果将有助于制备可见光通信的白光光源, 在保证照明品质的前提下提高调制频率。
微尺寸LED阵列芯片 可见光通信 LED封装 性能 micro-LED array visible light communication LED package performance 
光学与光电技术
2019, 17(5): 91
作者单位
摘要
1 福州大学物理与信息工程学院, 福建福州 350116
2 福州大学福建省医疗器械和医药技术重点实验室, 福建福州 350116
3 福州大学电气工程与自动化学院, 福建福州 350116
4 福建工程学院信息科学与工程学院, 福建福州 350118
人乳头瘤病毒 (HPV)基因芯片检测装置可读取与分析 HPV芯片的杂交点信号值, 进而区分不同的 HPV病毒类型, 而检测装置照明的均匀性关系到 HPV芯片图像处理算法的可靠性与难度。为实现均匀照明, 优化了矩形 LED阵列排布并配置匀光扩散板。首先, 分析单个 LED灯珠的辐射强度分布, 建立矩形 LED阵列的理论模型; 然后, 在仿真软件中建立 4行 8列的矩形 LED阵列模型; 最后, 搭建 HPV基因芯片检测装置进行实验测试。实验结果表明, 该照明系统能使 70 mm×20 mm的目标被照面的灰度均匀度达到 95.6%, 满足了 HPV基因芯片检测装置均匀照明的要求。
HPV基因芯片 矩形 LED阵列 匀光照明 灰度均匀度 HPV gene chip rectangular LED array uniform illumination gray level uniformity 
光学仪器
2019, 41(3): 75
苏拾 1,2,3,*王逸文 1张国玉 1,2,3张宇 4[ ... ]刘石 1,2,3
作者单位
摘要
1 长春理工大学光电工程学院, 吉林 长春 130022
2 吉林省光电测控仪器工程技术研究中心, 吉林 长春 130022
3 光电测控与光电信息传输技术教育部重点实验室, 吉林 长春 130022
4 北京控制工程研究所, 北京 100080
运动式太阳模拟器是编码式太阳敏感器在装星阶段用于现场测试的一种重要设备,为敏感器测试提供模拟的太阳光信号和太阳光矢量信号。论述了运动式太阳模拟器的结构组成与工作原理,着重对其LED阵列光源和准直光学系统进行研究与设计。通过功率计算确定了LED数量,依据Sparrow判据分析了LED间距对辐照均匀性的影响,确定了阵列间距。基于边缘光线原理,建立了圆柱面镜的数学模型,设计了准直光学系统,借助LightTools软件进行仿真。实验结果表明:设计的运动式太阳模拟器在工作距离为50 mm处的辐照范围为10 mm×50 mm,最低辐照度为393 W·m -2,在-13°、0°、38°三种光线入射角下的辐照不均匀度均优于±7.3%,出射张角为0.78°,满足编码式太阳敏感器装星后现场测试的要求。
几何光学 运动式太阳模拟器 LED阵列光源 边缘光线原理 准直光学系统 geometric optics mobile solar simulator LED array source principle of edge ray collimating optical system 
光学学报
2019, 39(8): 0808001

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