详析紫外LED在光通信领域的应用

第 44 卷第 10 期2023年 10 月Vol.44 No.10Oct., 2023发光学报CHINESE JOURNAL OF LUMINESCENCE紫外光通信用日盲型LED研究进展郭春辉1，孙雪娇2，郭凯3，张晓娜3，王兵2，3，魏同波2，王申1，苏晋荣1，闫建昌2，3，刘乃鑫2，3*（1. 山西大学物理电子工程学院，山西太原　030000；　2. 中国科学院半导体研究所半导体照明研发中心，北京　100083；3. 山西中科潞安紫外光电科技有限公司，山西长治　046000）摘要：紫外光通信在激光雷达、战术通信、航空航天内部安全通讯和片上集成通信等领域有着重要应用前景。

传统的紫外光通信LED光源的调制带宽窄、输出光功率低和制造工艺复杂等缺点限制了它在长距离、高速率通信和片上集成通信领域的广泛应用。

实验表明，增加单个器件发光面积可提升光输出功率，但增加的器件电容对带宽提升是不利的，因此紫外光通信LED未来的重要研究方向是提升并优化带宽的同时增加器件的光功率密度。

UVC Micro⁃LED器件有着光提取效率高、时间常数小、载流子寿命短、调制速率快及工作电流密度高等出色性能，因此在通讯领域受到科研界和工业界的广泛青睐。

本文总结了紫外LED、特别是UVC Micro⁃LED的相关研究进展，并重点介绍了它们在光通信及其片上集成互联方面的应用。

研究发现，对UVC Micro⁃LED及其阵列制备与性能提升加强研究，是未来提升自由空间和片上互联紫外通信系统性能的最佳解决方案之一。

关键词：紫外光通信；微尺寸发光二极管；调制速率；片内集成光通信；光提取效率中图分类号：TN312.8 文献标识码：A DOI： 10.37188/CJL.20230099Recent Progress of Solar Blind Light Emitting Diodes for UltravioletOptical Wireless Communication UseGUO Chunhui1， SUN Xuejiao2， GUO Kai3， ZHANG Xiaona3， WANG Bing2，3，WEI Tongbo2， WANG Shen1， SU Jinrong1， YAN Jianchang2，3， LIU Naixin2，3*（1. College of Physics And Electronic Engineering， Shanxi Unversity， Taiyuan 030000， China；2. Research and Development Center for Semiconductor Lighting Technology， Institute of Semiconductors，Chinese Academy of Sciences， Beijing 100083， China；3. Shanxi Zhongke Lu an Ultraviolet Optoelectronics Technology Co.， Ltd.， Changzhi 046000， China）* Corresponding Author， E-mail： nxliu@Abstract：Ultraviolet communication has extensive applications in laser radar，tactical communication，internal security communication in aerospace plane and on-chip integrated optical communication. Both of the bandwidth and light output power of the traditional deep ultraviolet communication LED were low，and the manufacturing process was complex， which limited their widespread application in long-distance， high-speed communication， and on-chip integrated optical communication fields. Experiments have shown that the increasing of the light emitting area of sin⁃gle device can improve the light output power，but the device capacitance has a negative effect on the bandwidth.Therefore， an important research direction for ultraviolet communication LEDs in the future is to improve the band⁃width and the optical power density of the devices simultaneously. UVC Micro-LEDs with higher light extraction effi⁃ciency， lower time constant， shorter carrier lifetime， faster modulated rate and higher current density than traditional 文章编号： 1000-7032（2023）10-1849-13收稿日期：2023⁃04⁃17；修订日期：2023⁃05⁃06基金项目：2021年度山西省重点研发项目（202102030201007）；国家重点研发计划（2022YFB3604804）Supported by 2021 Key R&D Projects in Shanxi Province（202102030201007）； National Key Research and Development Pro⁃gram of China（2022YFB3604804）第 44 卷发光学报LED have been widely favored by the scientific and industrial communities. This paper summarizes the UV LED， es⁃pecially UVC Micro-LEDs related research progress， and their applications in optical communication and integration on a chip interconnection. It is found that deepening study on the preparation and performance improvement of UVC Micro-LEDs and their arrays will be one of the best solutions for improving the performance of free space and on-chip integrated ultraviolet communication systems in the future.Key words：ultraviolet optical wireless communication；Micro-LEDs；modulated rate；on-chip integrated optical communication； light extraction efficiency1　引 言紫外光无线通信（Ultraviolet optical wireless communication，UVOWC）通常是指用波长为200 ~ 280 nm范围的“日盲区”UVC（Ultraviolet-C）波段，利用大气当中的分子、气溶胶等微粒的散射作用进行无线通信的技术。

LED 术语和实际应用指南紫外LED
发射紫外光的二极管。

一般指发光中心波长在400nm 以下的LED，但有时将发光波长大于380nm 时称为近紫外LED，而短于300nm 时称为深紫外LED。

因短波长光线的杀菌效果高，因此紫外LED 常用于冰箱和家电等的杀菌及除臭等用途……
发射紫外光的二极管。

一般指发光中心波长在400nm 以下的LED，但有时将发光波长大于380nm 时称为近紫外LED，而短于300nm 时称为深紫外LED。

因短波长光线的杀菌效果高，因此紫外LED 常用于冰箱和家电等
的杀菌及除臭等用途，以及与荧光体组合发出可视光的LED 等用途。

例如将红色、绿色和蓝色荧光体与紫外LED 组合，可获得白色LED。

紫外LED 主要采用GaN 类半导体。

产品方面，日亚化学工业上市了
发光中心波长从365nm～385nm 不等的品种，NitrideSemiconductor 上市了发光中心波长为355nm～375nm 不等的品种。

日亚化学工业2002 年发布的紫外LED
LED 芯片的尺寸为1mm×1mm，为普通LED 的10 倍，而且收纳于具有金属封装内。

（图：日亚化学工业）。

紫外光通信技术的应用美国GTE公司为美军研制了一种新型隐蔽式紫外光通信系统。

这种系统不易被探测和截收，适用于多种近距离抗干扰通信环境，尤其适用于特别行动和低裂度冲突，是满足战术通信要求的理想手段。

工程技术人员在工程中对紫外光指挥、控制和通信进行的试验表明，话音和数据性能很好，而且不受远方电子干扰的影响。

同时，由于紫外光通信的作用距离受限于大气层，这使得对手即使在当地也很难截收紫外光通信信号。

紫外光传输的优点之一是系统的辐射功率可根据通信距离要求而减至最小，常规无线电设备不能探测或干扰采用紫外光技术的远方台站的通信。

因为紫外光散射在大气层中，故可用于1～2km的非视距通信，如果采用聚光方式，定向视距通信距离可达5～10km。

1.设备和技米规范紫外光通信系统的主要部件有灯，滤光器和遮太阳光检测器。

紫外光系统除了光源和探测器外，其他全部采用现在通信系统中普遍采用的电子和机械部件，这些都是已经成熟的技术，可以组装成简单而又坚固的小型化系统，供机载、陆地和水面舰船通信用。

紫外光源是一只低压汞气稀有气体放电灯，它把20％的电能转换成253.6mm的辐射光。

这种灯是现实制灯工业的标准灯，可以制成不同大小和形状，以满足多种规格的要求。

灯中还可适当设置反光镜，以增强光源亮度实现对某个位置的定向辐射。

如果把一只管灯做成环状，环中央有一个反射面，大部分能量就会辐射到很宽的范围。

如果把它安装在直升机顶上，它就可以起紫外光发射机的作用。

通信系统的电子电路把话音或数字数据信号转换成曼彻斯特自同步脉冲数据编码流。

这种数据脉冲触发灯激励器使灯闪亮，传话音时闪亮速度平均为20kHz，传送数字则低些。

紫外光系统用一个遮太阳光光电倍增管作光探测器。

用一个250～270nm带通滤光器屏蔽光探测器，使其免受波长大于270nm的太阳残余辐射的影响。

在近距离通信中，遮太阳光光电倍增管和滤光器可以直接使用。

远程通信时需要将光电倍增管装在聚光镜中，以增强控制器的灵敏度。

紫外线LED市场需求分析引言紫外线LED（Ultraviolet LED，UV LED）是一种半导体光源，能够产生紫外光辐射。

随着对紫外线应用的增加，紫外线LED市场正迅速发展。

本文将对紫外线LED 市场需求进行分析，包括市场规模、主要应用领域和趋势。

市场规模根据市场研究报告，紫外线LED市场规模呈现稳定增长的趋势。

预计在未来几年内，这一市场将保持高速增长并达到相当规模。

以下是一些关键因素：1.应用扩大：紫外线LED在多个领域具有广泛应用，如医疗卫生、科学研究、工业生产等。

随着技术进步和应用需求的增加，紫外线LED的市场规模将会扩大。

2.政策支持：政府对环保和节能的要求推动了紫外线LED的发展。

各国政府鼓励和支持紫外线LED的应用，这对市场的增长起到了积极作用。

3.产品价格下降：随着技术成熟度的提高和生产规模的扩大，紫外线LED的生产成本逐渐下降，产品价格降低，进一步刺激了市场需求。

主要应用领域紫外线LED在很多领域都有广泛的应用，以下是一些主要领域：1.医疗卫生：紫外线LED在医疗卫生领域具有重要作用，可以用于医疗设备、消毒灯和光疗装置等。

紫外线LED可以有效杀灭细菌和病毒，有助于提高医疗设施的卫生标准。

2.科学研究：紫外线LED在科学研究中的应用越来越广泛。

它可以用于分子生物学实验、荧光显微镜和光谱分析等领域，为科学家提供更多的研究工具和实验条件。

3.工业生产：紫外线LED在工业生产中有许多应用，如固化、紫外线硬化漆、印刷等。

通过紫外线LED的使用，可以提高工业生产效率和质量，并减少能源消耗。

趋势紫外线LED市场有几个明显的趋势：1.技术创新：紫外线LED技术不断创新，包括提高光效、扩展波长范围和增加应用领域等。

技术创新将进一步推动市场需求。

2.健康与安全关注：随着人们对健康和安全的关注增加，紫外线LED在医疗和卫生领域的应用将继续扩大。

人们对紫外线的利用将更加理性，避免潜在的健康风险。

3.环保需求：紫外线LED具有低能耗、长寿命等优点，符合环保需求。

LED光通信技术的研究与应用随着互联网的迅猛发展，数据传输的需求也不断增长。

传统的有线通信方式在数据传输的过程中存在很多不便之处，例如需要占用一定的空间、需要排布一定的线路、易受到天气等自然因素的影响等。

而LED光通信技术的研究与应用，正是为了解决传统有线通信方式的不足。

一、LED光通信技术的基本原理首先，我们需要知道LED光通信技术的基本原理是什么。

LED 即发光二极管，是一种将电能转化为光能的半导体器件。

LED光通信技术是利用LED的光电转换性质来实现通信的，将数字信号通过 LED 照射在接收器上，再通过解码得到传输的内容。

其基本原理与激光通信基本一致，不同之处在于，LED并不需要达到激光那么高的功率，因此具有低功耗、低成本等优点。

二、LED光通信技术的应用现状目前，LED光通信技术已经得到了广泛的应用。

最为常见的便是LED光通信在家庭电器中的应用，例如TV、路由器等，通过这些设备进行网络的传输。

此外，LED光通信技术还被应用在汽车底盘与环境的交互中，利用车底的LED灯条来自动识别交通信号灯，从而为司机提供车辆安全提示。

类似的应用，还可以在城市路灯、安全标识牌等公共设施中得到应用。

三、LED光通信技术的未来发展随着5G技术的快速发展，高速、便捷的通信方式也迎来了新一轮的升级。

LED光通信技术的应用前景十分广阔，预计在未来几年内将会成为一个十分重要的技术。

首先，在室内短距离通信方面，LED光通信技术将更加广泛应用，例如在电子商务、智能家居的应用中，通过灯泡来实现设备之间的通信。

其次，在大规模数据传输中，LED光通信技术也将得到广泛的应用，例如在机房、数据中心等地，通过LED光通信来实现高速数据传输的需求。

总的来说，LED光通信技术是一种具有广阔前景的技术，其能够大大提高传输速度、降低成本、节省能源等，将对各个领域产生积极的推动作用。

我相信，在不久的将来，LED光通信技术将会成为一个普及的技术，真正走进人们的生活。

紫外线LED技术在无线通信中的应用研究随着现代通信和物联网技术的高速发展，无线通信技术已经成为人们生活中必不可少的部分。

无线通信技术的运用涉及到了诸多的领域，其中紫外线LED技术作为一种新兴的通信技术，正在被越来越多的人所关注。

本文将分析紫外线LED 技术在无线通信中的应用研究。

一、紫外线LED技术的基本原理紫外线LED是一种类似于普通LED的光电器件，其采用的是半导体材料进行电子的能量转换，从而实现光的发射。

紫外线LED的最大特点就是其发射的光谱波长在380nm到400nm之间，属于紫外线范围。

在紫外线LED技术中，通过控制电子注入LED的节奏和电流强度，可以实现紫外线光的控制发射。

二、紫外线LED技术在无线通信中的优势相比于其他的无线通信技术，紫外线LED技术具有以下的优势：1.传输距离远由于紫外线LED技术所采用的光波长在400nm以下，与可见光的波长相似，故而在空气中的传播距离相对较远。

同时，该技术可以将信号传输距离最大达到20米以上，这样就可以满足日常室内通信的需求。

2.传输速度快紫外线LED技术可以将信号的传输速度提升至1Gb/s以上，相比于其他的无线通信技术具备传输速度快的优势。

同时，由于该技术光波长短，反应速度也相对较快，故而可以实现高速数据传输。

3.传输带宽大庞大的带宽是现代通信技术中关键的一个参数，紫外线LED技术可以满足高带宽的要求。

由于采用的是类似于蓝光的频谱，其信号带宽更宽，能够支持更多的信息传输。

三、紫外线LED技术在无线通信中的应用案例紫外线LED技术在无线通信中已经被广泛的应用，其应用案例如下：1.家庭数字传输应用在现代家庭中，数字化的娱乐设备已经成为人们娱乐生活的重要组成部分。

为了实现数字设备之间的交流，需要采用通信技术完成数字信号的传输。

紫外线LED技术在此方面有着广泛的应用。

通过安装紫外线LED传输模块，可以实现数字设备之间的快速传输，同时也增强了数据的安全性和可靠性。

探析紫外光通信技术原理及应用紫外光通信系统是一种新型的通信手段，与常规的通信系统相比，有很多优势。

由于紫外线主要以散射方式传播，并且传播路径有限，采用紫外光通信系统具有一定的绕过障碍物的能力，非常适用于近距离抗干扰的通信环境。

紫外光通信具有灵活、低窃听、全方位、非视距通信的独特优势，主要应用于短距离的、保密的通信是常规通信的一种重要补充。

紫外光通信是以大气分子和子溶胶粒子的散射和吸收为基础的。

紫外光通信基于两个相互关联的物理现象：一是大气层中的臭氧对波长在200nm到280nm之间的紫外光有强烈的吸收作用，这个区域被叫做日盲区，到达地面的日盲区紫外光辐射在海平面附近几乎衰减为零；另一现象是地球表面的日盲区紫外光被大气强烈散射。

日盲区的存在，为工作在该波段的紫外光通信系统提供了一个良好的通信背景。

紫外光在大气中的散射作用使紫外光的能量传输方向发生改变，这为紫外光通信奠定了通信基础，但吸收作用带来的衰减使紫外光的传输限定在一定的距离内。

因此紫外光通信是基于大气散射和吸收的无线光通信技术。

选择紫外“日盲”波段光波进行传输信号时，信号在传输过程中很少受到大气背景噪声干扰。

由于紫外辐射在大气中由瑞利散射所造成的光能损失是红外线的1000倍以上，使得工作于紫外波段的系统与红外系统相比具有很大的不同。

它是信息传输实现非视距工作方式的基础，同时也克服了其他自由空间信息传输系统在视距方式工作时的弱点。

与常规通信方式相比，紫外光通信有其特有的优势：1、高保密的数据传输性和强抗干扰能力；紫外光通信主要基于大气对紫外光的散射和吸收作用。

紫外光信号在大气传输过程中会呈现指数倍的衰减，传输距离一般不超过10公里，信号难以监听和截获。

另外，紫外光通信系统的辐射功率可根据通信距离减至最小，无线电设备很难对其进行干扰和精确定位。

2、可用于非直视通讯；紫外光在大气传输过程中会发生散射现象，散射特性可以使紫外。

紫外线LED广泛的用途紫外线的光谱包含所有长度为100nm至400nm的波长，一般细分为三类：UV-A（315-400纳米，也称为长波紫外线）、UV-B（280-315纳米，也称为中波紫外线）、UV-C（100-280纳米，也称为短波紫外线）。

牙科治疗仪器和辨伪用途是紫外线LED早期的应用，但是性能、成本和耐用性效益以及产品寿命的延长，正使紫外线LED的用途迅速增加。

紫外线LED 当前的用途包括：光学传感器和仪器（230-400nm）、紫外线身份验证、条码（230-280nm）、表面积水的杀菌（240-280nm）、鉴别和体液检测和分析（250-405nm）、蛋白质分析和药物发明（270-300nm）、医学光照疗法（300-320nm）、高分子和油墨印刷（300-365nm）、辨伪（375-395nm）、表面除菌/美容除菌（390-410nm）。

环境影响-较低的能量消耗、减少垃圾和无危险材料相比于其他可选择的技术，紫外线LED具有明显的环境效益。

与荧光（CCFL）灯相比，紫外线LED的能量消耗低70%.此外，紫外线LED通过了ROHS认证，不含CCFL技术中常见的有害物质汞。

紫外线LED尺寸较小且比CCFL耐用。

由于紫外线LED具有防振和耐冲击的作用，很少发生破损，从而减少了垃圾和费用花费。

UV LED应用广泛美甲方面给力来源：依瓦塔（上海）精密光电有限公司日期：2010-12-13 打印关闭日前推出的370~380nm美甲机专用UVLED固化模块则可以固化目前市场上的任何一种UV 指甲油（包括白油、黄油）。

目前市场上的UV LED美甲机的LED的波长大部分在400~410nm，该波长只能固化部分的UV指甲油，而对其他的UV指甲油并不能起到固化的作用。

我们采用的UV LED是原装美国进口产品，波长集中在370~380nm，整个模块的功率只有7.5W\18W.根据UV LED的特性，波长越短越能起固化作用，经实际的测试，固化一双手（10个指头）的指甲油只需15~20秒（7.5W），10~15秒（18W），由于 UVLED行业发展快速，那么调整架在该行业的用途是肯定很大的，就连UVLED光固化机的说法也是多种，作用也是非常广泛。

紫外线LED的功能与应用出自：超毅电子厂浏览：1115 添加时间：2012-11-06 14:35紫外线LED功能介绍：1、杀菌(1)杀菌原理：通过LED紫外线杀菌就是通过紫外线的照射，破坏及改变微生物的DNA(脱氧核糖核酸)结构，使细菌当即死亡或不能繁殖后代，达到杀菌的目的。

紫外线杀菌的有效波长范围可分为四个不同的波段：UVA(400～315nm)、UVB(315～280nm)、UVC(280～200nm)和真空紫外线(200～100nm)，真正具有杀菌作用的是UVC紫外线，因为C波段LED紫外线很易被生物体的DNA吸收，尤以253.7nm左右的LED紫外线最佳。

(2)杀菌范围：LED紫外线可以杀灭各种微生物，包括细菌繁殖体、芽胞、分支杆菌、病毒、真菌、立克次体和支原体等，具有广谱性。

(3)杀菌优点：LED紫外线杀菌属于纯物理消毒方法，具有简单便捷、广谱高效、无二次污染、便于管理和实现自动化等优点，随着各种新型设计的紫外线灯管的推出，紫外线杀菌的应用范围也不断在扩大。

(4)其应用范围：1)老人由于肌体的逐渐老化，容易感染到病菌，同时也会对家里的其他人感染；婴幼儿最容易患上皮肤病、呼吸道感染、各种感冒症状、拉肚子等病痛，大多都是由于细菌及病毒的侵害；家中有病人自身带有一些细菌，外加上身体虚弱，抵抗能力差，很容易让家人或者自己受到病菌的感染。

可每天使用一次瑞森特台式紫外线杀菌灯进行紫外线的全方位杀菌消毒。

2)地下室，半地下室，不通风，鲜少能触及到阳光的。

这些地方特别容易滋生细菌，需要经常注意杀菌消毒，家庭成员也要多进行日光浴，可配用瑞森特杀菌灯包装盒里的日光浴灯，把阳光带进房间。

3)宠物或小动物是细菌传染传播最快的，特别是螨虫和传染病，每次出去遛完后，一定要记得回来后进行消毒，经常对宠物的衣服、卧室、物品，使用瑞森特台式紫外线杀菌灯进行紫外线的照射，让您的宠物免受病菌的感染。

4)家有螨虫的。

螨虫是一种危害性特别大的细菌，进行对皮肤的破换，轻者皮肤瘙痒，重者会严重影响人的健康甚至毁容，据调查，成年人的螨虫感染率高达97%，特别是孕妇如果感染到螨虫，严重者可导致胎儿畸形或流产。

UVLED技术的发展与产品应用分析随着人们生活水平的不断提升，消费者对于产品的质量和安全性要求也越来越高。

这样一来，对于产品的质量和生产过程的监控也越来越严格。

为了满足这些要求，UVLED技术应运而生。

UVLED技术是指利用紫外线LED（Light Emitting Diode）发光器制造的装置。

由于紫外线具有杀菌、杀毒、杀虫等多种功效，因此其应用领域非常广泛。

在这篇文章中，我们将探讨UVLED技术的发展趋势以及其在产品应用中的作用。

第一部分：UVLED技术的发展历程UVLED技术最初出现是在20世纪60年代。

当时的发光器只能发出红色和绿色光线，而且价格昂贵，因此应用非常有限。

随着技术的不断发展，现在的UVLED产品已经可以显著提高质量，能够广泛应用于生产过程中。

近年来，随着环保意识的增强，UVLED技术也得到了进一步发展。

由于其不含有汞，因此比传统的荧光灯和紫外线灯更为环保。

此外，UVLED技术也可以通过集成绿色材料，进一步提高环保性。

第二部分：UVLED技术的应用领域1. 食品安全在食品加工中，对于食品的杀菌操作非常重要。

传统的杀菌方法主要依赖于化学处理或热处理。

然而，这些方法在产品品质和安全性方面存在一定的缺陷。

而在该领域，UVLED技术的应用非常广泛，其杀菌效果甚至比氯气和臭氧更为突出。

2. 医疗保健紫外线被广泛应用于医疗保健领域中。

我们的皮肤所接收到的极紫外线，就可以有效抑制各种细菌的生长。

UVLED技术的发展，让其在医疗保健领域更具有应用前景。

目前，紫外线光治疗已被证明对慢性湿疹、牛皮癣、痤疮等皮肤病有明显疗效。

3. 医药研发研究人员经常使用紫外线来帮助识别和分析蛋白质。

利用其中的突变和组合，来揭示这些蛋白质功能和结构的变化。

随着UVLED技术的进一步发展，它的应用领域也在不断扩大。

4. 建筑节能白光发光二极管，不仅具有节能的特点，而且在保持灯具寿命的同时，能有效降低建筑物的一些运行成本。