本文由 Shiliang Mei、Xiaoyan Liu、Wanlu Zhang、Ran Liu、Lirong Zheng、Ruiqian Guo 及 Pengfei Tian 等学者共同完成，研究单位包括复旦大学信息科学与工程学院电光源研究所及教育部先进照明技术工程研究中心。该研究发表在《ACS Applied Materials & Interfaces》期刊上，论文标题为“High-Bandwidth White-Light System Combining a Micro-LED with Perovskite Quantum Dots for Visible Light Communication”，发表于 2018 年 1 月 18 日。
这项研究属于光通信与半导体材料领域，特别是可见光通信（Visible Light Communication，VLC）技术的应用研究。VLC 是将固态照明（Solid-State Lighting，SSL）与光通信相结合的一种先进无线通信技术。相比于传统的无线射频通信，VLC 具有高数据速率、能效高、安全性强、没有射频干扰等优势。然而，目前广泛用于固态照明的白光发光二极管（LED）受限于蓝光 LED 和黄光荧光粉的电光调制带宽（约 2.5 MHz），这限制了数据通信的最大速度。
为了突破这一瓶颈，提高白光源的带宽，量子点（Quantum Dots，QDs）作为色彩转换材料逐渐受到关注。量子点不仅具有可调的发射波长、窄光谱带宽、高量子产率等特点，其短荧光寿命特性还使其在高带宽调制方面具有独特的优势。尤其是近年来钙钛矿量子点（Perovskite Quantum Dots，PQDs）因为优越的发光性质而被认为是实现高性能白光系统的重要材料。此外，微型发光二极管（Micro-LED，μLED）因其体积小、较短的载流子寿命和高电流密度的特点，在 VLC 中展现了显著的高带宽潜力。然而，将高带宽的 μLED 与钙钛矿量子点结合用于白光通信系统的研究尚属首次报道。
因此，本研究的目的在于利用 μLED 和钙钛矿量子点开发一种高带宽白光系统，用于高效固态照明和高速可见光通信。
研究团队使用了 CsPbBr1.8I1.2 钙钛矿量子点（黄色发射，简称 YQDs）。量子点通过改进的热注射法制备： - 使用碳酸铯（Cs2CO3）、溴化铅（PbBr2）和碘化铅（PbI2）为前体材料，辅以高温溶剂等。 - 通过离心分离和溶剂处理，最终获得了高纯度单分散的钙钛矿量子点，粒径约为 10.16 纳米，其发射峰位于 560 纳米。
这些量子点在实验中被制备成量子点复合薄膜，通过混入环氧树脂后涂布在透明玻璃片上在 80°C 固化 12 小时成膜。
蓝光 μLED 器件采用氮化镓（GaN）材料，芯片尺寸为 80 μm × 80 μm。制作工艺包括反应离子刻蚀定义 μLED 图形、沉积金属氧化物（Ni/Au）作为电流扩散层以及形成 n、p 电极等。这些微型 LED 的电光调制带宽高达 160 MHz，主发射波长约为 445 nm。
将制备好的量子点薄膜覆盖在蓝光 μLED 表面，由此形成白光系统。所生成的白光包含蓝光（445 nm）和黄光（560 nm）的双峰发射。通信实验的硬件设置包括脉冲模式发生器、APD（雪崩光电二极管）、光谱仪和宽带示波器等，测试了系统的带宽、数据速率及误码率（Bit Error Rate，BER）。
使用非归零开关键控（NRZ-OOK）调制方案： - 白光系统实现了最大 300 Mbps 的数据速率，误码率为 2.0 × 10^-3，低于前向纠错（FEC）标准（3.8 × 10^-3）。 - 单独使用量子点部分，数据速率达到 190 Mbps，且误码率为 3.5 × 10^-3。
通过半年后的测试： - 系统的白光光谱峰值略有蓝移，黄光强度衰减约 10.5%，但带宽几乎无明显下降（白光系统保持 83 MHz，量子点部分保持 70 MHz）。
本研究首次将高带宽蓝光 μLED 与钙钛矿量子点结合，开发了一种稳定的高带宽白光系统。结论如下： - 该系统实现了高速数据传输（300 Mbps），为将来 VLC 技术的进一步发展提供了技术基础。 - 系统的稳定性表现优异，为在固态照明中拓展 VLC 应用打开了新方向。 - 此研究展示了钙钛矿量子点作为高效光学转换器件的可能性，同时提出了通过进一步优化量子点性能来提高系统带宽的方向。
这项研究为 VLC 的发展提供了重要的实验数据和理论支持。未来可通过设计数组 μLED 或优化光学结构进一步提升系统性能，高速并行 VLC 也将成为可能。此外，在家庭照明、车联网以及医疗领域，这种无线通信技术也具有极大的创新应用潜力。