Ultrafast 2 × 2 green micro-LED array for optical wireless communication beyond 5 Gbit/s

Abstract

A green <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline" id="m1"> <mml:mrow> <mml:mn>2</mml:mn> <mml:mo>×</mml:mo> <mml:mn>2</mml:mn> </mml:mrow> </mml:math> micro light-emitting diode ( <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline" id="m2"> <mml:mrow> <mml:mi mathvariant="normal">μ</mml:mi> <mml:mtext>-</mml:mtext> <mml:mi>LED</mml:mi> </mml:mrow> </mml:math> ) array with nanostructured grating patterns grown on a semipolar (20-21)-oriented gallium nitride (GaN) buffered layer on (22-43)-oriented sapphire substrate is specially transistor-outline can (TO-can) packaged with a sub-miniature-A (SMA) connector for high-speed data communication beyond 5 Gbit/s. Through a specific design for suppressing the quantum-confined Stark effect (QCSE) in the green <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline" id="m3"> <mml:mrow> <mml:mn>2</mml:mn> <mml:mo>×</mml:mo> <mml:mn>2</mml:mn> <mml:mtext> </mml:mtext> <mml:mi mathvariant="normal">μ</mml:mi> <mml:mtext>-</mml:mtext> <mml:mi>LED</mml:mi> </mml:mrow> </mml:math> array with a low polarization-related electric field and flat quantum well band diagram, the green <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline" id="m4"> <mml:mrow> <mml:mn>2</mml:mn> <mml:mo>×</mml:mo> <mml:mn>2</mml:mn> <mml:mtext> </mml:mtext> <mml:mi mathvariant="normal">μ</mml:mi> <mml:mtext>-</mml:mtext> <mml:mi>LED</mml:mi> </mml:mrow> </mml:math> array exhibits a turn-on voltage of 2.5 V and output power of 0.3 mW at <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline" id="m5"> <mml:mrow> <mml:mn>1</mml:mn> <mml:mtext> </mml:mtext> <mml:mi mathvariant="normal">A</mml:mi> <mml:mo>/</mml:mo> <mml:msup> <mml:mrow> <mml:mi>cm</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>2</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msup> </mml:mrow> </mml:math> . The green <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline" id="m6"> <mml:mrow> <mml:mn>2</mml:mn> <mml:mo>×</mml:mo> <mml:mn>2</mml:mn> <mml:mtext> </mml:mtext> <mml:mi mathvariant="normal">μ</mml:mi> <mml:mtext>-</mml:mtext> <mml:mi>LED</mml:mi> </mml:mrow> </mml:math> array also reveals a wavelength shift from 543 nm to 537 nm smaller than that of conventional devices grown on <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline" id="m7"> <mml:mrow> <mml:mi>c</mml:mi> </mml:mrow> </mml:math> -plane buffered GaN substrate due to the inhibited QCSE. The 50 µm emission aperture of the green <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline" id="m8"> <mml:mrow> <mml:mn>2</mml:mn> <mml:mo>×</mml:mo> <mml:mn>2</mml:mn> <mml:mtext> </mml:mtext> <mml:mi mathvariant="normal">μ</mml:mi> <mml:mtext>-</mml:mtext> <mml:mi>LED</mml:mi> </mml:mrow> </mml:math> array ensures a lower capacitance for a larger <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline" id="m9"> <mml:mrow> <mml:mo form="prefix">−</mml:mo> <mml:mn>3</mml:mn> <mml:mtext> </mml:mtext> <mml:mi>dB</mml:mi> </mml:mrow> </mml:math> modulation bandwidth, which exhibits <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline" id="m10"> <mml:mrow> <mml:mo form="prefix">−</mml:mo> <mml:mn>1</mml:mn> <mml:mtext> </mml:mtext> <mml:mi>dB</mml:mi> </mml:mrow> </mml:math> power compression at a larger bias under high-speed operation, as it is less affected by the high resistance of the single <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline" id="m11"> <mml:mrow> <mml:mi mathvariant="normal">μ</mml:mi> <mml:mtext>-</mml:mtext> <mml:mi>LED</mml:mi> </mml:mrow> </mml:math> element. With a specific TO-can+SMA package, the green <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline" id="m12"> <mml:mrow> <mml:mn>2</mml:mn> <mml:mo>×</mml:mo> <mml:mn>2</mml:mn> <mml:mtext> </mml:mtext> <mml:mi mathvariant="normal">μ</mml:mi> <mml:mtext>-</mml:mtext> <mml:mi>LED</mml:mi> </mml:mrow> </mml:math> array exhibits maximal data rates exceeding 1.5 Gbit/s for the non-return-to-zero on–off keying format and beyond 5.02 Gbit/s for the bit-loaded discrete multitone (BL-DMT) format, which is very promising for optical wireless communication. As the sampling rate increases from 4 GSa/s to 16 GSa/s, the <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline" id="m13"> <mml:mrow> <mml:mi mathvariant="normal">μ</mml:mi> <mml:mtext>-</mml:mtext> <mml:mi>LED</mml:mi> </mml:mrow> </mml:math> array’s received signal-to-noise ratio (SNR) improves dramatically from 15.4 dB to 12.2 dB. The SNR remains about 15.4 dB, with a matching bit-error ratio (BER) of <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline" id="m14"> <mml:mrow> <mml:mn>2.7</mml:mn> <mml:mo>×</mml:mo> <mml:msup> <mml:mrow> <mml:mn>10</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>−</mml:mo> <mml:mn>3</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msup> </mml:mrow> </mml:math> , whereas the 10-fold oversampling of the eight-ray quadrature amplitude modulation orthogonal frequency-division multiplexing (8-QAM OFDM) data stream with 16 GSa/s appears to reduce the SNR by <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline" id="m15"> <mml:mrow> <mml:mo form="prefix">−</mml:mo> <mml:mn>3</mml:mn> <mml:mtext> </mml:mtext> <mml:mi>dB</mml:mi> </mml:mrow> </mml:math> , resulting in a decoded BER of <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline" id="m16"> <mml:mrow> <mml:mn>3.3</mml:mn> <mml:mo>×</mml:mo> <mml:msup> <mml:mrow> <mml:mn>10</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>−</mml:mo> <mml:mn>3</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msup> </mml:mrow> </mml:math> . The green <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline" id="m17"> <mml:mrow> <mml:mn>2</mml:mn> <mml:mo>×</mml:mo> <mml:mn>2</mml:mn> <mml:mtext> </mml:mtext> <mml:mi mathvariant="normal">μ</mml:mi> <mml:mtext>-</mml:mtext> <mml:mi>LED</mml:mi> </mml:mrow> </mml:math> array has demonstrated greater potential in data transmission beyond 5 Gbit/s using the BL-DMT algorithm for future applications in domains of visible light communication or optical wireless communication when packaged with handed mobile devices.