紫外無線通信系統(tǒng)關(guān)鍵光器件選型方案研究

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摘要：紫外無線通信是一種新型通信方式，為實(shí)現(xiàn)紫外無線通信系統(tǒng)關(guān)鍵光器件選型的目的，依據(jù)日盲紫外光的傳播特性，合理搭建系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中需要的光器件采用工作原理、特性分析對比等方法，實(shí)現(xiàn)了該系統(tǒng)紫外光源、紫外探測器及紫外濾波片三種關(guān)鍵光器件的合理選擇。日盲紫外光器件的選型為紫外無線通信系統(tǒng)整體實(shí)現(xiàn)提供了依據(jù)。
關(guān)鍵詞：紫外無線通信；日盲紫外光；紫外光源；紫外探測器；紫外濾光片
隨著通信技術(shù)的快速發(fā)展，無線通信保密性較差以及有線通信投資大、難以建設(shè)、易于受破壞的缺點(diǎn)日益凸顯，自由空間光通信也因可靠性較差而在應(yīng)用上有一定局限性。近年來，日盲區(qū)紫外通信因其低竊聽、全方位、低位辨以及抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)成為業(yè)界研究方向之一，文介紹了日盲紫外無線通信系統(tǒng)的基本框架，重點(diǎn)分析了該系統(tǒng)關(guān)鍵光器件的選型方案。
1 紫外無線通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
波長位于200～280 nm譜段的太陽輻射被臭氧層強(qiáng)烈吸收，因此這個(gè)譜段的紫外輻射在海平面附近幾乎衰減為零，通常將該波段稱為“日盲區(qū)”。紫外無線通信基本原理就是利用日盲區(qū)紫外光進(jìn)行通信不會(huì)受到太陽紫外光干擾這一特性。

紫外無線通信系統(tǒng)是以日盲區(qū)紫外光為載波，信息經(jīng)電信號(hào)調(diào)制后加載到紫外光上，然后大氣作為信道來傳輸信息的通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)與傳統(tǒng)通信系統(tǒng)相比，最根本的特點(diǎn)是傳輸媒質(zhì)用紫外光代替了無線電，這就導(dǎo)致其調(diào)制和解調(diào)的方式與傳統(tǒng)通信系統(tǒng)有著較大區(qū)別，系統(tǒng)一般采用OOK調(diào)制方式。如圖1為紫外無線通信系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案。方案中，紫外無線通信系統(tǒng)發(fā)送端用調(diào)制后的電信號(hào)通過紫外光源激發(fā)出紫外光信號(hào)，接收端濾光片接收日盲紫外信號(hào)并濾除非日盲波段的干擾，紫外探測器進(jìn)行光／電轉(zhuǎn)換，再將電信號(hào)進(jìn)行解調(diào)處理。
2 發(fā)射端光器件選型
紫外光源是發(fā)射端關(guān)鍵的光器件，其特性決定整個(gè)系統(tǒng)的性能。紫外光源的選擇一般需要考慮：選取紫外光源的類型；是否便于系統(tǒng)接收部分對光信號(hào)的對準(zhǔn)、捕獲和跟蹤；紫外光源應(yīng)與發(fā)送端光調(diào)制部分聯(lián)系在一起綜合考慮；是否易于攜帶性、其易碎性、響應(yīng)速度、功耗、對人體的輻射以及價(jià)格等因素。目前，常用的日盲區(qū)紫外光源有3大類：紫外光燈、紫外激光器和紫外發(fā)光二級(jí)管(紫外LED)。
2．1 紫外光燈
普通充氣汞燈利用汞蒸氣放電產(chǎn)生紫外輻射，根據(jù)汞蒸氣的氣壓高低，將充氣汞燈分為低壓充氣汞燈和高壓充氣汞燈。低壓充氣汞燈的光源容易獲得，它的輸出功率小，紫外光能量集中在254 nm。這種燈不但可以制成不同的形狀和大小，而且還可在燈管內(nèi)適當(dāng)位置設(shè)置反光鏡，通過增強(qiáng)特定方向上光源亮度實(shí)現(xiàn)定向輻射，使其發(fā)射功率高達(dá)幾十瓦甚至上萬瓦。但是，它需要高壓鎮(zhèn)流器并在設(shè)置反光鏡，方能實(shí)
現(xiàn)定向輻射。
與低壓充氣汞燈相比，高壓充氣汞燈的特點(diǎn)是功率密度大，功率高且范圍寬，發(fā)射光譜能量的分布位于中、長波紫外及可見光范圍。作為紫外無線通信的光源，高壓充氣汞燈的缺點(diǎn)不容忽視：如易碎、壽命較短、高壓驅(qū)動(dòng)、難以實(shí)現(xiàn)高速率時(shí)OOK直接調(diào)制、會(huì)產(chǎn)生附加譜線、波長254nm時(shí)轉(zhuǎn)換效率太低。
氣體紫外燈的特點(diǎn)可總結(jié)為：價(jià)格相對便宜、發(fā)射功率大、激發(fā)電壓高、不易高速驅(qū)動(dòng)、體積大且易碎、壽命短。適用于小型基站式的紫外無線通信構(gòu)架。
2．2 紫外激光器
紫外激光器具有堅(jiān)固耐用的顯著優(yōu)點(diǎn)，但由于激光的方向性好，激光的能量集中在一處，對人體的輻射相當(dāng)嚴(yán)重，同時(shí)功率轉(zhuǎn)換效率很低，電源龐大，不易攜帶、價(jià)格昂貴、使用壽命短等缺點(diǎn)也非常明顯。因此它并不適用于低成本、低功耗的應(yīng)用場合，因而在局域無線非視距通信方面的應(yīng)用受到較大限制。
2．3 紫外發(fā)光二極管
紫外發(fā)光二極管(紫外LED)克服了前兩者作為紫外通信光源的缺點(diǎn)，具有易于驅(qū)動(dòng)、響應(yīng)速度快、功耗低、不易碎、體積小、重量輕、經(jīng)濟(jì)耐用等優(yōu)點(diǎn)。盡管目前已研制出的單個(gè)紫外LED的輸出功率偏小，但采用紫外LED陣列可以克服這個(gè)缺點(diǎn)。
在綜合分析了紫外光源選擇原則、各種紫外光源特點(diǎn)以及實(shí)用性的基礎(chǔ)上，考慮到波長在250 nm附近的紫外LED作為本方案的光源比較合適，據(jù)了解，目前只有美國SET公司生產(chǎn)出了商用的UV-C波段(即日盲波段)LED。該公司UV TOP LED是一系列的紫外和深紫外LED，它們的波長位于240～400 mm范圍、功率在1．50 mW左右，紫外光功率為數(shù)百微瓦量級(jí)。
根據(jù)鏡面形狀，UV TOP LED一般分3類：平窗鏡面型、球形鏡面型和橢球鏡型。平窗鏡面型散射性好，球形鏡面型匯聚性好，橢球鏡型散射介于二者之間。為了有效利用LED的匯聚性，提高光源的功率利用率，延長通信距離，本方案選用球型鏡面型LED。同時(shí)，由于單個(gè)LED功率偏小，無法滿足實(shí)際應(yīng)用環(huán)境的功率要求，本方案可采用LED陣列彌補(bǔ)不足。
根據(jù)UV TOP LED的光電、頻譜及溫度特性，本方案選用紫外UV TOP TOP255系列中的TO39 BL。該型號(hào)LED在T=25℃、前相電流I=20 mA時(shí)，直流功耗為150 mW、正向直流為30 mA、反向電壓6 V、波長范圍255～264 nm、輸出光功率300 μW、正向電壓6．5 V。
3 接收端光器件的選型
3．1 紫外探測器
在接收端，紫外探測器將接收到的紫外光轉(zhuǎn)換成所要求的電流或電壓波形。在日盲紫外通信中，理想的紫外探測器應(yīng)有較大的探測面積，高的透過率、極低的暗電流密度和日盲功能。目前，日肓區(qū)紫外探測器主要有雪崩光電二極管(APD)、通道光電倍增管(CPM)和光電倍增管(PMT)3種。
3．1．1 雪崩光電二極管
雪崩二極管APD的增益是通過碰撞電離實(shí)現(xiàn)的，碰撞電離導(dǎo)致光載流子成倍增加。它是具有高增益、高速度的光電探測半導(dǎo)體器件。與PMT相比，APD有較高的量子效率，但暗電流要高5—6個(gè)數(shù)量級(jí)。
3．1．2 通道光電倍增管
通道光電倍增管CPM是一種新型的光探測器，它通過在端窗式光窗口內(nèi)表面安裝一個(gè)半透明的光電陰極，將接收到的非常微弱的入射光轉(zhuǎn)換成光電子，然后光電子從陰極穿過一個(gè)狹窄且彎曲的半導(dǎo)體通道到達(dá)陽極，光電子通過多次撞擊彎曲通道的內(nèi)表面而產(chǎn)生類似于PMT的雪崩效應(yīng)，發(fā)射出倍增的二次電子。彎曲的玻璃管形狀可使增益達(dá)到108。
CPM具有超高靈敏度，其陽極靈敏度與通用的光電倍增管相比提高一個(gè)數(shù)量級(jí)，暗電流降低兩個(gè)數(shù)量級(jí)，動(dòng)態(tài)范圍大，噪聲電平極端穩(wěn)定。適用于高性能的場合。與APD和PMT相比，盡管CPM性能卓越，但其產(chǎn)量較小、價(jià)格昂貴，因而大大限制了它的適用范圍。
3．1．3 光電倍增管
光電倍增管PMT通過對分立光子產(chǎn)生的電脈沖來進(jìn)行光量測量。其二次發(fā)射增益可以達(dá)到，尤其對單個(gè)光子的能量比較靈敏，響應(yīng)速度極高，通過借助電子計(jì)數(shù)方法可檢測到入射光子數(shù)目，從而實(shí)現(xiàn)極弱光強(qiáng)和通量的測量，其在微弱光信號(hào)探測和快速脈沖弱光信號(hào)探測方面起著顯著作用。
目前，日盲型紫外PMT的光電陰極為碲化銫和碘化銫，這兩種材料對太陽和地表輻射不敏感，在紫外區(qū)響應(yīng)范圍為100～280 nm，但普通PMT在波長大于280 nm外的陰極靈敏度仍較高。為此，日本濱松生產(chǎn)的改進(jìn)型日盲紫外PMT在日盲區(qū)外量子效率下降了一半，帶外靈敏度是普通PMT的1％，對日盲區(qū)和可見光的陰級(jí)靈敏度相差3個(gè)數(shù)量級(jí)，比較適合紫外無線通信使用。
在綜合考慮APD、CPN、PMT的器件效率、功耗和成本等因素的基礎(chǔ)上，不難看出PMT具有明顯優(yōu)勢，本方案選用濱松生產(chǎn)的PMT，因其在日盲區(qū)具有良好的量子效率和陰級(jí)靈敏度，且在日盲區(qū)外靈敏度和量子效率下降極快，滿足日盲紫外無線通信系統(tǒng)的需要。
3．2 紫外濾光片的選擇
紫外無線通信在進(jìn)行信號(hào)發(fā)射和接收時(shí)，為了減小各種弧光放電干擾源產(chǎn)生的紫外輻射干擾，提高有用光信號(hào)信噪比，應(yīng)采取相應(yīng)措施對于擾源進(jìn)行屏蔽。由于日盲紫外濾光片具有良好的透過率，本方案選用基于干涉原理的窄帶日盲紫外濾光片，將其安裝在紫外探測器前濾除日盲紫外波段以外其它波段的干擾，以降低背景噪聲，提高系統(tǒng)接收信噪比。目前商用的日盲紫外濾光片，其通帶多位于200～300 nm之間，這對其他波長紫外干擾可起到很好的濾除作用。另外還可采用日盲材料的光學(xué)主鏡進(jìn)行組合式濾光來提高系統(tǒng)的濾光性能。
實(shí)際應(yīng)用中，選擇濾光片應(yīng)綜合考慮的因素主要有：接收端接收信號(hào)的波長范圍；發(fā)射端紫外光源的光譜輻射能量分布；其他紫外輻射源干擾，同時(shí)還應(yīng)考慮到由于紫外濾光片在通帶的能量透過率低，使得由提高光學(xué)系統(tǒng)主鏡口徑帶來的光學(xué)增益下降，而大口徑的光學(xué)系統(tǒng)因?yàn)榧�中較大能量，導(dǎo)致后級(jí)窄帶濾光片溫度上升，以至損壞等因素。
紫外濾光片根據(jù)工作原理的不同分為兩類：干涉紫外濾光片和吸收紫外濾光片。干涉紫外濾光片利用多層介質(zhì)膜中光的干涉作用，得到信號(hào)光的高透過和背景光的高截止。吸收紫外濾光片由一系列具有特殊吸收光譜特性的無機(jī)鹽、有機(jī)染料和有色玻璃結(jié)合透紫外基底構(gòu)成，它對信號(hào)光波段幾乎全透過，而對背景光的某個(gè)波段強(qiáng)吸收。通過對兩種濾光片的性能對比分析，干涉紫外濾光片信號(hào)透過率較高，但背景透過率遠(yuǎn)大于吸收濾光片，因此只能符合短距離通信要求；而吸收紫外濾光片則符合較長距離的通信要求，可以達(dá)到真正日盲條件，滿足大氣光散射通信全天候工作的需求。
以色列OFIL公司生產(chǎn)的日盲紫外濾光片SB—AF在日盲頻段透過率良好，SB—AF在256 nm左右的透光性能最強(qiáng)，而帶外濾光性能非常好，這可減少其它光源的干擾，提高接收信噪比，滿足方案要求。
4 結(jié)束語
本文介紹了日盲紫外光無線通信的基本原理及紫外光無線通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，然后在分析紫外光燈、紫外激光器以及紫外LED的特性的基礎(chǔ)上，完成了接收端日盲紫外光源的選型，接收端光器件包含紫外探測器和濾光片，結(jié)合紫外通信系統(tǒng)的需求，通過分析對比，完成了接收端光器件的選型。日盲紫外光器件的選型為紫外無線通信系統(tǒng)整體實(shí)現(xiàn)提供了依據(jù)。