紫外无线通信系统关键光器件选型方案研究

摘要：紫外无线通信是一种新型通信方式，为实现紫外无线通信系统关键光器件选型的目的，依据日盲紫外光的传播特性，合理搭建系统结构，对系统结构中需要的光器件采用工作原理、特性分析对比等方法，实现了该系统紫外光源、紫外探测器及紫外滤波片三种关键光器件的合理选择。日盲紫外光器件的选型为紫外无线通信系统整体实现提供了依据。
关键词：紫外无线通信；日盲紫外光；紫外光源；紫外探测器；紫外滤光片

    随着通信技术的快速发展，无线通信保密性较差以及有线通信投资大、难以建设、易于受破坏的缺点日益凸显，自由空间光通信也因可靠性较差而在应用上有一定局限性。近年来，日盲区紫外通信因其低窃听、全方位、低位辨以及抗干扰能力强的优点成为业界研究方向之一，文介绍了日盲紫外无线通信系统的基本框架，重点分析了该系统关键光器件的选型方案。

1 紫外无线通信系统结构
    波长位于200～280 nm谱段的太阳辐射被臭氧层强烈吸收，因此这个谱段的紫外辐射在海平面附近几乎衰减为零，通常将该波段称为“日盲区”。紫外无线通信基本原理就是利用日盲区紫外光进行通信不会受到太阳紫外光干扰这一特性。

    紫外无线通信系统是以日盲区紫外光为载波，信息经电信号调制后加载到紫外光上，然后大气作为信道来传输信息的通信系统。该系统与传统通信系统相比，最根本的特点是传输媒质用紫外光代替了无线电，这就导致其调制和解调的方式与传统通信系统有着较大区别，系统一般采用OOK调制方式。如图1为紫外无线通信系统整体设计方案。方案中，紫外无线通信系统发送端用调制后的电信号通过紫外光源激发出紫外光信号，接收端滤光片接收日盲紫外信号并滤除非日盲波段的干扰，紫外探测器进行光／电转换，再将电信号进行解调处理。

2 发射端光器件选型
    紫外光源是发射端关键的光器件，其特性决定整个系统的性能。紫外光源的选择一般需要考虑：选取紫外光源的类型；是否便于系统接收部分对光信号的对准、捕获和跟踪；紫外光源应与发送端光调制部分联系在一起综合考虑；是否易于携带性、其易碎性、响应速度、功耗、对人体的辐射以及价格等因素。目前，常用的日盲区紫外光源有3大类：紫外光灯、紫外激光器和紫外发光二级管(紫外LED)。
2．1 紫外光灯
    普通充气汞灯利用汞蒸气放电产生紫外辐射，根据汞蒸气的气压高低，将充气汞灯分为低压充气汞灯和高压充气汞灯。低压充气汞灯的光源容易获得，它的输出功率小，紫外光能量集中在254 nm。这种灯不但可以制成不同的形状和大小，而且还可在灯管内适当位置设置反光镜，通过增强特定方向上光源亮度实现定向辐射，使其发射功率高达几十瓦甚至上万瓦。但是，它需要高压镇流器并在设置反光镜，方能实
现定向辐射。
    与低压充气汞灯相比，高压充气汞灯的特点是功率密度大，功率高且范围宽，发射光谱能量的分布位于中、长波紫外及可见光范围。作为紫外无线通信的光源，高压充气汞灯的缺点不容忽视：如易碎、寿命较短、高压驱动、难以实现高速率时OOK直接调制、会产生附加谱线、波长254nm时转换效率太低。
    气体紫外灯的特点可总结为：价格相对便宜、发射功率大、激发电压高、不易高速驱动、体积大且易碎、寿命短。适用于小型基站式的紫外无线通信构架。
2．2 紫外激光器
    紫外激光器具有坚固耐用的显著优点，但由于激光的方向性好，激光的能量集中在一处，对人体的辐射相当严重，同时功率转换效率很低，电源庞大，不易携带、价格昂贵、使用寿命短等缺点也非常明显。因此它并不适用于低成本、低功耗的应用场合，因而在局域无线非视距通信方面的应用受到较大限制。
2．3 紫外发光二极管
    紫外发光二极管(紫外LED)克服了前两者作为紫外通信光源的缺点，具有易于驱动、响应速度快、功耗低、不易碎、体积小、重量轻、经济耐用等优点。尽管目前已研制出的单个紫外LED的输出功率偏小，但采用紫外LED阵列可以克服这个缺点。
    在综合分析了紫外光源选择原则、各种紫外光源特点以及实用性的基础上，考虑到波长在250 nm附近的紫外LED作为本方案的光源比较合适，据了解，目前只有美国SET公司生产出了商用的UV-C波段(即日盲波段)LED。该公司UV TOP LED是一系列的紫外和深紫外LED，它们的波长位于240～400 mm范围、功率在1．50 mW左右，紫外光功率为数百微瓦量级。
    根据镜面形状，UV TOP LED一般分3类：平窗镜面型、球形镜面型和椭球镜型。平窗镜面型散射性好，球形镜面型汇聚性好，椭球镜型散射介于二者之间。为了有效利用LED的汇聚性，提高光源的功率利用率，延长通信距离，本方案选用球型镜面型LED。同时，由于单个LED功率偏小，无法满足实际应用环境的功率要求，本方案可采用LED阵列弥补不足。
    根据UV TOP LED的光电、频谱及温度特性，本方案选用紫外UV TOP TOP255系列中的TO39 BL。该型号LED在T=25℃、前相电流I=20 mA时，直流功耗为150 mW、正向直流为30 mA、反向电压6 V、波长范围255～264 nm、输出光功率300 μW、正向电压6．5 V。

3 接收端光器件的选型
3．1 紫外探测器
    在接收端，紫外探测器将接收到的紫外光转换成所要求的电流或电压波形。在日盲紫外通信中，理想的紫外探测器应有较大的探测面积，高的透过率、极低的暗电流密度和日盲功能。目前，日肓区紫外探测器主要有雪崩光电二极管(APD)、通道光电倍增管(CPM)和光电倍增管(PMT)3种。
3．1．1 雪崩光电二极管
    雪崩二极管APD的增益是通过碰撞电离实现的，碰撞电离导致光载流子成倍增加。它是具有高增益、高速度的光电探测半导体器件。与PMT相比，APD有较高的量子效率，但暗电流要高5—6个数量级。
3．1．2 通道光电倍增管
    通道光电倍增管CPM是一种新型的光探测器，它通过在端窗式光窗口内表面安装一个半透明的光电阴极，将接收到的非常微弱的入射光转换成光电子，然后光电子从阴极穿过一个狭窄且弯曲的半导体通道到达阳极，光电子通过多次撞击弯曲通道的内表面而产生类似于PMT的雪崩效应，发射出倍增的二次电子。弯曲的玻璃管形状可使增益达到108。
    CPM具有超高灵敏度，其阳极灵敏度与通用的光电倍增管相比提高一个数量级，暗电流降低两个数量级，动态范围大，噪声电平极端稳定。适用于高性能的场合。与APD和PMT相比，尽管CPM性能卓越，但其产量较小、价格昂贵，因而大大限制了它的适用范围。
3．1．3 光电倍增管
    光电倍增管PMT通过对分立光子产生的电脉冲来进行光量测量。其二次发射增益可以达到，尤其对单个光子的能量比较灵敏，响应速度极高，通过借助电子计数方法可检测到入射光子数目，从而实现极弱光强和通量的测量，其在微弱光信号探测和快速脉冲弱光信号探测方面起着显著作用。
    目前，日盲型紫外PMT的光电阴极为碲化铯和碘化铯，这两种材料对太阳和地表辐射不敏感，在紫外区响应范围为100～280 nm，但普通PMT在波长大于280 nm外的阴极灵敏度仍较高。为此，日本滨松生产的改进型日盲紫外PMT在日盲区外量子效率下降了一半，带外灵敏度是普通PMT的1％，对日盲区和可见光的阴级灵敏度相差3个数量级，比较适合紫外无线通信使用。
    在综合考虑APD、CPN、PMT的器件效率、功耗和成本等因素的基础上，不难看出PMT具有明显优势，本方案选用滨松生产的PMT，因其在日盲区具有良好的量子效率和阴级灵敏度，且在日盲区外灵敏度和量子效率下降极快，满足日盲紫外无线通信系统的需要。
3．2 紫外滤光片的选择
    紫外无线通信在进行信号发射和接收时，为了减小各种弧光放电干扰源产生的紫外辐射干扰，提高有用光信号信噪比，应采取相应措施对于扰源进行屏蔽。由于日盲紫外滤光片具有良好的透过率，本方案选用基于干涉原理的窄带日盲紫外滤光片，将其安装在紫外探测器前滤除日盲紫外波段以外其它波段的干扰，以降低背景噪声，提高系统接收信噪比。目前商用的日盲紫外滤光片，其通带多位于200～300 nm之间，这对其他波长紫外干扰可起到很好的滤除作用。另外还可采用日盲材料的光学主镜进行组合式滤光来提高系统的滤光性能。
    实际应用中，选择滤光片应综合考虑的因素主要有：接收端接收信号的波长范围；发射端紫外光源的光谱辐射能量分布；其他紫外辐射源干扰，同时还应考虑到由于紫外滤光片在通带的能量透过率低，使得由提高光学系统主镜口径带来的光学增益下降，而大口径的光学系统因为集中较大能量，导致后级窄带滤光片温度上升，以至损坏等因素。
    紫外滤光片根据工作原理的不同分为两类：干涉紫外滤光片和吸收紫外滤光片。干涉紫外滤光片利用多层介质膜中光的干涉作用，得到信号光的高透过和背景光的高截止。吸收紫外滤光片由一系列具有特殊吸收光谱特性的无机盐、有机染料和有色玻璃结合透紫外基底构成，它对信号光波段几乎全透过，而对背景光的某个波段强吸收。通过对两种滤光片的性能对比分析，干涉紫外滤光片信号透过率较高，但背景透过率远大于吸收滤光片，因此只能符合短距离通信要求；而吸收紫外滤光片则符合较长距离的通信要求，可以达到真正日盲条件，满足大气光散射通信全天候工作的需求。
    以色列OFIL公司生产的日盲紫外滤光片SB—AF在日盲频段透过率良好，SB—AF在256 nm左右的透光性能最强，而带外滤光性能非常好，这可减少其它光源的干扰，提高接收信噪比，满足方案要求。

4 结束语
    本文介绍了日盲紫外光无线通信的基本原理及紫外光无线通信系统结构，然后在分析紫外光灯、紫外激光器以及紫外LED的特性的基础上，完成了接收端日盲紫外光源的选型，接收端光器件包含紫外探测器和滤光片，结合紫外通信系统的需求，通过分析对比，完成了接收端光器件的选型。日盲紫外光器件的选型为紫外无线通信系统整体实现提供了依据。