紫外無線通信系統關鍵光器件選型方案研究

靳麗君

（西安鐵路職業技術學院 陜西 西安 710014）

隨著通信技術的快速發展，無線通信保密性較差以及有線通信投資大、難以建設、易于受破壞的缺點日益凸顯，自由空間光通信也因可靠性較差而在應用上有一定局限性。近年來，日盲區紫外通信因其低竊聽、全方位、低位辨以及抗干擾能力強的優點成為業界研究方向之一，文介紹了日盲紫外無線通信系統的基本框架，重點分析了該系統關鍵光器件的選型方案。

1 紫外無線通信系統結構

波長位于200～280 nm譜段的太陽輻射被臭氧層強烈吸收，因此這個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”[1]。紫外無線通信基本原理就是利用日盲區紫外光進行通信不會受到太陽紫外光干擾這一特性。

紫外無線通信系統是以日盲區紫外光為載波，信息經電信號調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。該系統與傳統通信系統相比，最根本的特點是傳輸媒質用紫外光代替了無線電，這就導致其調制和解調的方式與傳統通信系統有著較大區別，系統一般采用OOK調制方式[2]。如圖1為紫外無線通信系統整體設計方案。方案中，紫外無線通信系統發送端用調制后的電信號通過紫外光源激發出紫外光信號，接收端濾光片接收日盲紫外信號并濾除非日盲波段的干擾，紫外探測器進行光/電轉換，再將電信號進行解調處理。

圖1 紫外無線通信系統整體方案Fig.1 UV wireless communications systems solutions

2 發射端光器件選型

紫外光源是發射端關鍵的光器件，其特性決定整個系統的性能。紫外光源的選擇一般需要考慮：選取紫外光源的類型；是否便于系統接收部分對光信號的對準、捕獲和跟蹤；紫外光源應與發送端光調制部分聯系在一起綜合考慮；是否易于攜帶性、其易碎性、響應速度、功耗、對人體的輻射以及價格等因素[3]。目前，常用的日盲區紫外光源有3大類：紫外光燈、紫外激光器和紫外發光二級管（紫外LED）。

2.1 紫外光燈

普通充氣汞燈利用汞蒸氣放電產生紫外輻射，根據汞蒸氣的氣壓高低，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，而且還可在燈管內適當位置設置反光鏡，通過增強特定方向上光源亮度實現定向輻射，使其發射功率高達幾十瓦甚至上萬瓦。但是，它需要高壓鎮流器并在設置反光鏡，方能實現定向輻射。

與低壓充氣汞燈相比，高壓充氣汞燈的特點是功率密度大，功率高且范圍寬，發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不容忽視：如易碎、壽命較短、高壓驅動、難以實現高速率時OOK直接調制、會產生附加譜線、波長254 nm時轉換效率太低。

氣體紫外燈的特點可總結為：價格相對便宜、發射功率大、激發電壓高、不易高速驅動、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架。

2.2 紫外激光器

紫外激光器具有堅固耐用的顯著優點，但由于激光的方向性好，激光的能量集中在一處，對人體的輻射相當嚴重，同時功率轉換效率很低，電源龐大，不易攜帶、價格昂貴、使用壽命短等缺點也非常明顯。因此它并不適用于低成本、低功耗的應用場合，因而在局域無線非視距通信方面的應用受到較大限制。

2.3 紫外發光二極管

紫外發光二極管（紫外LED）克服了前兩者作為紫外通信光源的缺點，具有易于驅動、響應速度快、功耗低、不易碎、體積小、重量輕、經濟耐用等優點[4]。盡管目前已研制出的單個紫外LED的輸出功率偏小，但采用紫外LED陣列可以克服這個缺點。

在綜合分析了紫外光源選擇原則、各種紫外光源特點以及實用性的基礎上，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，據了解，目前只有美國SET公司生產出了商用的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 nm范圍、功率在150 mW左右，紫外光功率為數百微瓦量級。

根據鏡面形狀，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，由于單個LED功率偏小，無法滿足實際應用環境的功率要求，本方案可采用LED陣列彌補不足。

根據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LED在T=25℃、前相電流I=20 mA時，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，日盲區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現的，碰撞電離導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個數量級[5]。

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表面安裝一個半透明的光電陰極，將接收到的非常微弱的入射光轉換成光電子，然后光電子從陰極穿過一個狹窄且彎曲的半導體通道到達陽極，光電子通過多次撞擊彎曲通道的內表面而產生類似于PMT的雪崩效應，發射出倍增的二次電子。彎曲的玻璃管形狀可使增益[5]達到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數量級，暗電流降低兩個數量級，動態范圍大，噪聲電平極端穩定。適用于高性能的場合。與APD和PMT相比，盡管CPM性能卓越，但其產量較小、價格昂貴，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通過對分立光子產生的電脈沖來進行光量測量。其二次發射增益可以達到，尤其對單個光子的能量比較靈敏，響應速度極高，通過借助電子計數方法可檢測到入射光子數目，從而實現極弱光強和通量的測量，其在微弱光信號探測和快速脈沖弱光信號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，在紫外區響應范圍為100～280 nm，但普通PMT在波長大于280 nm外的陰極靈敏度仍較高[5]。為此，日本濱松生產的改進型日盲紫外PMT在日盲區外量子效率下降了一半，帶外靈敏度是普通PMT的1%，對日盲區和可見光的陰級靈敏度相差3個數量級，比較適合紫外無線通信使用。

在綜合考慮APD、CPM、PMT的器件效率、功耗和成本等因素的基礎上，不難看出PMT具有明顯優勢，本方案選用濱松生產的PMT，因其在日盲區具有良好的量子效率和陰級靈敏度，且在日盲區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的需要。

3.2 紫外濾光片的選擇

紫外無線通信在進行信號發射和接收時，為了減小各種弧光放電干擾源產生的紫外輻射干擾，提高有用光信號信噪比，應采取相應措施對干擾源進行屏蔽。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主鏡進行組合式濾光來提高系統的濾光性能[6]。

實際應用中，選擇濾光片應綜合考慮的因素主要有：接收端接收信號的波長范圍；發射端紫外光源的光譜輻射能量分布；其他紫外輻射源干擾，同時還應考慮到由于紫外濾光片在通帶的能量透過率低，使得由提高光學系統主鏡口徑帶來的光學增益下降，而大口徑的光學系統因為集中較大能量，導致后級窄帶濾光片溫度上升，以至損壞等因素。

紫外濾光片根據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膜中光的干涉作用，得到信號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鹽、有機染料和有色玻璃結合透紫外基底構成，它對信號光波段幾乎全透過，而對背景光的某個波段強吸收[6]。通過對兩種濾光片的性能對比分析，干涉紫外濾光片信號透過率較高，但背景透過率遠大于吸收濾光片，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，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結構，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，結合紫外通信系統的需求，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整體實現提供了依據。

[1]徐智勇.無線光通信中紫外散射傳播特性的研究[J].光通信技術，2009（11）：99-103.

XU Zhi-yong.UV scatter propagation characteristics of wireless optical communication[J].Optical communication technology，2009（11）：99-103.

[2]張里荃.日盲區紫外線非視距傳輸模型 [J].吉林大學學報，2010（3）：182-187.

ZHANG Li-quan.Day blind ultraviolet NLOS model[J].Journal of Jilin University，2010（3）：182-187.

[3]倪國強.自由大氣紫外光學通信的研究 [J].光學技術，2000（4）：297-303.

NI Guo-qiang.The free atmosphere ultraviolet communication[J].Optical Technique，2000（4）：297-303.

[4]陳君洪.紫外通信中探測器的研究[C]//2008年激光探測與對抗技術研討會論文集，2008.

[5]楊國棟.光電倍增管的現狀與抉擇[C]//江蘇省真空學會第十一屆學術交流會論文集，2007.

[6]徐素芝.大氣光散射通信紫外濾光片技術研究[J].無線光通信，2007（5）：47-51.

XU Su-zhi.UV filter technology in NLOS ultraviolet communication[J].Optical Wireless Communication，2007（5）：47-51.