紫外無(wú)線通信系統(tǒng)關(guān)鍵光器件選型方案研究

1、紫外無(wú)線通信系統(tǒng)關(guān)鍵光器件選型方案研究2013081910:21:43文章來(lái)源：電子技術(shù)導(dǎo)讀:本文介紹了日盲紫外光無(wú)線通信的基本原理及紫外光無(wú)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(cè)器和濾光片，結(jié)合紫外通信系統(tǒng)的需求，通過(guò)分析對(duì)比，完成了接收端光器件的選型。關(guān)鍵字：光器件紫外無(wú)線通信無(wú)線通信APD摘要：紫外無(wú)線通信是一種新型通信方式，為實(shí)現(xiàn)紫外無(wú)

2、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(duì)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(duì)比等方法，實(shí)現(xiàn)了該系統(tǒng)紫外光源、紫外探測(cè)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(wú)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(wú)線通信；日盲紫外光；紫外光源；紫外探測(cè)器；紫外濾光片隨著通信技術(shù)的快速發(fā)展，無(wú)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

3、也因可靠性較差而在應(yīng)用上有一定局限性。近年來(lái)，日盲區(qū)紫外通信因其低竊聽(tīng)、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(wú)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(wú)線通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)紫外無(wú)線通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)波長(zhǎng)位于200～280nm譜段的太陽(yáng)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(chēng)為“日盲區(qū)”。紫外無(wú)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

4、太陽(yáng)紫外光干擾這一特性。紫外無(wú)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(lái)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(wú)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(wú)線通信系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案。方案中，紫外無(wú)線通信系統(tǒng)發(fā)送端用調(diào)制后的電信號(hào)通過(guò)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

5、盲波段的干擾，紫外探測(cè)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(lèi)型；是否便于系統(tǒng)接收部分對(duì)光信號(hào)的對(duì)準(zhǔn)、捕獲和跟蹤；紫外光源應(yīng)與發(fā)送端光調(diào)制在接收端，紫外探測(cè)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(cè)器應(yīng)有較大的探測(cè)面積，高的透過(guò)率、極低的暗電流密度和日盲功能。目前，

6、日肓區(qū)紫外探測(cè)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。311雪崩光電二極管雪崩光電二極管雪崩二極管APD的增益是通過(guò)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(cè)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)。312通道光電倍增管通道光電倍增管通道光電倍增管CPM是一種新型的光探測(cè)器，它通過(guò)在端窗式光窗口內(nèi)表面安裝一個(gè)半透明的光電

7、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(guò)一個(gè)狹窄且彎曲的半導(dǎo)體通道到達(dá)陽(yáng)極，光電子通過(guò)多次撞擊彎曲通道的內(nèi)表面而產(chǎn)生類(lèi)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(yáng)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(chǎng)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

8、大限制了它的適用范圍。313光電倍增管光電倍增管光電倍增管PMT通過(guò)對(duì)分立光子產(chǎn)生的電脈沖來(lái)進(jìn)行光量測(cè)量。其二次發(fā)射增益可以達(dá)到，尤其對(duì)單個(gè)光子的能量比較靈敏，響應(yīng)速度極高，通過(guò)借助電子計(jì)數(shù)方法可檢測(cè)到入射光子數(shù)目，從而實(shí)現(xiàn)極弱光強(qiáng)和通量的測(cè)量，其在微弱光信號(hào)探測(cè)和快速脈沖弱光信號(hào)探測(cè)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(duì)太陽(yáng)和地表輻射不敏感，在紫外區(qū)響應(yīng)范圍為100～280nm，但普通PMT在

9、波長(zhǎng)大于280nm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(duì)日盲區(qū)和可見(jiàn)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(wú)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(shì)，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(wú)線通信系

10、統(tǒng)的需要。32紫外濾光片的選擇紫外濾光片的選擇紫外無(wú)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(duì)于擾源進(jìn)行屏蔽。由于日盲紫外濾光片具有良好的透過(guò)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(cè)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200～300nm之間，這對(duì)其他波長(zhǎng)紫外干擾可

11、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(lái)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(zhǎng)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(guò)率低，使得由提高光學(xué)系統(tǒng)主鏡口徑帶來(lái)的光學(xué)增益下降，而大口徑的光學(xué)系統(tǒng)因?yàn)榧休^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(lèi)：干涉紫外濾光片