詳析紫外LED在光通信領(lǐng)域的應用

　　目前紫外光源已廣泛應用于醫療殺菌、熒光光譜分析、生物分析/檢測、水處理等領(lǐng)域，其中紫外光源的殺菌特性早在17世紀初期就被發(fā)現，紫外熒光管技術(shù)在18世紀50年代開(kāi)始應用，這些技術(shù)采用的紫外光源均是氣體放電燈（如低壓汞燈）。

　　紫外LED通信的優(yōu)勢

　　在通信方面，紫外光通信速率遠不及可見(jiàn)光通信，但紫外光作為不可見(jiàn)光，通信具有低分辨率、低竊聽(tīng)率、保密性高的獨特優(yōu)點(diǎn)。①低分辨率：紫外光是不可見(jiàn)光，肉眼很難發(fā)現紫外光源的存在；紫外光通過(guò)大氣散射向四面八方傳播信號，因而很難從散射信號中判斷出紫外光源的所在位置。②低竊聽(tīng)率：由于大氣分子、懸浮粒子的強吸收作用，紫外光信號的強度按指數規律衰減，這種強度衰減是距離的函數，因此可根據通信距離的要求來(lái)調整系統的發(fā)射功率，使其在非通信區域的輻射功率減至最小，難以截獲。

　　作為一種新型的軍事通信系統，紫外光通信具有抗干擾能力強、保密性好、非視距通信以及全方位通信等優(yōu)點(diǎn)，成為國內外軍事技術(shù)人員研究的焦點(diǎn)。然而常規紫外光源（低壓汞燈）存在體積大、壽命短、調制速率低、易碎等缺陷，限制了紫外光通信的發(fā)展。

　　為解決紫外光通信光源問(wèn)題，美國國防預先研究計劃局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）于2002年啟動(dòng)了研制可變波長(cháng)的晶體管紫外光發(fā)射器的項目，并成功研制出波長(cháng)為274nm的日盲區紫外光發(fā)光二極管（UVED）。與低壓汞燈相比，紫外LED具有體積小、壽命長(cháng)、低壓供電、可以數字調制等優(yōu)點(diǎn)。

　　紫外LED優(yōu)異的特性使其一經(jīng)問(wèn)世就被應用于紫外光通信領(lǐng)域。麻省理工大學(xué)于2005年利用DARPA制造的274nm紫外LED作為光源，研制了一套紫外光通信實(shí)驗樣機，非直視通信，在 100m的范圍內通信速率為200b/s；以色列本固里安大學(xué)、英國航太系統公司、加利福尼亞大學(xué)等其他科研單位也建立了基于紫外LED的紫外光通信系統。但是他們研究工作的具體情況和技術(shù)細節均處于高度保密狀態(tài)。

　　2010年國內首條波長(cháng)280nm的深紫外發(fā)光二極管（UV LED）生產(chǎn)線(xiàn)在青島杰生電氣有限公司實(shí)現商業(yè)化量產(chǎn)，2011年青島杰生電氣有限公司生產(chǎn)的波長(cháng)280nm深紫外LED模組標定輸出功率超過(guò)32mW，這些研究成果促進(jìn)了紫外LED在紫外光通信領(lǐng)域的應用。2010年重慶大學(xué)搭建的紫外光通信系統調制速率達到7Mb/s，2010年中科院空間與應用研究中心利用紫外LED陣列搭建了紫外光圖像傳輸實(shí)驗系統。

　　紫外LED調制速率特性

　　紫外光通信系統研制單位對外公布的技術(shù)指標均為系統級參數，如數據傳輸速率、傳輸距離及誤碼率等；紫外LED生產(chǎn)商也僅對出廠(chǎng)產(chǎn)品的直流參數進(jìn)行測試，如工作電壓/電流、峰值波長(cháng)及半寬度等。而紫外光通信系統的光源只有在調制狀態(tài)下工作才能實(shí)現數據傳輸，對紫外LED的調制速率、調制光譜等調制特性進(jìn)行研究，將會(huì )促進(jìn)紫外LED在紫外光通信領(lǐng)域的應用。

　　（1）紫外LED調制速率測試原理

　　紫外LED調制速率測試原理如下圖所示，各實(shí)驗設備說(shuō)明如下：

　?、?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/函數發(fā)生器">函數發(fā)生器：采用Agilent的33250A產(chǎn)生標準方波信號，用于驅動(dòng)紫外LED。

　?、谧贤釲ED：采用青島杰生電氣有限公司生產(chǎn)的T039封裝的單顆280nm紫外LED，輸出功率》0.6mW。

　?、厶綔y器（Si）：采用THORLABS生產(chǎn)的PDA10A EC高速探測器，適用波長(cháng)范圍200~1100nm，響應時(shí)間為1ns。

　?、苄盘柗糯笃鳎罕緦?shí)驗采用的探測器自身就有信號濾波放大作用，如果探測器選擇電流輸出且無(wú)放大功能的，需要選擇相應的信號放大器。

　?、輸底质静ㄆ鳎哼x擇泰克DP07054型號的存儲示波器，帶寬為500MHz。

　　（2）驅動(dòng)信號測試

　　函數發(fā)生器33250A產(chǎn)生方波的上升/下降時(shí)間小于5ns，占空比為50%，技術(shù)指標上標明可產(chǎn)生80MHz的方波。不同調制速率下的驅動(dòng)信號如下圖所示。

　　圖2 不同調制速率下的驅動(dòng)信號

　　實(shí)驗結果顯示，頻率為30MHz的方波已接近于正弦波；頻率為10MHz的方波，上升/下降沿具有明顯的突起。觸發(fā)信號的質(zhì)量將直接影響紫外LED的調制信號，所以后期必須研制調制速率高、信號質(zhì)量好的方波信號產(chǎn)生器，作為紫外LED的專(zhuān)用驅動(dòng)源。

　　（3）高速探測器響應

　　本實(shí)驗選用THORLABS生產(chǎn)的PDA10A EC型號探測器，適用波長(cháng)范圍為200~1100nm，響應時(shí)間為1ns。理論上可響應頻率為500MHz，占空比為50%的方波信號。

　　實(shí)驗結果如下圖所示，圖中幅值較高的曲線(xiàn)為驅動(dòng)信號，幅值較低的曲線(xiàn)是探測器響應。圖（c）表明高速探測器可以準確地探測到紫外LED的10MHz調制信號。因此，采用紫外LED作為紫外光通信的光源，可將數據傳輸速率提升至10Mb/s，通過(guò)采用專(zhuān)用的紫外LED驅動(dòng)電源，有望得到更理想的結果。

　　圖3 高速探測器對不同調制頻率信號的響應曲線(xiàn)

　　紫外LED調制光譜特性

　　紫外LED直流狀態(tài)下的半波寬度一般小于12nm，為驗證調制狀態(tài)下紫外LED的光譜特性，本實(shí)驗對青島杰生電氣有限公司的280nm紫外LED進(jìn)行了調制光譜測試，測試原理如下圖所示。

　　主要儀器設備參數如下：

　?。?）函數發(fā)生器、紫外LED：與圖1中采用的設備相同。

　?。?）紫外光譜儀：采用Horiba Jobin Yvon公司生產(chǎn)的iHR550型號光譜儀，光譜范圍為200~1100nm，光譜儀分辨率為0.025nm；光譜準確度為±0.2nm；重復精度為±0.075nm。

　　紫外LED不同調制速率下的光譜特性如下圖所示，頻率在50Hz和80Hz時(shí)，調制狀態(tài)光譜與直流狀態(tài)下的光譜相差較大，因為紫外光譜儀的采樣頻率大于紫外LED調制頻率。

　　圖5 紫外LED不同調制速率下的光譜

　　紫外LED的調制頻率（100Hz）大于紫外光譜儀的采樣頻率時(shí)，紫外光譜儀得到的調制狀態(tài)下和直流狀態(tài)下的紫外LED光譜曲線(xiàn)基本一致。

　　實(shí)驗結果表明，紫外LED在調制狀態(tài)下可以很好地保持其光譜特性，保證其直流工作狀態(tài)下的光譜在日盲區范圍內就可應用于紫外光通信系統。

　　結論

　　紫外LED具有體積小、壽命長(cháng)、低壓供電等特點(diǎn)，適合用作紫外光通信光源。本文對紫外LED調制速率及調制光譜特性進(jìn)行了充分的實(shí)驗研究，結果表明紫外 LED的調制速率能達到10MHz，調制工作狀態(tài)能很好的保持其光譜特性，這些實(shí)驗數據為紫外LED在紫外光通信領(lǐng)域的應用提供了有力的數據支持。紫外 LED將在不久的將來(lái)廣泛應用于紫外輻射、紫外光通信等領(lǐng)域。