詳析紫外LED在光通信領(lǐng)域的應(yīng)用

　　目前紫外光源已廣泛應(yīng)用于醫(yī)療殺菌、熒光光譜分析、生物分析/檢測(cè)、水處理等領(lǐng)域，其中紫外光源的殺菌特性早在17世紀(jì)初期就被發(fā)現(xiàn)，紫外熒光管技術(shù)在18世紀(jì)50年代開始應(yīng)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(shì)

　　在通信方面，紫外光通信速率遠(yuǎn)不及可見光通信，但紫外光作為不可見光，通信具有低分辨率、低竊聽率、保密性高的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。①低分辨率：紫外光是不可見光，肉眼很難發(fā)現(xiàn)紫外光源的存在；紫外光通過大氣散射向四面八方傳播信號(hào)，因而很難從散射信號(hào)中判斷出紫外光源的所在位置。②低竊聽率：由于大氣分子、懸浮粒子的強(qiáng)吸收作用，紫外光信號(hào)的強(qiáng)度按指數(shù)規(guī)律衰減，這種強(qiáng)度衰減是距離的函數(shù)，因此可根據(jù)通信距離的要求來調(diào)整系統(tǒng)的發(fā)射功率，使其在非通信區(qū)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(tǒng)，紫外光通信具有抗干擾能力強(qiáng)、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(nèi)外軍事技術(shù)人員研究的焦點(diǎn)。然而常規(guī)紫外光源（低壓汞燈）存在體積大、壽命短、調(diào)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題，美國國防預(yù)先研究計(jì)劃局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）于2002年啟動(dòng)了研制可變波長的晶體管紫外光發(fā)射器的項(xiàng)目，并成功研制出波長為274nm的日盲區(qū)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、低壓供電、可以數(shù)字調(diào)制等優(yōu)點(diǎn)。

　　紫外LED優(yōu)異的特性使其一經(jīng)問世就被應(yīng)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(yàn)樣機(jī)，非直視通信，在 100m的范圍內(nèi)通信速率為200b/s；以色列本固里安大學(xué)、英國航太系統(tǒng)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(tǒng)。但是他們研究工作的具體情況和技術(shù)細(xì)節(jié)均處于高度保密狀態(tài)。

　　2010年國內(nèi)首條波長280nm的深紫外發(fā)光二極管（UV LED）生產(chǎn)線在青島杰生電氣有限公司實(shí)現(xiàn)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280nm深紫外LED模組標(biāo)定輸出功率超過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(yīng)用。2010年重慶大學(xué)搭建的紫外光通信系統(tǒng)調(diào)制速率達(dá)到7Mb/s，2010年中科院空間與應(yīng)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(yàn)系統(tǒng)。

　　紫外LED調(diào)制速率特性

　　紫外光通信系統(tǒng)研制單位對(duì)外公布的技術(shù)指標(biāo)均為系統(tǒng)級(jí)參數(shù)，如數(shù)據(jù)傳輸速率、傳輸距離及誤碼率等；紫外LED生產(chǎn)商也僅對(duì)出廠產(chǎn)品的直流參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，如工作電壓/電流、峰值波長及半寬度等。而紫外光通信系統(tǒng)的光源只有在調(diào)制狀態(tài)下工作才能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，對(duì)紫外LED的調(diào)制速率、調(diào)制光譜等調(diào)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(yīng)用。

　　（1）紫外LED調(diào)制速率測(cè)試原理

　　紫外LED調(diào)制速率測(cè)試原理如下圖所示，各實(shí)驗(yàn)設(shè)備說明如下：

　?、?a class="contentlabel" href="http://2s4d.com/news/listbylabel/label/函數(shù)發(fā)生器">函數(shù)發(fā)生器：采用Agilent的33250A產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)方波信號(hào)，用于驅(qū)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(cè)器（Si）：采用THORLABS生產(chǎn)的PDA10A EC高速探測(cè)器，適用波長范圍200~1100nm，響應(yīng)時(shí)間為1ns。

　　④信號(hào)放大器：本實(shí)驗(yàn)采用的探測(cè)器自身就有信號(hào)濾波放大作用，如果探測(cè)器選擇電流輸出且無放大功能的，需要選擇相應(yīng)的信號(hào)放大器。

　?、輸?shù)字示波器：選擇泰克DP07054型號(hào)的存儲(chǔ)示波器，帶寬為500MHz。

　　（2）驅(qū)動(dòng)信號(hào)測(cè)試

　　函數(shù)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(biāo)上標(biāo)明可產(chǎn)生80MHz的方波。不同調(diào)制速率下的驅(qū)動(dòng)信號(hào)如下圖所示。

　　圖2 不同調(diào)制速率下的驅(qū)動(dòng)信號(hào)

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)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(hào)的質(zhì)量將直接影響紫外LED的調(diào)制信號(hào)，所以后期必須研制調(diào)制速率高、信號(hào)質(zhì)量好的方波信號(hào)產(chǎn)生器，作為紫外LED的專用驅(qū)動(dòng)源。

　　（3）高速探測(cè)器響應(yīng)

　　本實(shí)驗(yàn)選用THORLABS生產(chǎn)的PDA10A EC型號(hào)探測(cè)器，適用波長范圍為200~1100nm，響應(yīng)時(shí)間為1ns。理論上可響應(yīng)頻率為500MHz，占空比為50%的方波信號(hào)。

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下圖所示，圖中幅值較高的曲線為驅(qū)動(dòng)信號(hào)，幅值較低的曲線是探測(cè)器響應(yīng)。圖（c）表明高速探測(cè)器可以準(zhǔn)確地探測(cè)到紫外LED的10MHz調(diào)制信號(hào)。因此，采用紫外LED作為紫外光通信的光源，可將數(shù)據(jù)傳輸速率提升至10Mb/s，通過采用專用的紫外LED驅(qū)動(dòng)電源，有望得到更理想的結(jié)果。

　　圖3 高速探測(cè)器對(duì)不同調(diào)制頻率信號(hào)的響應(yīng)曲線

　　紫外LED調(diào)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(yàn)證調(diào)制狀態(tài)下紫外LED的光譜特性，本實(shí)驗(yàn)對(duì)青島杰生電氣有限公司的280nm紫外LED進(jìn)行了調(diào)制光譜測(cè)試，測(cè)試原理如下圖所示。

　　主要儀器設(shè)備參數(shù)如下：

　?。?）函數(shù)發(fā)生器、紫外LED：與圖1中采用的設(shè)備相同。

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

　　紫外LED不同調(diào)制速率下的光譜特性如下圖所示，頻率在50Hz和80Hz時(shí)，調(diào)制狀態(tài)光譜與直流狀態(tài)下的光譜相差較大，因?yàn)樽贤夤庾V儀的采樣頻率大于紫外LED調(diào)制頻率。

　　圖5 紫外LED不同調(diào)制速率下的光譜

　　紫外LED的調(diào)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(diào)制狀態(tài)下和直流狀態(tài)下的紫外LED光譜曲線基本一致。

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，紫外LED在調(diào)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(qū)范圍內(nèi)就可應(yīng)用于紫外光通信系統(tǒng)。

　　結(jié)論

　　紫外LED具有體積小、壽命長、低壓供電等特點(diǎn)，適合用作紫外光通信光源。本文對(duì)紫外LED調(diào)制速率及調(diào)制光譜特性進(jìn)行了充分的實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明紫外 LED的調(diào)制速率能達(dá)到10MHz，調(diào)制工作狀態(tài)能很好的保持其光譜特性，這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為紫外LED在紫外光通信領(lǐng)域的應(yīng)用提供了有力的數(shù)據(jù)支持。紫外 LED將在不久的將來廣泛應(yīng)用于紫外輻射、紫外光通信等領(lǐng)域。