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、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(xiàn)，紫外熒光管技術(shù)在18世紀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

　　在通信方面，紫外光通信速率遠不及可見光通信，但紫外光作為不可見光，通信具有低分辨率、低竊聽率、保密性高的獨特優(yōu)點。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，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(shù)規(guī)律衰減，這種強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、保密性好、非視距通信以及全方位通信等優(yōu)點，成為國內(nèi)外軍事技術(shù)人員研究的焦點。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)先研究計劃局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）于2002年啟動了研制可變波長的晶體管紫外光發(fā)射器的項目，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。

　　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驗樣機，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模組標定輸出功率超過32mW，這些研究成果促進了紫外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驗系統(tǒng)。

　　紫外LED調(diào)制速率特性

　　紫外光通信系統(tǒng)研制單位對外公布的技術(shù)指標均為系統(tǒng)級參數(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)商也僅對出廠產(chǎn)品的直流參數(shù)進行測試，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)下工作才能實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，對紫外LED的調(diào)制速率、調(diào)制光譜等調(diào)制特性進行研究，將會促進紫外LED在紫外光通信領(lǐng)域的應(yīng)用。

　?。?）紫外LED調(diào)制速率測試原理

　　紫外LED調(diào)制速率測試原理如下圖所示，各實驗設(shè)備說明如下：

　　①函數(shù)發(fā)生器：采用Agilent的33250A產(chǎn)生標準方波信號，用于驅(qū)動紫外LED。

　　②紫外LED：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。

　　③探測器（Si）：采用THORLABS生產(chǎn)的PDA10A EC高速探測器，適用波長范圍200~1100nm，響應(yīng)時間為1ns。

　　④信號放大器：本實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放大功能的，需要選擇相應(yīng)的信號放大器。

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

　　（2）驅(qū)動信號測試

　　函數(shù)發(fā)生器33250A產(chǎn)生方波的上升/下降時間小于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(diào)制速率下的驅(qū)動信號如下圖所示。

　　圖2 不同調(diào)制速率下的驅(qū)動信號

　　實驗結(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)信號的質(zhì)量將直接影響紫外LED的調(diào)制信號，所以后期必須研制調(diào)制速率高、信號質(zhì)量好的方波信號產(chǎn)生器，作為紫外LED的專用驅(qū)動源。

　?。?）高速探測器響應(yīng)

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

　　實驗結(jié)果如下圖所示，圖中幅值較高的曲線為驅(qū)動信號，幅值較低的曲線是探測器響應(yīng)。圖（c）表明高速探測器可以準確地探測到紫外LED的10MHz調(diào)制信號。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)動電源，有望得到更理想的結(jié)果。

　　圖3 高速探測器對不同調(diào)制頻率信號的響應(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，為驗證調(diào)制狀態(tài)下紫外LED的光譜特性，本實驗對青島杰生電氣有限公司的280nm紫外LED進行了調(diào)制光譜測試，測試原理如下圖所示。

　　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(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，調(diào)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(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，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。

　　實驗結(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，適合用作紫外光通信光源。本文對紫外LED調(diào)制速率及調(diào)制光譜特性進行了充分的實驗研究，結(jié)果表明紫外 LED的調(diào)制速率能達到10MHz，調(diào)制工作狀態(tài)能很好的保持其光譜特性，這些實驗數(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。