基于紫外无线通信系统关键光器件选型方案研究.docVIP

基于紫外无线通信系统关键光器件的选型方案研究 随着通信技术的快速发展，无线通信必威体育官网网址性较差以及有线通信投资大、难以建设、易于受破坏的缺点日益凸显，自由空间光通信也因可靠性较差而在应用上有一定局限性。近年来，日盲区紫外通信因其低窃听、全方位、低位辨以及抗干扰能力强的优点成为业界研究方向之一，文介绍了日盲紫外无线通信系统的基本框架，重点分析了该系统关键光器件的选型方案。 　　1 紫外无线通信系统结构 　　波长位于200～280 nm谱段的太阳辐射被臭氧层强烈吸收，因此这个谱段的紫外辐射在海平面附近几乎衰减为零，通常将该波段称为“日盲区”。紫外无线通信基本原理就是利用日盲区紫外光进行通信不会受到太阳紫外光干扰这一特性。 图1 紫外无线通信系统整体设计方案 　　紫外无线通信系统是以日盲区紫外光为载波，信息经电信号调制后加载到紫外光上，然后大气作为信道来传输信息的通信系统。该系统与传统通信系统相比，最根本的特点是传输媒质用紫外光代替了无线电，这就导致其调制和解调的方式与传统通信系统有着较大区别，系统一般采用OOK调制方式。如图1为紫外无线通信系统整体设计方案。方案中，紫外无线通信系统发送端用调制后的电信号通过紫外光源激发出紫外光信号，接收端滤光片接收日盲紫外信号并滤除非日盲波段的干扰，紫外探测器进行光／电转换，再将电信号进行解调处理。 　　2 发射端光器件选型 　　紫外光源是发射端关键的光器件，其特性决定整个系统的性能。紫外光源的选择一般需要考虑：选取紫外光源的类型；是否便于系统接收部分对光信号的对准、捕获和跟踪；紫外光源应与发送端光调制部分联系在一起综合考虑；是否易于携带性、其易碎性、响应速度、功耗、对人体的辐射以及价格等因素。目前，常用的日盲区紫外光源有3大类：紫外光灯、紫外激光器和紫外发光二级管(紫外LED)。 　　2．1 紫外光灯 　　普通充气汞灯利用汞蒸气放电产生紫外辐射，根据汞蒸气的气压高低，将充气汞灯分为低压充气汞灯和高压充气汞灯。低压充气汞灯的光源容易获得，它的输出功率小，紫外光能量集中在254 nm。这种灯不但可以制成不同的形状和大小，而且还可在灯管内适当位置设置反光镜，通过增强特定方向上光源亮度实现定向辐射，使其发射功率高达几十瓦甚至上万瓦。但是，它需要高压镇流器并在设置反光镜，方能实现定向辐射。 　　与低压充气汞灯相比，高压充气汞灯的特点是功率密度大，功率高且范围宽，发射光谱能量的分布位于中、长波紫外及可见光范围。作为紫外无线通信的光源，高压充气汞灯的缺点不容忽视：如易碎、寿命较短、高压驱动、难以实现高速率时OOK直接调制、会产生附加谱线、波长254nm时转换效率太低。 　　气体紫外灯的特点可总结为：价格相对便宜、发射功率大、激发电压高、不易高速驱动、体积大且易碎、寿命短。适用于小型基站式的紫外无线通信构架。 　　2．2 紫外激光器 　　紫外激光器具有坚固耐用的显著优点，但由于激光的方向性好，激光的能量集中在一处，对人体的辐射相当严重，同时功率转换效率很低，电源庞大，不易携带、价格昂贵、使用寿命短等缺点也非常明显。因此它并不适用于低成本、低功耗的应用场合，因而在局域无线非视距通信方面的应用受到较大限制。 　　2．3 紫外发光二极管 　　紫外发光二极管(紫外LED)克服了前两者作为紫外通信光源的缺点，具有易于驱动、响应速度快、功耗低、不易碎、体积小、重量轻、经济耐用等优点。尽管目前已研制出的单个紫外LED的输出功率偏小，但采用紫外LED阵列可以克服这个缺点。 　　在综合分析了紫外光源选择原则、各种紫外光源特点以及实用性的基础上，考虑到波长在250 nm附近的紫外LED作为本方案的光源比较合适，据了解，目前只有美国SET公司生产出了商用的UV-C波段(即日盲波段)LED。该公司UV TOP LED是一系列的紫外和深紫外LED，它们的波长位于240～400 mm范围、功率在1．50 mW左右，紫外光功率为数百微瓦量级。 　　根据镜面形状，UV TOP LED一般分3类：平窗镜面型、球形镜面型和椭球镜型。平窗镜面型散射性好，球形镜面型汇聚性好，椭球镜型散射介于二者之间。为了有效利用LED的汇聚性，提高光源的功率利用率，延长通信距离，本方案选用球型镜面型LED。同时，由于单个LED功率偏小，无法满足实际应用环境的功率要求，本方案可采用LED阵列弥补不足。 　　根据UV TOP LED的光电、频谱及温度特性，本方案选用紫外UV TOP TOP255系列中的TO39 BL。该型号LED在T=25℃、前相电流I=20 mA时，直流功耗为150 mW、正向直流为30 mA、反向电压6 V、波长范围255～264 nm、输出光功率300 μW、正向电压6．5 V。 　　3 接收端光器件的选型 　　3．1 紫外探测器 　　在接收端