詳析紫外LED在光通信領域的應用

　　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、水處理等領域，其中紫外光源的殺菌特性早在17世紀初期就被發現，紫外熒光管技術在18世紀50年代開始應用，這些技術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、保密性高的獨特優點。①低分辨率：紫外光是不可見光，肉眼很難發現紫外光源的存在；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調整系統的發射功率，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點，成為國內外軍事技術人員研究的焦點。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展。

　　為解決紫外光通信光源問題，美國國防預先研究計劃局（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射器的項目，并成功研制出波長為274nm的日盲區紫外光發光二極管（UVED）。與低壓汞燈相比，紫外LED具有體積小、壽命長、低壓供電、可以數字調制等優點。

　　紫外LED優異的特性使其一經問世就被應用于紫外光通信領域。麻省理工大學于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的范圍內通信速率為200b/s；以色列本固里安大學、英國航太系統公司、加利福尼亞大學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細節均處于高度保密狀態。

　　2010年國內首條波長280nm的深紫外發光二極管（UV LED）生產線在青島杰生電氣有限公司實現商業化量產，2011年青島杰生電氣有限公司生產的波長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在紫外光通信領域的應用。2010年重慶大學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生產商也僅對出廠產品的直流參數進行測試，如工作電壓/電流、峰值波長及半寬度等。而紫外光通信系統的光源只有在調制狀態下工作才能實現數據傳輸，對紫外LED的調制速率、調制光譜等調制特性進行研究，將會促進紫外LED在紫外光通信領域的應用。

　　（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，各實驗設備說明如下：

　　①函數發生器：采用Agilent的33250A產生標準方波信號，用于驅動紫外LED。

　　②紫外LED：采用青島杰生電氣有限公司生產的T039封裝的單顆280nm紫外LED，輸出功率》0.6mW。

　　③探測器（Si）：采用THORLABS生產的PDA10A EC高速探測器，適用波長范圍200~1100nm，響應時間為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，需要選擇相應的信號放大器。

　　⑤數字示波器：選擇泰克DP07054型號的存儲示波器，帶寬為500MHz。

　　（2）驅動信號測試

　　函數發生器33250A產生方波的上升/下降時間小于5ns，占空比為50%，技術指標上標明可產生80MHz的方波。不同調制速率下的驅動信號如下圖所示。

　　圖2 不同調制速率下的驅動信號

　　實驗結果顯示，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。觸發信號的質量將直接影響紫外LED的調制信號，所以后期必須研制調制速率高、信號質量好的方波信號產生器，作為紫外LED的專用驅動源。

　　（3）高速探測器響應

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

　　實驗結果如下圖所示，圖中幅值較高的曲線為驅動信號，幅值較低的曲線是探測器響應。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，通過采用專用的紫外LED驅動電源，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

　　紫外LED調制光譜特性

　　紫外LED直流狀態下的半波寬度一般小于12nm，為驗證調制狀態下紫外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進行了調制光譜測試，測試原理如下圖所示。

　　主要儀器設備參數如下：

　　（1）函數發生器、紫外LED：與圖1中采用的設備相同。

　　（2）紫外光譜儀：采用Horiba Jobin Yvon公司生產的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，調制狀態光譜與直流狀態下的光譜相差較大，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，紫外光譜儀得到的調制狀態下和直流狀態下的紫外LED光譜曲線基本一致。

　　實驗結果表明，紫外LED在調制狀態下可以很好地保持其光譜特性，保證其直流工作狀態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、低壓供電等特點，適合用作紫外光通信光源。本文對紫外LED調制速率及調制光譜特性進行了充分的實驗研究，結果表明紫外 LED的調制速率能達到10MHz，調制工作狀態能很好的保持其光譜特性，這些實驗數據為紫外LED在紫外光通信領域的應用提供了有力的數據支持。紫外 LED將在不久的將來廣泛應用于紫外輻射、紫外光通信等領域。