详析紫外LED在光通信领域的应用

　　目前紫外光源已广泛应用于医疗杀菌、荧光光谱分析、生物分析/检测、水处理等领域，其中紫外光源的杀菌特性早在17世纪初期就被发现，紫外荧光管技术在18世纪50年代开始应用，这些技术采用的紫外光源均是气体放电灯（如低压汞灯）。

　　紫外LED通信的优势

　　在通信方面，紫外光通信速率远不及可见光通信，但紫外光作为不可见光，通信具有低分辨率、低窃听率、保密性高的独特优点。①低分辨率：紫外光是不可见光，肉眼很难发现紫外光源的存在；紫外光通过大气散射向四面八方传播信号，因而很难从散射信号中判断出紫外光源的所在位置。②低窃听率：由于大气分子、悬浮粒子的强吸收作用，紫外光信号的强度按指数规律衰减，这种强度衰减是距离的函数，因此可根据通信距离的要求来调整系统的发射功率，使其在非通信区域的辐射功率减至最小，难以截获。

　　作为一种新型的军事通信系统，紫外光通信具有抗干扰能力强、保密性好、非视距通信以及全方位通信等优点，成为国内外军事技术人员研究的焦点。然而常规紫外光源（低压汞灯）存在体积大、寿命短、调制速率低、易碎等缺陷，限制了紫外光通信的发展。

　　为解决紫外光通信光源问题，美国国防预先研究计划局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）于2002年启动了研制可变波长的晶体管紫外光发射器的项目，并成功研制出波长为274nm的日盲区紫外光发光二极管（UVED）。与低压汞灯相比，紫外LED具有体积小、寿命长、低压供电、可以数字调制等优点。

　　紫外LED优异的特性使其一经问世就被应用于紫外光通信领域。麻省理工大学于2005年利用DARPA制造的274nm紫外LED作为光源，研制了一套紫外光通信实验样机，非直视通信，在 100m的范围内通信速率为200b/s；以色列本固里安大学、英国航太系统公司、加利福尼亚大学等其他科研单位也建立了基于紫外LED的紫外光通信系统。但是他们研究工作的具体情况和技术细节均处于高度保密状态。

　　2010年国内首条波长280nm的深紫外发光二极管（UV LED）生产线在青岛杰生电气有限公司实现商业化量产，2011年青岛杰生电气有限公司生产的波长280nm深紫外LED模组标定输出功率超过32mW，这些研究成果促进了紫外LED在紫外光通信领域的应用。2010年重庆大学搭建的紫外光通信系统调制速率达到7Mb/s，2010年中科院空间与应用研究中心利用紫外LED阵列搭建了紫外光图像传输实验系统。

　　紫外LED调制速率特性

　　紫外光通信系统研制单位对外公布的技术指标均为系统级参数，如数据传输速率、传输距离及误码率等；紫外LED生产商也仅对出厂产品的直流参数进行测试，如工作电压/电流、峰值波长及半宽度等。而紫外光通信系统的光源只有在调制状态下工作才能实现数据传输，对紫外LED的调制速率、调制光谱等调制特性进行研究，将会促进紫外LED在紫外光通信领域的应用。

　　（1）紫外LED调制速率测试原理

　　紫外LED调制速率测试原理如下图所示，各实验设备说明如下：

　　①函数发生器：采用Agilent的33250A产生标准方波信号，用于驱动紫外LED。

　　②紫外LED：采用青岛杰生电气有限公司生产的T039封装的单颗280nm紫外LED，输出功率》0.6mW。

　　③探测器（Si）：采用THORLABS生产的PDA10A EC高速探测器，适用波长范围200~1100nm，响应时间为1ns。

　　④信号放大器：本实验采用的探测器自身就有信号滤波放大作用，如果探测器选择电流输出且无放大功能的，需要选择相应的信号放大器。

　　⑤数字示波器：选择泰克DP07054型号的存储示波器，带宽为500MHz。

　　（2）驱动信号测试

　　函数发生器33250A产生方波的上升/下降时间小于5ns，占空比为50%，技术指标上标明可产生80MHz的方波。不同调制速率下的驱动信号如下图所示。

　　图2 不同调制速率下的驱动信号

　　实验结果显示，频率为30MHz的方波已接近于正弦波；频率为10MHz的方波，上升/下降沿具有明显的突起。触发信号的质量将直接影响紫外LED的调制信号，所以后期必须研制调制速率高、信号质量好的方波信号产生器，作为紫外LED的专用驱动源。

　　（3）高速探测器响应

　　本实验选用THORLABS生产的PDA10A EC型号探测器，适用波长范围为200~1100nm，响应时间为1ns。理论上可响应频率为500MHz，占空比为50%的方波信号。

　　实验结果如下图所示，图中幅值较高的曲线为驱动信号，幅值较低的曲线是探测器响应。图（c）表明高速探测器可以准确地探测到紫外LED的10MHz调制信号。因此，采用紫外LED作为紫外光通信的光源，可将数据传输速率提升至10Mb/s，通过采用专用的紫外LED驱动电源，有望得到更理想的结果。

　　图3 高速探测器对不同调制频率信号的响应曲线

　　紫外LED调制光谱特性

　　紫外LED直流状态下的半波宽度一般小于12nm，为验证调制状态下紫外LED的光谱特性，本实验对青岛杰生电气有限公司的280nm紫外LED进行了调制光谱测试，测试原理如下图所示。

　　主要仪器设备参数如下：

　　（1）函数发生器、紫外LED：与图1中采用的设备相同。

　　（2）紫外光谱仪：采用Horiba Jobin Yvon公司生产的iHR550型号光谱仪，光谱范围为200~1100nm，光谱仪分辨率为0.025nm；光谱准确度为±0.2nm；重复精度为±0.075nm。

　　紫外LED不同调制速率下的光谱特性如下图所示，频率在50Hz和80Hz时，调制状态光谱与直流状态下的光谱相差较大，因为紫外光谱仪的采样频率大于紫外LED调制频率。

　　图5 紫外LED不同调制速率下的光谱

　　紫外LED的调制频率（100Hz）大于紫外光谱仪的采样频率时，紫外光谱仪得到的调制状态下和直流状态下的紫外LED光谱曲线基本一致。

　　实验结果表明，紫外LED在调制状态下可以很好地保持其光谱特性，保证其直流工作状态下的光谱在日盲区范围内就可应用于紫外光通信系统。

　　结论

　　紫外LED具有体积小、寿命长、低压供电等特点，适合用作紫外光通信光源。本文对紫外LED调制速率及调制光谱特性进行了充分的实验研究，结果表明紫外 LED的调制速率能达到10MHz，调制工作状态能很好的保持其光谱特性，这些实验数据为紫外LED在紫外光通信领域的应用提供了有力的数据支持。紫外 LED将在不久的将来广泛应用于紫外辐射、紫外光通信等领域。