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