紫外光通信关键技术分析

摘 要： 紫外光通信是一种新兴的无线光通信技术，可作为常规通信手段的一种补充，广泛应用于海陆空专用的局域保密通信，其中关键器件和技术的制备、研究是紫外光通信发展的主要推动力。对这些关键器件和技术进行了分析对比，并指出了今后发展方向。

关键词： 紫外光通信； 紫外光源； 日盲滤光片； 紫外探测器

中图分类号： TN929.12⁃34 文献标识码： A 文章编号： 1004⁃373X（2013）07⁃0036⁃05

0 引 言

军事通信在现代战争中的作用举足轻重，但是现有通信手段还存在很多不足：有线和光纤通信易被破坏，维护困难；无线和微波通信保密性差，易被干扰。为了满足现代战争对通信技术的特殊要求，更新颖、更安全的紫外光通信应运而生。紫外光通信基于大气吸收和散射，可实现非视距通信，具有保密性好、抗干扰能力强等优点，而且机动灵活，可以全方位、全天候的工作[[1]]。非常适合短距离抗干扰的复杂通信环境，在抢险救灾、应急保障和军事行动中都有巨大的发展前景。毫无疑问紫外光通信将受到各军事强国越来越多的重视，而其中关键器件和技术的发展将为紫外光通信带来巨大的变化。

1 紫外光通信的基本原理

太阳光紫外辐射通过地球大气层时，波长在200～280 nm之间的中紫外波段（UVC）[[2]]会被大气平流层中的臭氧强烈吸收，通常称为紫外“日盲区”（Solar Blind）。日盲区的存在为紫外光通信提供了一个无背景噪声的通信环境。此外，紫外光在近地面大气中传输时，会受到大气分子和悬浮粒子的吸收和散射作用。吸收作用带来的衰减将紫外光的传输限定在几千米之内，一定区域外则无法进行截获和侦听，保证了通信的安全性；散射作用改变了紫外光的能量传输方向，这为紫外光NLOS通信奠定了基础。

紫外光通信利用大气散射和吸收，是一种以日盲区紫外光作为传输介质的新型通信模式，

2 关键器件

紫外光通信系统的关键器件包括光源、滤光片和探测器。它们的选择决定着系统的性能和工作特性。

2.1 紫外光源

光源的选择对紫外光通信系统尤为重要。目前，应用于紫外光通信系统的光源主要有紫外气体灯、紫外激光器和紫外光发光二极管三大类。

（1）紫外气体灯

由于器件材料的限制，早期紫外光通信样机多以汞弧灯、汞氙灯等作为光源。但这种紫外灯易碎、寿命短、需要高压驱动，难以实现高速率的开关直接调制，转换效率很低，目前已经很少采用。GTE公司于2000年为美军研制了一种适用于多种近距离抗干扰通信环境的紫外光通信系统，以低压汞灯作为光源[[3]]。这种光源利用低压汞蒸气放电，产生254 nm的高效率紫外辐射。其发射功率可达几十至上百瓦，调制简单易于实现，是一种容易获得的理想光源。

可见，紫外灯功率大、成本低，是紫外光通信中普遍使用的一类光源。但由于其自身缺点，其中很多已经弃之不用。对于一些低速率的紫外光通信样机，适宜采用紫外气体光源，其中，低压汞灯被广泛采用。

（2）紫外激光器

1993年，林肯实验室研制出一种皮秒级脉宽的被动Q开关微芯片激光器，之后以此作为光源实现了通信。这种紫外激光器坚固耐用、易于维护，具有更大的频带宽度和更好的方向性，传输速率可达几百kHz到几MHz，更适用于远距离和高速率的紫外光通信系统。但成本高、效率低，而且技术尚不成熟等都限定了紫外激光器的使用场合，目前主要用于短距离NLOS系统仿真实验和功能验证。2007年中国科学院物理研究所报道了瓦级实用化的全固态266 nm紫外激光器的设计和应用[[4]]，这种全固态的紫外激光器代表着紫外激光器未来的发展方向。

（3）紫外光发光二极管

2002年，美国DARPA启动了半导体紫外光源研究项目（SUVOS）[[5]]，旨在研究并制造紫外波段的LED光源。紫外LED体积小、调制载波频率高，并且功耗低、易高速驱动，突破了传统紫外光源的瓶颈，为紫外光通信带来了新的生机。2005年，MIT林肯实验室首次采用紫外LED作为光源实现了短距离紫外光通信系统[[6]]。虽然目前单个紫外LED辐射功率还比较低，相信随着半导体材料工艺的不断进步，紫外LED性能将更加突出，瓦级功率的深紫外LED的出现将带动紫外光通信跨越式的发展，可实现紫外光通信大带宽高速率的传输。

对比这三种紫外光源（见表1），由于各自的特点应用于不同场合：气体放电灯辐射功率较高，可用于大功率远距离的紫外光通信系统。而紫外激光器和LED为光源的紫外光通信系统将向着高速、便携的方向发展，可满足短距离保密通信的需要。随着大功率紫外LED及其阵列的研究，其作为新型紫外光源的优势越来越明显，仍将是今后紫外光源的研究重点和发展趋势。

[光源＼&紫外气体灯＼&紫外激光器＼&紫外LED＼& 发射功率＼&几十至上万瓦＼&可达千瓦＼&毫瓦级＼&平均寿命 /h＼&6 000～10 000＼&15 000＼&60 000＼&安装维护＼&不方便＼&较方便＼&较方便＼&系统体积＼&大＼&较小＼&小＼&成本＼&较低＼&高＼&低＼&光谱稳定性＼&差＼&好＼&好＼&发光效率 /%＼&50＼&20＼&90＼&适用场合＼&小型基站＼&实验测试＼&高速便携的

实用性系统＼&]

2.2 日盲紫外光滤光片

紫外波传输过程中存在太阳背景辐射等干扰，因此接收端需要紫外滤光片滤除非日盲区紫外波段，以降低背景噪声。目前紫外光通信中常使用的有干涉滤光片和吸收滤光片。

干涉滤光片是利用多层介质膜中光的干涉作用得到信号光的高透过和背景光的深截止。但其在很窄的波长范围内无法做到透过率急剧下降，而且镀制多层膜的过程存在必然的误差，很难达到理想效果。而吸收滤光片由一系列具有特殊吸收光谱特性的有机染料、无机盐和有色玻璃，再结合透紫外基底构成，具有更好的高透过和深截止特性。比较两种紫外滤光片干涉滤光片只能符合短距离通信的要求，吸收滤光片则能满足全天候、长距离通信的要求。因此，实际应用中应根据通信距离的要求选择适当的滤光片。而对于未来距离更远、速率更高的紫外光通信，吸收滤光片更具优越性，是主要研制方向。

干涉型和吸收型滤光片性能对比

[滤光片＼&信号光

透过率＼&背景光

透过率＼&透过率随

入射角变化＼&价格＼&稳定性＼&干涉型＼&26%

（254 nm）＼&[10-3～10-4]＼&大＼&便宜＼&易潮解＼&吸收型＼&12%

（260 nm）＼&[<10-12]＼&小＼&贵＼&不易潮解＼&]

2.3 紫外探测器

探测器是接收机的核心器件，主要完成紫外光信号到电信号的转换。非视距紫外光通信系统要求探测器具有较大的探测面积、较高的增益和带宽、高透过率以及极低的暗电流密度。

光电倍增管（PMT）是一种灵敏度极高、响应速度极快的光电子发射型检测器，是目前紫外光通信样机最主要采用的探测器元件。但其功耗大、响应时间长、暗电流和内部噪声较大，而且造价高、不易集成，不适合实用。而半导体光电二极管体积小、成本低、响应速度快，受到广泛关注。其中雪崩光电二极管（APDs）具有较小的暗电流，是光电二极管的一个研究热点。DARPA在SUVOS项目资助下，在德州大学建立了研制SiCAPDs探测器的项目。但是，目前利用GaN 研制的APD还很难普遍满足紫外波段的需要。

综合考虑器件大小、功耗和成本，半导体探测器更具优势，目前已经成为发展趋势。APD性能优异，极有可能代替当前主要使用的光电倍增管，仍将是紫外探测器接下来关注的重点。

3 调制解调技术

3.1 调制形式的选择

调制形式分为内调制和外调制。内调制也称直接调制，是指直接用电调制信号控制光源发光。外调制是光源输出的光载波通过光调制器，光信号通过调制器实现对光载波的调制。内调制简单、易于实现，但调制带宽窄、响应速度慢等瓶颈问题日渐突出。而外调制具有更高的带宽和调制速率，是紫外光通信调制系统今后的发展趋势。

3.2 调制解调技术

无线光通信中的调制技术包括开关键控（OOK）、脉冲位置调制（PPM）、差分脉冲位置调制（DPPM）及脉冲间隔调制（DPIM）等。下面对这几种调制方式的性能指标进行仿真分析。

（1）带宽需求

用脉冲宽度的倒数近似表示信号的带宽。在信息传输速率相同的情况下（假设比特率[Rb]），调制方式占空比为1，脉冲宽度为T，则[BOOK=1T=Rb]。而其他三种调制方式相对于OOK的归一化信号带宽分别为[[7]]：

[BPPM=2MMBOOK]，[BDPPM=2M+12MBOOK]，[BDPIM=2M+32MBOOK]

为仿真比较的结果。可以看出，PPM带宽需求最高，OOK最低，而且随着调制阶数M的增加，PPM、DPIM和DPPM的带宽需求的增长速度越来越快，其中PPM的增幅最大。

（2）平均发射功率

假设发送光脉冲“1”的功率为[Ps]（即峰值功率也为[Ps]），光脉冲“0”、“1”等概率出现，则OOK的平均发射功率为：[POOK=Ps2]。其他三种调制方式的平均发射功率为[[7]]：

[PPPM=Ps2M]， [PDPPM=2Ps2M+1]， [PDPIM=2Ps2M+3]

中看出OOK的平均发射功率最高，PPM、DPPM与DPIM平均功率利用率远远优于OOK，PPM的平均发射功率最低，并且随着调制阶数的增加，这种趋势越来越明显。

（3）误时隙率

假定只有加性高斯白噪声，即噪声均值为0，方差为[δ2n]。抽样判决器输入信号峰值功率为[Pr]，不难推导出各种调制方式的误时隙率及其最佳判决门限为[[7]]：[Pe-OOK=erfcPr2δ2n22]

最佳判决门限[b=Pr2]。

[Pe-PPM=1+erfb-Pr2δ2n+2M-1erfcb2δ2n2M+1]

其中：[b=2δ2nln（2M-1）+Pr2Pr。]

[Pe-DPPM=1+erfb-Pr2δ2n+2M-1erfcb2δ2n2M+1]

其中：[b=2δ2nln2M-1+Pr2Pr]。[Pe-DPIM=1+erfb-Pr2δ2n+2M+1erfcb2δ2n2M+3]

其中：[b=2δ2nln2M-1+12+Pr2Pr]。

在最佳门限下，各调制方式的误时隙率所示，可以看出，信噪比一定时，PPM、DPPM与DPIM的误时隙率随调制阶数M的增加而减小，而M一定时，PPM具有最小的误时隙率，OOK的误时隙率最大，DPIM优于DPPM。

（4）传输容量

在相同时隙宽度[τ]下，可以用比特率来衡量各种调制方式的传输容量，可得[COOK=1/τ]。同理，可计算出其他三种调制方式的传输容量为[[8]]：

[CPPM=M2Mτ]， [CDPPM=2M2M+1τ]， [CDPIM=2M2M+3τ]

各种调制方式相对于[COOK]的归一化传输容量如图5所示。可以看出OOK的传输容量最高，且保持不变，当[M>2] 时， DPPM 优于DPIM，PPM的传输容量最低。随着[M]的增加（除OOK不变外），其他调制的传输容量越来越低且趋于相同。

综上分析，并考虑紫外光通信的传输特点和信道特性，PPM可以进一步提高传输信道的抗干扰能力，降低光辐射平均功率。而且针对今后紫外LED将成为紫外光通信系统主打光源这一趋势，PPM调制优势将更加明显，可满足高速率通信的要求，是优先考虑的调制方式。

4 非视距信道建模技术

非视距信道模型是紫外光通信的关键问题之一。目前，大气辐射传输模型Lowtran、Modtran、Fascode可以在各种复杂天气情况下，对散射大气的传输特性进行模拟和分析，但是不能直接解决非视距光传输时能量衰减和时间调制等问题。1990年，Leugtten等人建立了紫外光单散射信道模型，这为后续紫外光信道模型的研究奠定了基础[[9]]；2009年加利福尼亚大学Gang Chen等建立了基于蒙特卡洛的多次散射模型，同时提出了路径损耗和误比特率的参数模型[[10]]。单散射模型与其他模拟方法相比，计算速度快、操作性强，能够较好地解决非视距光传输时能量衰减和时间调制问题。

单散射模型对应的非视距通信链路如图6所示，接收机位于焦点F1处，光源位于焦点F2处；假设发射、接收圆锥中心轴位于同一平面内，两个圆锥交叉部分称为有效散射区，光信号经有效散射区域散射后到达接收机，从而达成通信； [θT]、[θR]分别为发射孔径角和接收视场角，[βT]、[βR]分别为发射仰角和接收仰角。

5 结 语

紫外光通信的特殊性能使其具有广泛的应用前景。尤其在军事上，具有重要的战略意义。可以预测在未来战争中紫外光通信将发挥巨大的作用，也必将受到越来越多的关注。以上分析了紫外光通信系统中一些关键器件和技术的研究状况，加紧对这些关键技术的研究和重要设备的研制，尽早实现紫外光通信系统自主研发具有重要的军事意义。

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