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简述紫外光通信的优缺点及未来应用

放大字体  缩小字体 发布日期:2022-11-15 浏览次数:819

紫外光通信系统一般是由发射系统和接收系统组成,其中发射系统将信号源产生的原始电信号转换成适合在信道中传输的信号,接收系统从信号中接收并恢复出相应的原始信号。紫外光通信源于光无线通信技术或称自由空间光通信(FSO,Free Space Optical Communication),是一种宽带接入方式,是光通信和无线通信结合的产物。光无线通信技术,利用光束信号通过大气空间,这种技术的接入系统在组成结构上与光线传送系统类似。

紫外光通信与光通信技术结构大致相同,原理是基于两个相互关联的物理现象,一方是大气层中的臭氧对波长200nm-280nm的紫外光有吸收作用,我们通常称为日盲区,利用到达地面的日盲区紫外辐射在海平面几乎衰减至零;另一现象是地球表面的日盲区紫外光被大气强烈散射。由于日盲区的存在,为200nm-280nm波段的紫外光通信系统提供了通信条件。与此同时,由于紫外光的散射作用,使能量传输方向可发生改变,便奠定了通信基础,利用大气散射和吸收的原理实现了紫外光通信技术。

 

 

紫外光通信以日盲区的光谱为载波,发生端口由信源、调制驱动、指定紫外光源组成,将发射端的信号调制并加载在该紫外光载波上发送出去,利用大气散射作用进行传播,并由接收端口紫外探测器、处理驱动、信宿识别,对紫外光信号的识别与破解,并处理得出信息信号。

 

当前紫外光通信系统从通信方式来说,有视距通信与非视距通信。视距通信方式,与光无线通信基本相同,遵循信号强度按指数规律衰减,与距离的平方成反比的规律。非视距通信是紫外光特有的方式,由于散射作用,紫外光在传输过程中产生的电磁场使大气中的粒子所带的电荷产生振荡,振荡的电荷产生了电偶极子,辐射出次级球面波。由于电荷的振荡与原始波同步,所以次级波与原始波是具有相同的电磁振荡频率,并与原始波有固定的相位关系,次级球面波的波面分布与振动情况决定散射光的散射方向。因此,散射在大气中紫外光信号与光源保持了相同的信息,从而实现了信息传输。

紫外光通信的特点

1. 不受无线电管理委员会的限制,由于波长为200-280nm,该频带是开放,在使用中是不需要频率应用,无需向无线电单通信申请频率许可证。

2. 紫外光通信的干扰少。由于200-280nm属于日盲区,这种波长的光线被大气分子和悬浮颗粒吸收,强度指数衰减,到地球地表的能量非常弱,所以背景噪音很小。

3. 紫外光通信的机密性高,紫外线的波速很窄,定向性好,又属于非可视光,白天夜间都无法发现,因此无法探测到链路位置,不存在监听的可能性,干扰和拦截的可能性更小。

4. 紫外光通信适合在遮挡的场景中使用,由于紫外光源是通过在大气中扩散的粒子与电荷产生振荡,形成固定的相位关系,并由接收端接收。因此,紫外线可执行非视距通信,适应复杂的地形环境,克服了其他自由空间光通信系统必须采用视距工作方式的缺点。

5.紫外光通信灵活性高,紫外光通信平台可以采用车载式、机载式、舰载式,克服了传统有线与无线通信需要电缆和基站的缺点。紫外光通信的接收器如同一部摄像机,可以随时随地安装,进行快速布局。

在复杂环境中,当无线通信、有线通信和光纤通信都不能用的时候,紫外光通信作为一种备用通信手段就会发挥作用。

紫外光通信的技术突破

1. 传输距离短,由于大气衰减的影响,紫外线适合于1km内的短距离通信,超出此范围将很难检测。

2. 紫外线对人体安全的威胁,紫外线对人体安全一直备受关注,在无遮挡时紫外线直射人体会造成伤害。但由于研发出222nm安全波段,这一问题也将迎刃而解。

由于紫外光通信是利用紫外线通过大气进行传送的,紫外光会被大气与悬浮颗粒物吸收,不适合长距离通信。紫外光通信系统还在持续研发中,虽然无法进行大面积商用。但由于其技术优势明显,其劣势正在被技术的进步所抵消,具有广泛应用前景和巨大市场潜力,许多问题正在逐步解决。

其实,早在1960年,美国海军就开始了关于紫外光通信的研究,1964年 G.L.Harvey做了关于紫外光通信关键技术的研究,1967年 J.A.Sanderson 将其应用到实际的光通信实验中。

2000年美国通用公司为美军研制了一种实用的新型隐蔽式紫外光无线通信系统,已装备部队,该系统通信速率提高到4.8Kbit/s,误码率达到10-6。该系统不易被探测和接收,适用于多种近距离抗干扰通信环境,尤其适用于特别行动和低裂度冲突,可满足战术通信要求。

2002年SET公司生产出了可以商用化的波长在247~365nm之间的深紫外LED。这SET 公司可提供峰值波长为247~365nm的深紫外LED,尽管其电功率为150毫瓦,辐射光功率仅为微瓦级,还不能与光功率为毫瓦级的红外LED相提并论,但是近年来随着工艺和材料等方面的长足发展,紫外LED的电功率和光功率以及可靠性都有了很大的提高。

2004年,美国麻省理工大学林肯实验室采用274nm的紫外LED作为光源,将240支紫外LED做成阵列,其光功率仅为4.5毫瓦。实验采用非直视通信,在100米的范围内通信速率为200bit/s。

2007年,美国国防部高科技计划规划局就开始资助深紫外波段雪崩二极管的研发,要求其响应波段峰值为280nm,增益为610 ,目前已取得积极进展。

2020年,日本东北大学的研究人员提出了深紫外线LED提升光无线通信LiFi的方法,并在7月22日将研究成果发表于《应用物理快报》。东北大学先进材料多学科研究所副教授Kazunobu Kojima表示,可见光和红外光无线通信都可能受到太阳光干扰。为了避免与太阳光混淆,使用深紫外光可改进光通信,深紫外光不受太阳光的干扰,从而被探测到。

美国陆军研究人员正在探索在战场上使用紫外线光通信,通过其技术使敌方无法检测到被保密的链路。这项由美国陆军作战能力发展司令部陆军研究实验室进行的研究的主要目的是为未来的研究开发一个框架,该框架可以在何种情况下量化紫外通信,既对友军有用,又对敌方探测不到。

目前,受限于紫外芯片技术水平,生产厂商并不多,行业普遍认为UVB/UVC世界领军企业是美国的SETi,其次是韩国的LGIT和首尔半导体,以及Lumileds和Osram。中国涉足紫外芯片领域的厂商,主要是台湾公司,例如光宏、联胜以及国内的至芯半导体。由于技术难度大,许多欲进入这一领域的企业望而却步。

至芯半导体研究人员在蓝宝石模板上制作了深紫外芯片,测量它们的传输速度后发现,深紫外芯片可以做到比传统的LED体积更小,通信速度更快。通过小型芯片的集成有利于提高光通信技术的功率和速度。

由此可见,紫外线通信系统作为新型通信手段,将为人们提供一种新的宽带接入技术,利用光谱来突破带宽接入的瓶颈。随着高速本地网络互联需求不断的增大,对于不同的场合和不同的用户需求,通过合理的配置系统来实现紫外光通信应用将加速实现。目前许多技术已在研发中,并在军事、娱乐、生活中的场景领域进行测试应用。

(来源:至芯半导体)

 

 
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