近地層紫外光通信“日盲”濾光片技術(shù)研究

呂照順，吳晗平，3，李軍雨，梁寶雯，王華澤

(1.海軍工程大學(xué)兵器工程系，湖北武漢430033;2.武漢工程大學(xué)光電子系統(tǒng)技術(shù)研究所，湖北武漢430205;3.湘潭大學(xué)物理與光電工程學(xué)院，湖南湘潭411105)

1 引言

紫外光通信是采用200～280 nm“日盲”波段的紫外光作為載波，利用大氣分子和氣溶膠微粒的散射作用來實(shí)現(xiàn)非直視通信［1］，具有低竊聽率、抗干擾能力強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)?？梢员粡V泛應(yīng)用于軍民領(lǐng)域［2－3］，特別是在近地層戰(zhàn)場環(huán)境下，短距離軍用通信中的應(yīng)用，越來越受到各國軍方的重視。

在進(jìn)行紫外光通信時(shí)，接收端容易受到以下因素影響或干擾:

(1)紫外光源發(fā)射的光頻譜較寬，且是一種非線性光譜;

(2)人類活動產(chǎn)生的紫外輻射源，例如電焊、路邊的鈉燈等［4］;

(3)工作在“日盲”紫外波段的探測器具有較寬的響應(yīng)波段、較高的量子效率，雖然響應(yīng)峰值在日盲區(qū)，但是在其他波段仍具有較高的響應(yīng)度，因此對陽光中可見光和紫外光的部分響應(yīng)也是一個(gè)較大的干擾［5－7］。

紫外濾光片是紫外光通信系統(tǒng)的重要組成元件，可以有效降低干擾源產(chǎn)生的背景噪聲對通信的影響，進(jìn)而提高系統(tǒng)的通信質(zhì)量和可靠性。為了確保系統(tǒng)正常工作，必須選用薄膜附著力強(qiáng)［8］、帶內(nèi)高透過、帶外深截止的濾光片，還要綜合系統(tǒng)工作波長、探測器波長響應(yīng)范圍，入射角對濾光性能的影響等因素［9］。

目前國內(nèi)外從濾光片的類型、材料選擇、制備以及性能檢測方面展開了相關(guān)的研究，取得了一定的成果。

2 紫外濾光片的類型及制備

紫外濾光片的類型主要有干涉型、吸收性、聲光型以及組合型［10］。紫外光通信要求濾光片信號光透過率高于10%，背景光截止大于9個(gè)光密度單位(Optical Density，OD)，且入射角的變化對透過率影響較?。?1］。這里主要探討紫外干涉型和紫外吸收型兩類濾光片。

2.1 紫外干涉型濾光片

2.1.1 干涉型濾光片基本原理

紫外干涉型濾光片是紫外光通信系統(tǒng)中常用的濾光片，目前國內(nèi)對其研究和使用最為廣泛。紫外干涉型濾光片利用多層薄膜材料對光的干涉，使信號光能夠高透過，背景光深截止。通過改變薄膜的結(jié)構(gòu)參數(shù)和光學(xué)參數(shù)，可以獲得需要的光譜特性?；驹韴D如圖1所示［12］。

圖1 紫外干涉型濾光片基本原理圖Fig.1 Basic schematic of UVinterference type filter

由圖1可知，紫外光在通過濾光片時(shí)，會在濾光片內(nèi)部發(fā)生多次干涉和反射，這就可以把背景光通過干涉作用消除，得到需要信號光。圖2所示為沈陽匯博公司生產(chǎn)的254 nm紫外干涉型濾光片光譜圖。

圖2 254 nm紫外干涉型濾光片光譜圖Fig.2 Spectrum of 254 nm UV interference type filter

由圖2可知，該型濾光片帶內(nèi)254 nm處信號光透過率達(dá)到10%，帶外具有很好的深截止特性，可以用于近地層紫外光通信系統(tǒng)中。

2.1.2 干涉型濾光片制備

(1)主要制備材料

目前可用于制備干涉型紫外濾光片的光學(xué)材料非常有限，主要材料如表1所示。

表1 制備紫外干涉型濾光片的主要材料Tab.1 Main materials prepared for UV interference type filter

(2)膜層厚度監(jiān)控方法

膜層厚度監(jiān)控是整個(gè)濾光片制備過程的一個(gè)至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，其準(zhǔn)確度直接決定濾光片的性能優(yōu)劣，主要監(jiān)控膜層的光學(xué)厚度和物理厚度。膜層厚度監(jiān)控方法主要有光學(xué)監(jiān)控法和石英晶振法。

光學(xué)監(jiān)控法是利用單色儀將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，膜層厚度的變化會引起光信號變化，具體變化在反射率(或透過率)曲線中體現(xiàn)。由于透過率和反射率都存在極值，因此利用這個(gè)極值來監(jiān)控。

石英晶振法是通過監(jiān)控石英厚度的變化引起其振蕩頻率的變化，來控制膜層的厚度。

兩種監(jiān)控方法的優(yōu)缺點(diǎn)如表2所示。

表2 兩種監(jiān)控方法優(yōu)缺點(diǎn)Tab.2 Advantages and disadvantages of two kinds of monitoring methods

(3)已完成制備的濾光片

鄧文淵等人利用 ZrO2、SiO2和Al三種薄膜材料，采用離子束濺射沉積法制備了一種“日盲”紫外誘導(dǎo)透射濾光片，其峰值波長264 nm，峰值透過率大于60%，帶寬(FWHM)約為 13 nm，在 300～350 nm波段的截止深度為2.6 OD。對該濾光片的實(shí)際光譜測試表明，制約其性能的主要原因:一是離子束濺射沉積Al膜的速率;二是濺射氣體Ar及沉積腔體中可能殘余的微量O2［13］。

付秀華課題組利用電子束(EB)加熱蒸發(fā)和離子輔助沉積(IAD)法，將 HfO2、MgF2和 UV－SiO2鍍在熔融JGS1基底上，并采用光學(xué)監(jiān)控法和石英晶振法相結(jié)合的方式監(jiān)控膜層的厚度，制備了一種紫外濾光片。該濾光片在入射角0°～25°范圍內(nèi)能夠透射240～280 nm波段，抑制300～620 nm波段。同時(shí)有效解決了脫膜、膜厚控制、材料吸收等問題［14］。該濾光片光譜圖如圖3所示。

基于法布里－珀羅(F－P)窄帶濾光片結(jié)構(gòu)，通過一系列的理論分析、材料研究、工藝優(yōu)化，利用F－P帶通濾光片和誘導(dǎo)方式相結(jié)合的方法制備出了峰值透過率達(dá)17.96%，半峰值帶寬約為20 nm的紫外濾光片。該濾光片可以有效抑制帶外背景光，對可見光的截止深度均小于30 dB［15］。該濾光片的實(shí)測光譜圖如圖4所示。

圖3 濾光片光譜圖Fig.3 Spectrum of filter

圖4 濾光片的實(shí)測光譜圖Fig.4 Tested spectrum of filter

采用利用熔融石英玻璃、MgF2和Al等材料，制備了一種紫外誘導(dǎo)透射濾光片。為確保樣品的穩(wěn)定性、一致性和重復(fù)性，采用UV3150型分光光度計(jì)對其5個(gè)位置的透過率光譜進(jìn)行測試。結(jié)果表明該濾光片在265 nm處透過率達(dá)到 22%，對 300～1000 nm的抑制平均小于0.2%［16］。紫外誘導(dǎo)透射濾光片光譜圖如圖5所示。

圖5 紫外誘導(dǎo)透射濾光片光譜圖Fig.5 Spectrum of UV induced transmission filter

該課題組還選用HfO2、MgF2等材料，通過逆向測試分析法，解決了由于設(shè)備與控制誤差引起的膜厚問題，制備了240～280 nm波段透過率為86%，290～360 nm波段截止深度小于0.2%的紫外濾光片。

R.G.Safin設(shè)計(jì)并制造出了265～290 nm波段透過率為20%，300～800 nm波段截止深度7 OD的紫外濾光片［17］。該型濾光片實(shí)驗(yàn)測試光譜圖，如圖6所示。

圖6 實(shí)驗(yàn)測試光譜圖Fig.6 Spectral response of solar－blind UV filter(experimental)

Sangsik Kim對反射相移參數(shù)進(jìn)行了研究［18］，在此基礎(chǔ)上利用鋁和石英玻璃等材料研制了一種厚度較薄，入射角對透過率影響較小的紫外濾光片，其能夠有效濾除近紫外光和可見光。通過改變制備材料和厚度，還可以制備可見光或長波長高透過濾光片［19］。

2.2 紫外吸收型濾光片

2.2.1 吸收型濾光片基本原理

紫外吸收型濾光片通常采用石英玻璃作為基底，由特殊吸收光譜特性的有機(jī)染料、紫外玻璃等構(gòu)成，其對需要的信號光幾乎無吸收作用，而對背景光具有強(qiáng)烈的吸收作用，具有信號光高透過、背景光深截止的特點(diǎn)。

2.2.2 吸收型濾光片制備

許智煌等人利用縮合反應(yīng)合成2，7－二甲基－3，6－偶氮環(huán)庚－1，6－二烯高氯酸鹽，這是一種有機(jī)紫外濾波材料。采用vario ELⅢ元素分析儀測定分析元素;Lambda－90紫外/可見/近紅外分光光度計(jì)測定染料溶液和染料摻雜的聚乙烯醇(PVA)薄膜的紫外光譜性質(zhì)。根據(jù)溶液與PVA膜的紫外透過性能，配合紫外濾波晶體和有色玻璃組合成紫外濾光片，并測定其透過性能［20］。

由染料溶液和染料摻雜的PVA膜與透紫外黑色玻璃以及六水硫酸鎳晶體制作的紫外濾光片，可以有效濾除285 nm以上的紫外光，帶內(nèi)透過率可達(dá)20.5%和15.2%，其光譜圖如圖7所示。

圖7 紫外吸收型濾光片光譜圖Fig.7 Spectrum of UV absorption type filter

通過對不同濃度的染料溶液和染料摻雜PVA薄膜紫外光譜性質(zhì)的研究，得出以下結(jié)論:

(1)采用低濃度染料，溶液最大吸收波長322 nm，薄膜最大吸收波長325 nm;

(2)隨著濃度增加，溶液和 PVA膜在240～285 nm波段具有較高的透過率，在285～345 nm波段具有強(qiáng)吸收作用;

(3)利用染料溶液和染料摻雜PVA薄膜與紫外濾波晶體和有色玻璃組合可以合成性能優(yōu)良的紫外濾光片。

3 濾光片性能測試

3.1 干涉型濾光片性能測試

干涉型濾光片的性能測試，主要包括光學(xué)性能特性和非光學(xué)特性兩種。光學(xué)特性主要是濾光片的光譜特性，非光學(xué)特性主要是機(jī)械強(qiáng)度、鍍膜的穩(wěn)定性等［21］。這里主要討論光學(xué)特性。

為了有效濾除背景噪聲，提高紫外通信系統(tǒng)的信噪比，不僅要求帶內(nèi)透過率高，而且對日盲紫外濾光片帶外截止深度的要求也越來越嚴(yán)格，對其測試也顯得極其重要。

崔穆涵等人基于替代法，采用窄帶LED作為光源，以標(biāo)準(zhǔn)反射式中性衰減片的衰減率作為參考，建立了一套超大動態(tài)范圍紫外濾光片截止深度測試系統(tǒng)，通過對比計(jì)算得出待測紫外濾光片的帶外截止深度。該測試系統(tǒng)原理圖［22］如圖8所示。

由圖8可知，將濾光片和已知衰減系數(shù)的衰減片安放在光電倍增管(PMT)之前，分別測量LED所發(fā)出的光經(jīng)過濾光片和衰減片的輸出光電流，將該電流作為待測電流值和參考電流值，從而間接測得待測濾光片的截止深度。該測試系統(tǒng)的示意圖，如圖9所示。

圖8 測試系統(tǒng)原理圖Fig.8 Schematic of test system

超大動態(tài)范圍濾光片截止深度測試系統(tǒng)通過實(shí)驗(yàn)測試，在35～800 nm波段內(nèi)，系統(tǒng)的不確定度小于2%，相對重復(fù)性誤差小于0.2%，滿足測試要求。因此該系統(tǒng)將紫外濾光片截止深度的動態(tài)測試范圍由0～6 OD擴(kuò)大到0～11 OD，且精度高，波段覆蓋范圍寬，便于裝調(diào)和使用。

圖9 測試系統(tǒng)示意圖Fig.9 Schematic diagram of test system

3.2 吸收型濾光片性能測試

王越等人采用聲光檢測和相關(guān)檢測技術(shù)，利用虛擬儀器Labview8.0為平臺，搭建高吸收型濾光片透過率均勻性測試系統(tǒng)。以標(biāo)定的標(biāo)準(zhǔn)衰減片透過率為基準(zhǔn)，實(shí)時(shí)自動掃描測量待測濾光片多點(diǎn)透過率的均勻性分布［23］。高吸收型濾光片透過率均勻性測試系統(tǒng)框圖如圖10所示。

該系統(tǒng)采用波長632.8 nm、輸出功率1 mW的He－Ne激光器作為光源，激光經(jīng)過聲光調(diào)制器、反射鏡、衰減片、波片、反射鏡、可調(diào)光闌、待測濾光片和積分球后進(jìn)入信號采集處理系統(tǒng)。

對動態(tài)透過率范圍為0.001% ～1%的濾光片進(jìn)行測試，設(shè)基準(zhǔn)入射光強(qiáng)為I1，透過光強(qiáng)為I2，基準(zhǔn)衰減片的透過率為T1，濾光片的透過率為T2，待測濾光片透過率誤差分析，如表3所示。

圖10 高吸收型濾光片透過率均勻性測試系統(tǒng)框圖Fig.10 System block diagram of transmittance uniformity test of high absorption type filter

表3 待測濾光片透過率誤差分析Tab.3 Error analysis of tested filter transmission

由表3可知，該系統(tǒng)可對透過率動態(tài)測試范圍為0.001% ～1%的濾光片進(jìn)行測試，測量相對誤差小于0.1%，可以有效應(yīng)用于高吸收型濾光片透過率均勻性的測試。

此外楊杰等人采用Lambda950分光光度計(jì)分別測試了國內(nèi)某紫外吸收型濾光片和以色列OFIL公司生產(chǎn)的紫外吸收型濾光片，測試結(jié)果表明，兩種濾光片帶內(nèi)透過率峰值波長均在260 nm附近，峰值透過率均在12%左右，但在帶外，OFIL所產(chǎn)濾光片的截止深度較好，可以有效濾除帶外背景光的干擾［24］。兩種濾光片的透射譜如圖11所示。

圖11 兩種濾光片的透射譜Fig.11 Transmission spectrum of two kinds of filter

4 結(jié)論

“日盲”紫外濾光片作為紫外光通信系統(tǒng)重要的組成元件，可以有效濾除背景光的干擾，大幅度提高系統(tǒng)通信質(zhì)量和可靠性。目前已成為國內(nèi)外紫外光通信領(lǐng)域重點(diǎn)研究的對象。未來紫外濾光片的研究主要從以下方面展開:(1)高透過率紫外材料的研究;(2)制備方法和工藝的進(jìn)一步優(yōu)化，提高紫外濾光片帶內(nèi)高透過、帶外深截止等綜合性能指標(biāo);(3)設(shè)計(jì)更加方便易操作、測試結(jié)果更精確的紫外濾光片測試設(shè)備。

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