CN103595483B - 一种基于紫外led的多波段调制光源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于紫外LED的多波段调制光源，特征是包括工业电脑、控制电路、调制电路、供电电源、紫外LED光源与光学系统，紫外LED光源选用266nm、315nm两个波段的紫外LED阵列，工业电脑及其可视化控制软件构成上位机系统，通过控制电路实现对调制电路和紫外LED光源的控制，供电电源为调制电路和紫外LED光源提供所需直流电源，紫外LED在控制电路、调制电路和供电电源的共同作用下发射紫外调制信号，紫外光信号经光学系统输出，用于模拟紫外光通信系统发射端机工作状态和环境背景噪声。本发明可同时输出266nm、315nm波段的紫外调制信号，通过更换紫外LED阵列，可实现200nm～400nm波长范围全覆盖的紫外调制信号。

Description

一种基于紫外LED的多波段调制光源

技术领域

本发明涉及紫外光通信用的发射端光源，尤其是其中的一种基于紫外LED的多波段调制光源。

背景技术

紫外光通信系统具有通信保密性高、抗干扰性能力强、全方位、非直视以及容易组网等优点，因而受到各军事强国的高度重视，其中紫外光通信用的发射端光源必须工作于调制状态才可进行通信，现阶段主要采用气体放电灯(如：低压汞灯)内调制、激光器外调制实现紫外光信号调制，现有方法存在的缺点主要有：

(1)气体放电灯(如：低压汞灯)具有多条谱线，在日盲区附近甚至可见光波段具有一定的辐射能量，导致紫外通信系统信息的暴露，保密性丧失。而且气体放电灯利用真空中气体电离的离子导电，不容易进行较高速率的调制，随着调制频率的提高，将出现“连火”现象，在光源总辐射功率不变的情况下，其调制度大大下降，从而导致通信距离缩短。

(2)激光器外调制法利用声光调制器对紫外激光进行外调制，由于声光调制器对输入光的入射角度及偏振态方向都有严格的指标要求，光路调制难度大，而且在紫外波段可以利用的激光器及其配套声光调制器较少且价格昂贵，不便推广应用。

(3)气体放电灯内调制法及激光器外调制法均采用空间光传输方式，由于紫外线不可见，不便于光路调试，而且容易对操作人员造成紫外辐射伤害。

紫外光通信在军事通信中的特点和优势吸引了世界各军事强国的广泛关注和研究，美军在阿富汗的丛林战中已实际应用了基于紫外LED的光通信系统，实现了特种部队小分队间的秘密通信，使基于紫外LED的紫外光通信系统得到实际应用，但是具体技术细节均处于保密状态。

我国的紫外光通信系统已经进入型号研制阶段，但是能够实际应用的紫外光通信系统均以低压汞灯作为发光源，通过调制电流对低压汞灯进行直接调制，产生紫外调制信号。由于低压汞灯是一种气体放电灯，具有多条谱线，在日盲区边界甚至可见光波段有一定的辐射能量，造成紫外通信的“紫暴”，大大降低紫外光通信的保密性。而且低压汞灯利用真空中气体电离的离子导电，不容易进行较高速率的调制，随着调制频率的提高，将出现“连火”现象，通信速率一般小于1Mbit/s。

某些研究机构在实验室内采用紫外激光器作为发光源，利用紫外声光调制器对紫外激光进行调制。紫外激光按照一定的入射角度射入声光晶体，声光晶体内各级衍射光会相互干涉，各高级次衍射光将互相抵消，只出现0级和+1级或（-1级）（视入射光的方向而定）衍射光，0级衍射光不含调制信号，可利用的调制光出现在+1级或（-1级）衍射光，合理选择参数，并使超声场足够强，可使入射光能量几乎全部转移到+1级（或-1级）衍射极值。紫外光通信系统是以低背景的“日盲”（220nm～280nm）紫外为媒介，目前在日盲区波段的激光器以266nm激光器为主，该激光器体积较大，不方便携带；声光调制器对输入光的入射角度及偏振态方向都有严格的指标要求，不便于调试；而且价格昂贵，不便于应用推广。

发明内容

本发明的任务在于解决现有技术中紫外光通信用的发射端光源存在的技术缺陷，提供一种基于紫外LED的多波段调制光源。

其技术解决方案是：

一种基于紫外LED的多波段调制光源，包括工业电脑、控制电路、调制电路、供电电源、紫外LED光源与光学系统，紫外LED光源选用266nm、315nm两个波段的紫外LED阵列，工业电脑以及运行其上的可视化控制软件构成上位机系统，通过控制电路实现对调制电路和紫外LED光源的控制，供电电源为调制电路和紫外LED光源提供所需直流电源，紫外LED在控制电路、调制电路和供电电源的共同作用下发射紫外调制信号，紫外光信号经光学系统输出，用于模拟紫外光通信系统发射端机工作状态和环境背景噪声。

上述紫外LED阵列是由36个小型LED组成的光源阵列；紫外LED阵列的工作电压为35.9V，功率为大于25mW，最高调制频率大于2MHz。

上述控制电路包括FPGA处理器、FLASH存储器、复位、USB接口、电源模块和电平转换驱动模块；用于接收上位机系统的指令，通过内部控制程序发出相应的波形，以驱动LED驱动系统，点亮紫外LED阵列。

上述调制电路包括主控三极管，通过控制主控三极管的通断，来实现对紫外光源的调制；其中主控三极管选用2SD1762型NPN功率三极管，其最大反向电压为60V，传输频率为90MHz，集电极耗散功率25W。

上述调制电路还包括均衡器，用于保证光源输出功率依据频率具有平坦性；该均衡器以紫外光功率计监测紫外LED光源在不同调制频率、不同供电电压条件下的紫外光功率，调整供电电压，实现紫外LED光源在不同的调整频率下具有相同的输出功率，记录不同调制频率下的供电电压，并以此作为均衡器的调整参数。

上述光学系统包括光纤耦合子系统与准直聚焦子系统；通过光纤耦合子系统将紫外光进行整形，然后通过直聚焦子系统对光纤束输出的激光进行准直，使最终光斑达到设计要求。

上述光纤耦合子系统包括芯径为0.05mm的全玻璃多模阶跃光纤集束而成的光纤束，与耦合透镜组；在进行光学分析时，将紫外LED阵列视为9mm×7mm的面发光源，光纤束视为一根直径为3mm的单根光纤；耦合透镜组用于将9mm×7mm的光斑缩小到3mm×3mm，耦合透镜组由2～3片单聚焦透镜组成。

上述准直聚焦子系统包括聚束透镜与聚焦透镜；由光纤耦合子系统输出的激光经过聚束透镜将高斯光束的发散角变小，再用聚焦透镜将激光聚焦成为直径2mm的光斑。

本发明具有以下有益技术效果：

本发明同现有技术中“气体放电灯内调制法”、“紫外激光器外调制法”相比，具有以下优点：

(1)紫外LED阵列具有较窄的谱宽，能够有效保证紫外光通信的保密性。

(2)采用内调制工作方式，方法简单易操作，最大调制速率大于2MHz。

(3)性价比高，随着紫外LED制作工艺的不断发展，本发明可广泛应用于紫外光通信、杀菌消毒等领域。

(4)本发明可同时输出266nm、315nm波段的紫外调制信号，可用于模拟紫外光通信系统发射端机的工作状态及背景杂散光。而且通过更换紫外LED阵列，可实现200nm～400nm波长范围全覆盖的紫外调制信号。

(5)采用光纤束耦合及准直聚焦输出。有效解决紫外LED阵列发散角大，采用透镜和光纤束结合的方法实现光纤耦合，对激光束进行聚束后再用聚焦透镜将激光聚焦成为2mm的光斑。

附图说明

下面结合附图与具体实施方式对本发明作更进一步的说明：

图1为本发明一种实施方式的原理示意框图。

图2为本发明中的控制电路原理示意框图。

图3为本发明中的调制电路原理示意框图。

图4为本发明中的光学系统原理示意框图。

具体实施方式

结合图1、图2、图3与图4，一种基于紫外LED的多波段调制光源，包括工业电脑1、控制电路2、调制电路3、供电电源4、紫外LED光源5与光学系统6。上述紫外LED光源选用266nm、315nm两个波段的紫外LED阵列501。工业电脑以及运行其上的可视化控制软件构成上位机系统，通过控制电路实现对调制电路和紫外LED光源的控制，供电电源为调制电路和紫外LED光源提供所需直流电源，紫外LED在控制电路、调制电路和供电电源的共同作用下发射紫外调制信号，紫外光信号经光学系统输出，用于模拟紫外光通信系统发射端机工作状态和环境背景噪声。

优选地，上述紫外LED阵列是由36个小型LED组成的光源阵列；紫外LED阵列的工作电压为35.9V，功率为大于25mW，最高调制频率大于2MHz。

结合图2，上述控制电路包括FPGA201、FLASH、、USB芯片202、电源203和TTL驱动204。控制电路用于接收上位机系统的指令，通过内部控制程序发出相应的波形，以驱动LED驱动系统，点亮紫外LED阵列。

结合图3，上述调制电路包括主控三极管301。调制电路通过控制主控三极管的通断，来实现对紫外光源的调制；其中主控三极管选用2SD1762型NPN功率三极管，其最大反向电压为60V，传输频率为90MHz，集电极耗散功率25W。

上述调制电路还包括均衡器，用于保证光源输出功率依据频率具有平坦性；该均衡器以紫外光功率计监测紫外LED光源在不同调制频率、不同供电电压条件下的紫外光功率，调整供电电压，实现紫外LED光源在不同的调整频率下具有相同的输出功率，记录不同调制频率下的供电电压，并以此作为均衡器的调整参数。

结合图4，上述光学系统包括光纤耦合子系统与准直聚焦子系统；通过光纤耦合子系统将紫外光进行整形，然后通过直聚焦子系统对光纤束输出的激光进行准直，使最终光斑达到设计要求。上述光纤耦合子系统包括芯径为0.05mm的全玻璃多模阶跃光纤集束而成的光纤束，与耦合透镜组601；在进行光学分析时，将紫外LED阵列视为9mm×7mm的面发光源，光纤束视为一根直径为3mm的单根光纤；耦合透镜组用于将9mm×7mm的光斑缩小到3mm×3mm，耦合透镜组由2～3片单聚焦透镜组成。上述准直聚焦子系统包括聚束透镜602与聚焦透镜603；由光纤耦合子系统输出的激光经过聚束透镜将高斯光束的发散角变小，再用聚焦透镜将激光聚焦成为直径2mm的光斑。

为了更好地理解本发明，对有关内容补充说明如下：

一、关于上述调制电路

信号直接调制需要通过信号控制主控三极管的通断，从而实现对光源的调制。其中主控三极管的选择需注意LED阵列35.9V的工作电压、功率以及2MHz的调制频率，同时对于高速调制，考虑到紫外LED结电容的影响，电路中将会相应的设计以抑制其影响。

选择2SD1762型NPN功率三极管作为主控三极管，其最大反向电压为60V，传输频率为90MHz，集电极耗散功率25W，可以满足LED阵列的调制需求。

紫外LED随着调制频率的增加，输出功率会有所下降，本发明在调制电路设置均衡器，能够保证光源输出功率依据频率具有平坦性。均衡器的工作原理为：以紫外光功率计监测紫外调制光源在不同调制频率、不同供电电压条件下的紫外光功率。调整供电电压，实现紫外调制光源在不同的调整频率下具有相同的输出功率，记录不同调制频率下的供电电压，并以此作为均衡器的调整参数。

具体操作过程：

1、调整紫外调制光源工作于最大工作电压，调制频率调整为最大调制频率(本发明最大调制频率设置为2MHz)，记录此时的紫外光功率，并以此作为调制光源的最终输出功率P。

2、改变调制频率到预定值，调整供电电压，使紫外调制光源输出功率为P，记录此时的供电电压。

3、通过前期试验调试，得到一系列调制频率与供电电压之间关系参数，软件系统利用这些参数调整均衡器，使得紫外调制光源输出功率随着频率的改变而保持不变。

二、关于控制电路

上述控制电路以现场可编程门阵列（FPGA）为核心，主要功能是接收上位机的指令，通过内部控制程序发出相应的波形，以驱动LED驱动系统，点亮紫外LED阵列。

三、关于光学系统

光学系统主要由光纤耦合子系统与准直聚焦子系统组成。通过光纤耦合子系统将紫外光进行整形，并将激光输出放在合适的位置，然后通过准直聚焦子系统对光纤束输出的激光进行准直，从而使最终光斑达到设计要求。

①耦合光纤的选择

按照光纤纤芯折射率分布情况，可以将光纤的种类分为渐变折射率光纤和阶跃折射率光纤。常用市场上阶跃折射率光纤结构有全玻璃材料、PCS材料、全塑料材料，通过比较分析，全玻璃材料光纤的数值孔径NA为0.24，PCS材料光纤数值孔径为0.4，全塑料材料光纤数值孔径为0.48，通过数值孔径NA计算NA=n·sinα，可以得到全玻璃材料光纤、PCS材料光纤和全塑料材料光纤的接收角分别为13.9°、24.2°和29°，它们纤芯直径分别为50μm、100μm和1mm。因为本发明中的光波长为深紫外波段，采用石英玻璃作为传输介质比较适合，因此本发明中选择全玻璃材料的光纤。

据有关资料显示，阶跃折射率光纤相比渐变折射率光纤有以下优势：一是阶跃折射率光纤实际接收角略大于理论接收角。二是阶跃折射率光纤的数值孔径不会随着LED光源距光纤端面的距离变化而变化。发明人经过验证阶跃折射率光纤的耦合效率要比渐变折射率光纤的效率要高，优选阶跃折射率光纤。

单模光纤只能有并唯一有一种模式的光场在光纤内传播，多模光纤容许多种模式的光场在光纤内传播，并且一般来说多模光纤的纤芯要大于单模光纤，为了提高耦合效率，发明人选择多模光纤来进行光学设计。

综上，本发明选择全玻璃阶跃折射率多模光纤作为耦合光纤。

②耦合方式选择

光源与光纤的耦合方式有两种，直接耦合和间接耦合。直接耦合是将光源直接无限接近被耦合的光纤端面。间接耦合是通过光学元件将光源发射的光进行光束整形使其满足光纤的数值孔径。如何选择耦合方式，提高光纤的耦合效率是与所选光源和光纤有着直接的联系。

由于本发明采用的是LED阵列，经过验证采用单根光纤的耦合方法是十分困难的，因此发明人决定选用光纤束作为耦合光纤，来提高其耦合效率。但由于如果采用较大的光纤束进行耦合，将会给聚束带来极大的困难，所以决定采用间接耦合的方式。

③光纤耦合方案

根据测量，LED阵列为一个长约为9mm，宽约为7mm的长方形阵列。光纤束的面积应该与LED阵列发光面面积尽量相等，因此需要设计一种直径为3mm的光纤束，光纤束里的单根光纤全部选用直径为0.05mm的全玻璃多模阶跃光纤，

在设计完成光纤束以后，对光纤束性能评价主要可考虑其传光质量，但是传光质量好坏涉及到很多因素，如在光纤束制作过程中许多工艺上和外界的不确定因素、光纤内损耗和在光纤内传输光的性质，本发明中选用的是小芯径的全玻璃光纤集束而成，因为全玻璃光纤内部损耗较小并采用了适合紫外光传输的石英玻璃，综合考虑决定使用芯径为0.05mm的全玻璃多模阶跃光纤集束而成的光纤束。（以后再进行光学分析时可以将LED阵列看成9mm×7mm的面发光源，光纤束看成一根直径为3mm的单根光纤）。

对于光纤耦合的方法，一般的光纤耦合方法有两种，分别为采用梯度折射率透镜的方法和采用透镜组的方法。梯度折射率透镜耦合性能好，是目前光纤耦合的主流，而透镜组的方法要达到同样的效果时，体积将较大。但是由于本设计中光源较大，梯度折射率透镜的直径一般约为2mm，所以无法用在该系统中。因此本发明中优选耦合透镜组，将9mm×7mm的光斑缩小到3mm×3mm。耦合透镜组将由2～3片单聚焦透镜组成，不需要考虑像差的影响，只需将光斑缩小到3mm×3mm范围即可。

经过光纤耦合输出的激光发散角仍然较大，还需要准直聚焦子系统对出射光斑进行处理，从而达到最终光斑大小为2mm的目标。

经过光纤输出的光束为高斯光束，在实际应用中，当理想高斯光束经过焦距为f的薄透镜变换时，是不可能将高斯光束转换成平面波的。当光束束腰位于透镜物方焦平面时，像高斯光束的方向性不但与透镜焦距的大小有关，而且也与入射光束束腰大小有关。入射光束束腰愈小，则像高斯光束的方向性愈好。最合理减小激光束发散角的系统是双镜组系统，对激光束连续两次交换，系统的第一镜组可以是正的，也可以是负的，第二镜组往往是正的。并且考虑到该光纤束芯径较大，且发散角也很大，所以采用普通的聚束透镜无法达到要求。本发明中采用梯度折射率透镜对激光束进行聚束，经过聚束透镜将高斯光束的发散角变小以后，再用聚焦透镜将激光聚焦成为2mm的光斑。

上述方式中未述及的有关技术内容采取或借鉴已有技术即可实现。

需要说明的是，在本说明书的教导下本领域技术人员还可以作出这样或那样的容易变化方式，诸如等同方式，或明显变形方式。上述的变化方式均应在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于紫外LED的多波段调制光源，其特征在于包括工业电脑、控制电路、调制电路、供电电源、紫外LED光源与光学系统，紫外LED光源选用266nm、315nm两个波段的紫外LED阵列，工业电脑以及运行其上的可视化控制软件构成上位机系统，通过控制电路实现对调制电路和紫外LED光源的控制，供电电源为调制电路和紫外LED光源提供所需直流电源，紫外LED在控制电路、调制电路和供电电源的共同作用下发射紫外调制信号，紫外光信号经光学系统输出，用于模拟紫外光通信系统发射端机工作状态和环境背景噪声；

上述光学系统包括光纤耦合子系统与准直聚焦子系统；通过光纤耦合子系统将紫外光进行整形，然后通过准直聚焦子系统对光纤束输出的激光进行准直，使最终光斑达到设计要求；

上述光纤耦合子系统包括芯径为0.05mm的全玻璃多模阶跃光纤集束而成的光纤束，与耦合透镜组；在进行光学分析时，将紫外LED阵列视为9mm×7mm的面发光源，光纤束视为一根直径为3mm的单根光纤；耦合透镜组用于将9mm×7mm的光斑缩小到3mm×3mm，耦合透镜组由2～3片单聚焦透镜组成；

上述准直聚焦子系统包括聚束透镜与聚焦透镜；由光纤耦合子系统输出的激光经过聚束透镜将高斯光束的发散角变小，再用聚焦透镜将激光聚焦成为直径2mm的光斑；

上述紫外LED阵列是由36个小型LED组成的光源阵列；紫外LED阵列的工作电压为35.9V，功率大于25mW，最高调制频率大于2MHz；

上述控制电路包括FPGA处理器、FLASH存储器、复位、USB接口、电源模块和电平转换驱动模块；用于接收上位机系统的指令，通过内部控制程序发出相应的波形，以驱动LED驱动系统，点亮紫外LED阵列；

上述调制电路包括主控三极管，通过控制主控三极管的通断，来实现对紫外光源的调制；其中主控三极管选用2SD1762型NPN功率三极管，其最大反向电压为60V，传输频率为90MHz，集电极耗散功率25W；

上述调制电路还包括均衡器，用于保证光源输出功率依据频率具有平坦性；该均衡器以紫外光功率计监测紫外LED光源在不同调制频率、不同供电电压条件下的紫外光功率，调整供电电压，实现紫外LED光源在不同的调整频率下具有相同的输出功率，记录不同调制频率下的供电电压，并以此作为均衡器的调整参数；

所述基于紫外LED的多波段调制光源可同时输出266nm、315nm波段的紫外调制信号，用于模拟紫外光通信系统发射端机的工作状态及背景杂散光；通过更换紫外LED阵列，可实现200nm～400nm波长范围全覆盖的紫外调制信号。