CN105703839B - 一种可见光通信系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种可见光通信系统，其包括：一光信号发射装置；以及一与该光信号发射装置配合使用的光信号接收装置，且该光信号接收装置包括一滤光片；其特征在于，所述滤光片包括：一基底；一设置于该基底表面的波导层，且该波导层的折射率大于所述基底的折射率；以及一设置于该波导层表面的金属光栅，且该金属光栅包括多个等间隔设置的金属条；其中，所述滤光片的参数满足以下公式(1)‑(3)从而使该滤光片可以实现多带通滤光：。由于该可见光通信系统的滤光片可以实现多带通滤光，该可见光通信系统具有较高的信号利用率。

Description

一种可见光通信系统
技术领域
本发明涉及可见光通信领域，特别涉及一种可见光通信系统。
背景技术
可见光通信技术(Visible Light Communication，VLC)是指利用可见光波段的光作为信息载体，不使用光纤等有线信道的传输介质，而在空气中直接传输光信号的通信方式。LED可见光通信是利用可见光发光二极管(Light Emitting Diode，LED)比荧光灯和白炽灯切换速度快的特点，利用配备LED的室内外大型显示屏、照明设备、信号灯和汽车前尾灯等发出的用肉眼观察不到的高速调制光波信号来对信息调制和传输，然后利用光电二极管等光电转换器件接收光载波信号并获得信息。
无论应用于室内还是室外的可见光LED通信系统，在其物理实现上均分为光信号发射装置和光信号接收装置两部分。光信号发射装置包括：将信号源信号转换成便于光信道传输的电信号的输入和处理电路、将电信号变化调制成光载波强度变化的LED可见光驱动调制电路。光信号接收装置包括：能对信号光源实现最佳接收的光学系统、将光信号还原成电信号的光电探测器和前置放大电路、将电信号转换成可被终端识别的信号处理和输出电路。其中，该用于接收光信号的光学系统包括聚光器和滤光片。通过该滤光片可以将环境中的杂质光信号去除。然而，现有的滤光片通常只能实现单带通滤光，即，仅允许一个波段的光信号通过，信号利用率较低且不便于系统集成。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种信号利用率较高的可见光通信系统。
一种可见光通信系统，其包括：一光信号发射装置；以及一与该光信号发射装置配合使用的光信号接收装置，且该光信号接收装置包括一滤光片；其特征在于，所述滤光片包括：一基底；一设置于该基底表面的波导层，且该波导层的折射率大于所述基底的折射率；以及一设置于该波导层表面的金属光栅，且该金属光栅包括多个等间隔设置的金属条；其中，所述滤光片的参数满足以下公式(1)-(3)从而使该滤光片可以实现两个或两个以上带通滤光：
Λ＝α1Λ1+α2Λ2 α1,α2∈(0,1)α1+α2＝1 (2)
其中，k0表示真空中的波矢，ε0表示基底的介电常数，ε1表示波导层的介电常数，ε2表示该滤光片表面的介质的介电常数，π为常数，θin表示入射光信号的倾角，m为波导所支持的模式数，h表示该波导层的厚度，λ1和λ2为入射光信号中不同波段的可见光中最长的两个波长，α1和α2为Λ1和Λ2的权重，可以根据设计需要选择。
进一步，所述基底的材料为二氧化硅、玻璃或石英，所述波导层的材料为二氧化钛或五氧化二钽，所述金属光栅的材料为铝、银、铜或金。
进一步，所述基底的材料为二氧化硅，所述波导层的材料为二氧化钛，所述金属光栅的材料为铝。
进一步，包括一设置于该波导层和该金属光栅之间的缓冲层，所述缓冲层的材料需与基底材料一致。
进一步，所述多个金属条为矩形且呈二维阵列排列。
进一步，所述滤光片表面的介质为空气。
进一步，所述光信号发射装置包括：一信号输入电路、一与该信号输入电路电连接的信号调制电路以及一与该信号调制电路电连接的光源。
进一步，所述光源包括LED阵列以及与该LED阵列电连接的LED驱动模块。
进一步，所述LED阵列为RGB三色组合LED阵列或RGBA四色组合LED阵列或更多颜色组合的LED阵列。
进一步，所述光信号接收装置还包括一聚光器、一与该滤光片连接的信号解调电路以及一与该信号解调电路电连接的信号输出电路。
本发明提出的制作方法优点为，由于该可见光通信系统的滤光片可以实现多带通滤光，该可见光通信系统具有较高的信号利用率且便于集成。
附图说明
图1是本发明的一个实施例的可见光通信系统的结构示意图。
图2是本发明一个实施例的滤光片的立体结构示意图。
图3是图2的滤光片沿线III-III的剖视图。
图4是本发明另一实施例的滤光片的立体结构示意图。
图5是本发明另一实施例的滤光片种立体结构示意图。
图6是实施例1所制备的滤光片的立体扫描电镜照片。
图7是实施例1的滤光片的三带通滤光性能的设计目标和仿真结果的对比。
图8是实施例1的滤光片的三带通滤光性能的仿真结果和实验结果的对比。
图9是实施例2所制备的滤光片的俯视扫描电镜照片。
图10是实施例2的滤光片的四带通滤光性能的设计目标和仿真结果的对比。
图11是实施例2的滤光片的四带通滤光性能的仿真结果和实验结果的对比。
图12是实施例3的滤光片的三带通滤光性能的仿真结果。
图13是实施例4的滤光片的三带通滤光性能的仿真结果。
图14是实施例5的滤光片的三带通滤光性能的仿真结果。
图15是实施例6的滤光片的三带通滤光性能的仿真结果。
主要元件符号说明
可见光通信系统 10
光信号发射装置 12
信号输入电路 120
信号调制电路 122
光源 124
光信号 126
光信号接收装置 14
滤光片 140
基底 1402
波导层 1404
金属光栅 1406
缓冲层 1408
聚光器 142
信号解调电路 144
信号输出电路 146
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
下面将结合附图及具体实施例，对本发明提供的可以实现多带通滤光的滤光片以及采用该滤光片的可见光通信系统作进一步的详细说明。本发明的可见光通信系统可以采用实现荧光灯、白炽灯或LED灯等光源发出的可见光进行可见光通信。
请参阅图1，本发明实施例提供的可见光通信系统10包括：一光信号发射装置12，以及一与该光信号发射装置12配合使用的光信号接收装置14。所述光信号发射装置12用于将需要发射的信号调制到光载波并以光信号126的方式发射出去。所述光信号接收装置14用于接收所述光信号发射装置12发射的光信号126，并将该接收到的光信号126转换为终端，如电脑和手机等电子设备，可以识别的信号，例如电信号，并向终端输出。
所述光信号发射装置12包括：一信号输入电路120、一与该信号输入电路120电连接的信号调制电路122，以及一与该信号调制电路122电连接的光源124。所述信号输入电路120用于接收外界输入的电信号，并将该电信号根据通信需求，编码成便于光信道传输的电信号。所述信号调制电路1220用于接收来自该信号输入电路120的电信号并将该电信号变化调制成光载波强度变化的电信号。所述光源124用于接收来自该信号调制电路122的电信号并将该电信号变化转换为光信号126后发射出去。
所述光信号接收装置14还包括：一滤光片140、一设置于该滤光片140一侧的聚光器142、一设置于该滤光片140另一侧且与该滤光片140连接的信号解调电路144，以及一与该信号解调电路144电连接的信号输出电路146。所述聚光器142用于收集光信号126并将收集到的光信号126聚集到该滤光片140，从而使该光信号126通过该滤光片140过滤。所述滤光片140用于将非通信波段的杂质光信号去除，并将过滤后的光信号126导入该信号解调电路144。所述信号解调电路144用于将光信号126还原成电信号，并进行解调。所述信号输出电路146用于接收来自该信号解调电路144的电信号，将该电信号转换成可以被终端识别的信号并向终端输出。
请进一步参阅图2-3，所述滤光片140包括：一基底1402、一设置于该基底1402表面的波导层1404、以及一设置于该波导层1404表面的金属光栅1406。所述波导层1404的折射率大于所述基底1402的折射率。
所述基底1402的材料可以为二氧化硅、玻璃或石英。所述基底1402在可见光波段的折射率为1.4～1.5。所述基底1402的形状、尺寸以及厚度不限，可以根据实际需要选择。
所述波导层1404的材料可以为二氧化钛或五氧化二钽。所述波导层1404在可见光波段的折射率为2.1～2.8。所述波导层1404的形状和尺寸不限，可以根据实际需要选择。优选地，所述波导层1404将所述基底1402的表面全部覆盖。
所述金属光栅1406包括多个等间隔设置的金属条。所述金属光栅1406的材料可以为铝、银、铜或金等常见金属。参见图2和图4，所述金属光栅1406的多个金属条可以平行间隔呈一维阵列排列设置。参见图5，所述金属光栅1406的多个金属条也可以呈二维阵列排列。所述金属光栅1406的金属条的周期Λ为200纳米～400纳米，厚度d为10纳米～100纳米，占空比f＝w/Λ为0.1～0.8，其中w为金属条的宽度。
所述滤光片140的参数满足以下公式(1)-(3)从而使该滤光片140可以实现在指定波长λ1和λ2处同时实现高透过率多带通滤光，其中λ1和λ2为可以通过该滤光片140的不同波段的可见光中最长的两个波长：
Λ＝α1Λ1+α2Λ2 α1,α2∈(0,1)α1+α2＝1 (2)
其中，k0表示真空中的波矢，ε0表示基底1402的介电常数，ε1表示波导层1404的介电常数，ε2表示滤光片140表面的介质的介电常数，π为常数，θin表示入射光信号126的倾角，m为波导所支持的模式数，h表示该波导层1404的厚度，α1和α2为Λ1和Λ2的权重，α1和α2可以根据设计需要选择。首先利用公式(1)，分别解出针对两个波长λ1和λ2所适用的光栅周期Λ1和Λ2，根据公式(2)，兼顾两个波长取其中值作为光栅周期。由此可见，h越大，波导可支持稳定传播的模式数更多，反之，若滤光片有多个通带，波导所支持的模式数也相应增加。由于光栅模式的存在，若滤光片只有3个通带时，m的取值为0和1，若滤光片有4个通带时，m的取值为0、1和2。
请进一步参阅图4-5，所述滤光片140还可以包括一设置于该波导层1404和该金属光栅1406之间的缓冲层1408。所述缓冲层1408的形状、尺寸以及厚度不限，可以根据实际需要选择。优选地，所述缓冲层1408将所述波导层1404的表面全部覆盖。所述缓冲层1408的材料需与基底1402材料一致。
以下为本发明的具体实施例。
实施例1
所述光源124包括RGB三色组合白光LED阵列以及与该LED阵列电连接的LED驱动模块。所述信号调制电路122包括DFT-S-OFDM调制器。所述基底1402为厚度0.5毫米的二氧化硅层。所述波导层1404为厚度h＝255纳米的二氧化钛层，且将所述基底1402的表面全部覆盖。所述金属光栅1406包括多个如图2所示的矩形铝金属条，且该矩形铝金属条的宽度w为170纳米，周期Λ为340纳米，厚度d为50纳米，占空比f＝w/Λ为0.5。所述滤光片140表面的介质为空气。请参见图6，为实施例1所制备的滤光片的扫描电镜照片。可以理解，铝在可见光波段趋肤深度最小且在可见光波段等效折射率最小，从而使得所述波导层1404的折射率远大于所述基底1402和所述金属光栅1406的折射率。
进一步，本实施例对该滤光片140的三带通滤光性能进行了模拟仿真和实验测试。所述RGB三色组合白光LED阵列发出的蓝光中心波长为460纳米,绿光中心波长为550纳米，以及红光中心波长为660纳米，其中λ1和λ2分别为550纳米和660纳米，α1＝α2＝0.5。请参见图7，为实施例1的滤光片140的三带通滤光性能的设计目标和仿真结果的对比。从图7可见，本实施例设计的滤光片的三个通带的中心波长及峰值透过率均符合设计要求。请参见图8，为实施例1的滤光片140的三带通滤光性能的设计目标和实验结果的对比。从图8可见，本实施例设计的滤光片的三个透射峰的中心波长与目标值一致，后两个透射峰的峰值透过率接近80％，透过率的谷值几乎为0，具有很高的抑制比。第一个峰透过率稍低主要是由于金属材料的固有属性。
实施例2
本实施例与实施例1基本相同，其区别在于：所述光源124包括RGBA四色组合白光LED阵列以及与该LED阵列电连接的LED驱动模块。所述信号调制电路122包括DFT-S-OFDM调制器。所述基底1402为厚度0.5毫米的二氧化硅层。所述波导层1404为厚度h＝420纳米的二氧化钛层，且将所述基底1402的表面全部覆盖。所述金属光栅1406包括多个如图2所示的矩形铝金属条，且该矩形铝金属条的宽度w为155纳米，周期Λ为310纳米，厚度d为70纳米，占空比f＝w/Λ为0.5。请参见图9，为实施例2所制备的滤光片的扫描电镜照片。
进一步，本实施例对该滤光片140的四带通滤光性能进行了模拟仿真和实验测试。所述RGBA四色组合白光LED阵列发出的蓝光中心波长为460纳米,绿光中心波长为550纳米，黄光中心波长为590纳米，红光中心波长为660纳米，其中λ1和λ2分别为590纳米和660纳米，α1＝α2＝0.5。请参见图10，为实施例2的滤光片140的三带通滤光性能的设计目标和仿真结果的对比。从图10可见，本实施例设计的滤光片的四个通带的中心波长、带宽及峰值透过率均符合设计要求。请参见图11，为实施例2的滤光片140的三带通滤光性能的设计目标和实验结果的对比。从图11可见，实验结果与设计目标一致，四个通带的中心波长、带宽及峰值透过率均符合预期，滤光片具有极高的抑制比。
实施例3
本实施例与实施例1基本相同，其区别在于：所述金属光栅1406的材料为金。从图12可见，本实施例设计的滤光片基本符合三通带滤光要求。
实施例4
本实施例与实施例1基本相同，其区别在于：所述金属光栅1406的材料为银。从图13可见，本实施例设计的滤光片基本符合三通带滤光要求。
实施例5
本实施例与实施例1基本相同，其区别在于：所述金属光栅1406的材料为铜。从图14可见，本实施例设计的滤光片基本符合三通带滤光要求。
实施例6
本实施例与实施例1基本相同，其区别在于：所述波导层1404为厚度h＝270纳米的五氧化二钽层，且将所述基底1402的表面全部覆盖；所述金属光栅1406的铝金属条的宽度w为165纳米，周期Λ为330纳米，厚度d为10纳米，占空比f＝w/Λ为0.5。从图15可见，本实施例设计的滤光片基本符合三通带滤光要求。
本发明提供的可见光通信系统10与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：由于该滤光片140可以实现多带通滤光，该可见光通信系统10具有较高的信号利用率。
另外，本领域技术人员还可以在本发明精神内做其他变化，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。

Claims (10)

1.一种可见光通信系统，其包括：一光信号发射装置；以及一与该光信号发射装置配合使用的光信号接收装置，且该光信号接收装置包括一滤光片；其特征在于，所述滤光片包括：
一基底；
一设置于该基底表面的波导层，且该波导层的折射率大于所述基底的折射率；以及
一设置于该波导层表面的金属光栅，且该金属光栅包括多个等间隔设置的金属条；
其特征在于，所述滤光片的参数满足以下公式(1)-(3)从而使该滤光片可以实现两个或两个以上带通滤光：
（1）
（2）
（3），
其中，k0表示真空中的波矢，ε0表示基底的介电常数，ε1表示波导层的介电常数，ε2 表示该滤光片表面的介质的介电常数，π为常数，θin表示入射光信号的倾角，m为波导所支持的模式数，h表示该波导层的厚度，λ1和λ2为入射光信号中不同波段的可见光中最长的两个波长，α1和α2为Λ1和Λ2的权重。
2.根据权利要求1所述的可见光通信系统，其特征在于，所述基底的材料为二氧化硅、玻璃或石英，所述波导层的材料为二氧化钛或五氧化二钽，所述金属光栅的材料为铝、银、铜或金。
3.根据权利要求2所述的可见光通信系统，其特征在于，所述基底的材料为二氧化硅，所述波导层的材料为二氧化钛，所述金属光栅的材料为铝。
4.根据权利要求1所述的可见光通信系统，其特征在于，进一步包括一设置于该波导层和该金属光栅之间的缓冲层，所述缓冲层的材料需与基底材料一致。
5.根据权利要求1所述的可见光通信系统，其特征在于，所述多个金属条为矩形且呈二维阵列排列。
6.根据权利要求1所述的可见光通信系统，其特征在于，所述滤光片表面的介质为空气。
7.根据权利要求1所述的可见光通信系统，其特征在于，所述光信号发射装置包括：一信号输入电路、一与该信号输入电路电连接的信号调制电路以及一与该信号调制电路电连接的光源。
8.根据权利要求7所述的可见光通信系统，其特征在于，所述光源包括LED阵列以及与该LED阵列电连接的LED驱动模块。
9.根据权利要求8所述的可见光通信系统，其特征在于，所述LED阵列为 RGB三色组合LED阵列或RGBA四色组合LED阵列。
10.根据权利要求1所述的可见光通信系统，其特征在于，所述光信号接收装置还包括一聚光器、一与该滤光片连接的信号解调电路以及一与该信号解调电路电连接的信号输出电路。
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