CN106452584B - 一种可见光通信光强增加接收系统 - Google Patents

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Abstract

本发明一种可见光通信光强增加接收系统，包括可见光照明及通信发射单元、发射天线、接收聚焦透镜、无源转光材料、窄带滤光片、光放大器、光电探测器、信号处理单元；可见光照明及通信发射单元在光源上加载调制信息，将调制后的信息经过发射天线发射到自由空间，接收聚焦透镜收集可见光信号，收集的可见光信号经过无源转光材料把接收到的可见光能量集中压缩转换成窄光谱，压缩后的光谱经过在接收聚焦透镜焦平面处的窄带滤光片滤出压缩集中后的光谱后送至光放大器进行窄光谱的放大，再经过光电探测器转换成电信号，最后进入信号处理单元对信号进行解调得到通信信息。本发明在可以得到很好的应用，提高了可见光的通信距离，具有实用性。

Description

一种可见光通信光强增加接收系统
技术领域
本发明属于保密通信领域，涉及远距离可见光通信的系统。
背景技术
可见光通信是一种利用LED的快速响应特性实现高速数据传输的新型绿色信息技术。该技术利用LED作为光源，在不影响正常照明的前提下，可使照明设备具备“无线路由器”、“通信基站”、“网络接入点”等功能。可见光通信作为一种照明和光通信结合的新型通信模式将推动下一代照明和接入网的融合发展和技术进步，已成为国内外竞争的焦点和制高点。无论在国家战略层面，还是其潜在的广泛应用领域和巨大的市场规模上，可见光通信的发展都具有重大意义。
采用可见光通信有以下几方面的原因，其一，可见光发光二极管电光效率高，并且价格低廉的一种光通信技术，电光效率可以达到90％，西安分院已在实验室测试，1.2W的电功率可以达到1W的光功率输出。并且现在国产的可见光单片光源可以达到90W。其二可见光发光二极管具有高寿命性，2001年NASA保证空间研究中心也开始发光二极管和激光器在空间优势的分析和论证，论证认为发光二极管可靠性在105-108，激光器可靠性在105。经过多年的发展的发光二极管得到长足的技术进步，现在的发光二极管寿命早超过十年的寿命，可以应用高寿命的航天器上。其三，可见光光功率可以上百瓦输出，所以可高功率宽波束进行通信，对于限制光通信发展的高精度伺服控制的必要性不再重要。日本发展小型的shindaisat卫星，是可见光与地面的通信技术，利用结构星的全新可见光通信技术。其四，可见光源发光机理上与激光光源具有更优的抗辐照能力，此技术结论已被欧洲航天局验证。
可见光通信最大问题由于通信频谱宽，因而通信距离近，所以可以采用新的技术把可见光的通信变成窄波束通信。
目前白光LED通过荧光粉实现白光的方式主要有两种：一种是以蓝光LED芯片激发黄色荧光粉(如：YAG：Ce3+)，通过LED的蓝光和荧光粉发出的黄光合成白光。但是由于其缺少红光波段，所以演色性不理想，而且YAG：Ce3+的热稳定性也有待提高。第二种是按照三原色的混色原理以近紫外LED芯片激发以一定比例组合的红、绿、蓝三种颜色的荧光粉发光形成白光。其中以紫外LED芯片为基础的白光LED，由于其具有红绿蓝三基色发光，理论上可以调配成任何色温的光源，而且其演色性更好，制备更加简单。作为白光LED不可缺少的部分，荧光粉成为白光LED发展的关键之一。
硅基多元系氮化物和氧氮化物的形成主要是通过在硅酸盐或者铝硅酸盐晶体结构中引入N原子，而得到一系列含有Si-N，AI-N，(Si，A1)-N等四面体的氮硅化物和氮铝硅化物。通过在硅氧化物或者铝硅氧化物中引入N原子而形成氧氮化硅或者氧铝氮化硅等氧氮化物。和熟知的硅酸盐相比，这些氮化物和氧氮化物在结构上更具有多样性和自由度，因而种类繁多，为研究它们的发光特性提供了丰富的空间。
查阅文献，在数据库中搜索“LED communication、visible lightcommunication“可见光通信”、查阅到文献比较多。都是进行室内的通信演示实验或者室外可见光通信的短距离背景光影响分析的研究。“Nitrid Phosphor”的查询方面有多篇论文，研究氮化物荧光剂在LED制造方面如何产生满足CIE-1931的红色光，“Luminescence properties ofCaAlSiN3:Eu2+phosphor prepared by direct-nitriding method using fine metalhydride powders”此文章说明荧光剂激发波长可以从200nm到590nm。并且发射波长是650nm左右。
(2)专利方面，可见光通信具有专利534篇，在其中远距离通信方面没有关于提高通信距离，通过绿光和蓝光在接收方利用光谱转移的方法。
(3)调研国家现在装备通信，多是激光通信，可见光通信正在发展。
综上所述，没有可见光光强增强接收法。因此，本技术具有新颖性。
发明内容
本发明解决的技术方案是：克服现有技术的不足，提供一种可见光通信光增强接收系统，使得光谱宽度变窄，接收方变成窄光谱通信方式，使得红光波段能量增强达到光谱放大的目的。
本发明的技术方案是：一种可见光通信光强增加接收系统，包括可见光照明及通信发射单元、发射天线、接收聚焦透镜、无源转光材料、窄带滤光片、光放大器、光电探测器、信号处理单元；可见光照明及通信发射单元在光源上加载调制信息，将调制后的信息经过发射天线发射到自由空间，接收聚焦透镜收集可见光信号，收集的可见光信号经过无源转光材料把接收到的可见光能量集中压缩转换成窄光谱，压缩后的光谱经过在接收聚焦透镜焦平面处的窄带滤光片滤出压缩集中后的光谱后送至光放大器进行窄光谱的放大，再经过光电探测器转换成电信号，最后进入信号处理单元对信号进行解调得到通信信息。
所述利用无源转光材料氮化物CaAlSiN3：Eu2+荧光剂，把接收的可见光宽光谱段转换成窄光谱段，并且无源转光材料与窄带滤光片集成一体化。
所述无源转光材料与环氧胶A、B型按照1：10的比例混合制作，并与窄带滤光片集成一体。
所述CaAlSiN3：Eu2+荧光剂为国标(GB/T 30075-2013)中的N660，1113原子结构的荧光剂。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)目前可见光通信由于光谱宽度大，容易受背景光影响大，另外在接收方无法实现可见光的宽谱光放大。采用在接收方光谱压缩的方法，可以使得光谱宽度变窄，接收方变成窄光谱通信方式，实际上使得红光波段能量增强达到光谱放大的目的，因此可以使得通信距离提高，然而对于可见光的通信系统设计应用具有一定的创造性。
(2)本方法适用在可见光通信系统中，在接收方采用氮化物荧光剂使得590nm以下的光激发转换到650nm中心波长的深红色波段，使得可见光通信的谱宽度得到有效压缩，变成窄波长通信。此方法在不影响通信质量的前提下，解决可见光通信距离近问题目的。
(3)可见光通信光强增强接收方法有如下优点及进步：
●采用氮化物荧光剂，此氮化物荧光剂使得590nm以下的光激发进行转换到650nm中心波长的深红色波段，可以使得可见光波段得到有效转换的优点。
●此方法的光谱压缩到深红色波段，使得可见光300nm的谱宽度，变成10nm的谱宽度的方式，也不影响通信信号质量。
综上所述，本发明具有创造性，与现有的技术相比具有较大改进，在可见光通信技术中提出光能增强接收方法，在可见光通信方面可以得到很好的应用，提高了可见光通信远距离传输的实用性。
附图说明
图1为无源转光材料转光效率实验测试结果图；
图2为可见光通信光强增强接收系统原理图；
图3为实验验证增强光功率结果图。
具体实施方式
为了便于说明本发明的具体实施方式，下面就结合附图对本发明详细介绍。
1、根据可见光通信系统的特点，属于宽光谱通信方式，因此在接收方没有宽光谱放大器的使用，使得通信的探测最小功率受限，所以采用STOKES光致发光原理，具体使用的无源转光材料4是氮化物CaAlSiN3：Eu2+荧光剂，此荧光剂是国标(GB/T 30075-2013)中的N660，1113原子结构的荧光剂，把高能量光子转换成H-α谱段的低能量光子，实验测试无源转光材料在蓝色发光二极管的通信性能。具体的过程是：首先利用蓝色发光二极管(中心波长458.7nm，带宽21nm，色温1636K，色品坐标(x＝0.1477，y＝0.0306)作为光源进行荧光剂对通信影响测试。NRZ码字通过驱动调制蓝色二极管，光束发射通过荧光剂，CaAlSiN3：Eu2+荧光剂通过环氧胶(1：10比例)敷在K7玻璃上，经过H-α滤光片(中心波长656nm，带宽10nm)接收到的信号经过光电探测器(OSI optoelectronics PIN-100-YAG)光电信号转换，信号通过示波器(Lecroy 740Zi)测量荧光剂转换效率，信号上升沿展宽测量以及荧光剂的延时，最后测量信号质量的眼图参数。试验结果显示荧光剂光能搬移50％的高效率，通信的码延时0.25μs，通信码上升沿(20％-80％)展宽0.25μs，通光效率96％，信号完整性眼图等属性，说明荧光剂的加入对于通信信号质量没有多大影响。转换效率结果图1所示，图中纵坐标是探测器的响应电压，横坐标是测量的次数，图中曲线1是无荧光剂的接收能量，曲线2是有荧光剂的接收能量，曲线3是转换的效率比。
2、经过空间传输已经调制信息的照明光，接收端通过聚焦透镜3来接收光信号，在聚焦透镜3的焦平面处放置窄带滤光片5与无源转光材料4组合器件，这种组合是滤光片的基础光学玻璃上，利用CaAlSiN3：Eu2+转光粉末材料与环氧胶(A，B)型合成，A，B型环氧胶组合比例为1：10，通过喷涂的方式喷粘到滤光片上。具体成分见图2所示，一是消除背景光，滤光片带宽650nm±5nm，二是用来转换590nm以下的可见光波段到650nm左右。如此可见光宽谱通信变为窄光谱通信。
3、再经过650nm光放大器6，此放大器带宽5nm，如此可以把原来的宽光谱低能量谱密度的光放大器不能实现的事情，可以通过此光谱压缩实现能量谱的聚集，以达到窄光谱高能量密度，故此可以利用光放大器实现可见光接收信号的放大作用。经过放大的光信号再经过光电探测器7变换成电信号，再经过信号处理单元8进行光信号的解调。为验证此方法的能力，实验在蓝光和绿光组合的光束发射，经过图2的接收系统中光增强荧光剂和不经过增强荧光剂的两种情况下进行。实验结果如下图3所示。横坐标是实验测量得距离，纵坐标是在探测功率情况。曲线1是无转光材料情况下的光增强的接收光强情况，此曲线光强不包括光放大器的作用，曲线2是有转光材料的接收光强情况。可以看出探测到的可见光被增加,并且强度增加3倍，可以看出随着距离增加，增强得效果降低。但这种方法可以使得通信距离提高，这样利用无源转光材料的下转换光谱压缩搬移，使得可见光远距离通信完全可以实现。
本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (2)

1.一种可见光通信光强增加接收系统，其特征在于：包括可见光照明及通信发射单元(1)、发射天线(2)、接收聚焦透镜(3)、无源转光材料(4)、窄带滤光片(5)、光放大器(6)、光电探测器(7)、信号处理单元(8)；可见光照明及通信发射单元(1)在光源上加载调制信息，将调制后的信息经过发射天线(2)发射到自由空间，接收聚焦透镜(3)收集可见光信号，收集的可见光信号经过无源转光材料(4)把接收到的可见光能量集中压缩转换成窄光谱，压缩后的光谱经过在接收聚焦透镜(3)焦平面处的窄带滤光片(5)滤出压缩集中后的光谱后送至光放大器(6)进行窄光谱的放大，再经过光电探测器(7)转换成电信号，最后进入信号处理单元(8)对信号进行解调得到通信信息；
所述无源转光材料(4)为氮化物CaAlSiN3：Eu2+荧光剂，把接收的可见光宽光谱段转换成窄光谱段，并且无源转光材料与窄带滤光片(5)集成一体化。
2.根据权利要求1所述的一种可见光通信光强增加接收系统，其特征在于：所述CaAlSiN3：Eu2+荧光剂为国标GB/T 30075-2013中的N660，1113原子结构的荧光剂。
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