CN112737677B

CN112737677B - 一种基于量子点玻璃的日盲紫外光通信系统

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Publication number: CN112737677B
Application number: CN202110082595.XA
Authority: CN
Inventors: 付丽丽; 高永进; 郑锐林; 封其东; 韦玮
Original assignee: Nanjing University of Posts and Telecommunications
Current assignee: Nanjing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2021-01-21
Filing date: 2021-01-21
Publication date: 2022-07-01
Anticipated expiration: 2041-01-21
Also published as: CN112737677A

Abstract

本发明是一种基于量子点玻璃的日盲紫外光通信系统，该通信系统包括发射端、接收端，发射端包括信号源、驱动电路、深紫外LED，接收端包括光转换器、光电探测器、放大电路和信号可视化工具，信息在信号源以电信号的形式输入，通过驱动电路作为开关，控制深紫外LED的亮和暗，从而将电信号转换为日盲紫外光发射，经过光转换器转换为光电探测器敏感波段的可见光，从光转换器的另一侧发出，经过光电探测器将可见光转换成电信号，经过放大电路将电信号放大并输出。本发明通过使用基于CsPbBr₃ QDs玻璃作为光转换器将日盲紫外光转换成可见光，便于探测，极大降低系统成本。

Description

一种基于量子点玻璃的日盲紫外光通信系统

技术领域

本发明涉及适用于日盲紫外光转换为可见光及日盲紫外光通信系统，具体的说是一种基于CsPbBr₃ QDs玻璃作为日盲紫外光转换器的高效日盲紫外光通信系统。

背景技术

日盲紫外光通常是指波长在200-280 nm范围的电磁辐射，因为这个波段的电磁辐射只受到臭氧层的吸收作用，所以在地表的干扰小，从而使得日盲紫外光在通信方面具有较大的优势。

日盲紫外光通信系统主要包括两个部分：发射端、接收端；早期日盲紫外光通信系统中的发射端主要利用气体放电灯作为光源，但其具有发射波长难以控制，响应时间长及体积过大等缺点；深紫外LED由于具有优良的调制特性和使用灵活性等特点，成为通信光源的最佳选择之一；接收端通常使用APD或PIN光电二极管进行接收日盲紫外光信号，由于硅基光电二极管探测灵敏区域多位于可见光至红外波段，而对于日盲紫外光信号探测输出电流低。为解决这个问题，一种方法是选择宽带隙的半导体材料制备探测器，但其原材料价格昂贵且工艺不成熟，仍存在质量问题；另一种是利用波长转换技术将日盲紫外光转换为硅基光电探测器的敏感区域，以提高信号输出电流。如美国伊利诺伊大学的Sheng Xing博士以Eu³⁺复合的有机薄膜材料结合单个硅PN结实现了紫外光下转换探测器，以其组成的日盲紫外光通信系统输出电流小于1 μA；南京大学的Lu Jiawen使用CsPbX₃(X=Cl、Br、I)量子点旋涂在三维PIN结上制备一种日盲紫外探测器，其日盲紫外光通信系统传输带宽为1KHz。

然而通过将光转换材料直接涂覆在光电转换器的接收窗口，这种方法会导致转换材料与光电探测器的有源区接触产生寄生效应，从而导致系统的传输速率偏低，CsPbBr₃QDs具有较高的量子效率，4-10 ns的衰减寿命，在吸收日盲紫外光后发射出明亮的绿光（发射峰在531 nm，发射范围在500-550 nm），基于CsPbBr₃ QDs的玻璃可作为良好的紫外光下转换器件。

发明内容

针对探测器对日盲紫外光探测不灵敏，以及传统日盲紫外光通信系统的通信带宽小、传输速率低等问题，本发明提供了一种高效高效日盲紫外光通信系统；系统接收端通过将CsPbBr₃ QDs玻璃作为日盲紫外光转换器，避免了寄生效应的出现，同时基于光转换器的性能，大幅度提升系统的传输速率；将日盲紫外光通信系统中的其它组件的带宽同时进行优化，将整体提高日盲紫外光通信系统的传输速率，具有转换效率高，成本低，易于操作等优势。

为了达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明是一种基于量子点玻璃的日盲紫外光通信系统，该通信系统包括发射端、接收端，发射端包括信号源、驱动电路、深紫外LED，接收端包括光转换器、光电探测器、放大电路和信号可视化工具，信号源与所述驱动电路、驱动电路与深紫外LED之间均电连接，光转换器安装在光电探测器的前端，光转换器与光电探测器的接收窗口中心在同一水平，放大电路连接光电探测器的输出引脚，将光电探测器探测的电信号进行放大并输出，放大电路通过输出导线与信号可视化工具连接，信息在信号源以电信号的形式输入，通过驱动电路作为开关，控制深紫外LED的亮和暗，从而将电信号转换为日盲紫外光发射，经过光转换器转换为光电探测器敏感波段的可见光，从光转换器的另一侧发出，经过光电探测器将可见光转换成电信号，经过放大电路将电信号放大并输出。

本发明的进一步改进在于：光转换器为基于CsPbBr₃ QDs玻璃制备的光转换器，光转换器的厚度为1-1.5 mm，在530-800 nm波段透过率为90-93%，在紫外光激发下的发射范围为500-550 nm，荧光寿命范围为4-10 ns。

本发明的进一步改进在于：信号源为信号发生器或FPGA开发板对信息数据进行编译以电信号输出。

本发明的进一步改进在于：驱动电路的频率带宽范围为70-100 MHz。

本发明的进一步改进在于：深紫外LED发射波长在200-280 nm之间，深紫外LED的频率带宽范围为70-100 MHz。

本发明的进一步改进在于：光电探测器为PIN光电二极管，光电探测器的探测波长在400-760 nm之间，光电探测器的带宽范围为70-100 MHz。

本发明的进一步改进在于：放大电路的带宽范围为70-100 MHz，放大倍数为0-100倍。

本发明的进一步改进在于：接收端的信号可视化工具可连接示波器或FPGA开发板对电信号进行解码。

本发明的有益效果是（1）发明具有体积小、易集成、易更换等优势，极大简化实验操作；（2）本发明将日盲紫外光通信系统的通信系统带宽从1-50 KHz提升至26-65 MHz；（3）本发明通过使用基于CsPbBr₃ QDs玻璃作为光转换器将日盲紫外光转换成可见光，便于探测，极大降低系统成本。

附图说明

图1本发明通信系统整体结构示意图。

图2是本发明的光转换器的工作示意意图。

具体实施方式

以下将以图式揭露本发明的实施方式，为明确说明起见，许多实务上的细节将在以下叙述中一并说明。然而，应了解到，这些实务上的细节不应用以限制本发明。也就是说，在本发明的部分实施方式中，这些实务上的细节是非必要的。此外，为简化图式起见，一些习知惯用的结构与组件在图式中将以简单的示意的方式绘示之。

如图1-2所示，本发明是一种基于CsPbBr₃ QDs玻璃作为光转换器的日盲紫外光通信系统，该通信系统包括发射端、接收端，所述发射端包括信号源1、驱动电路2、深紫外LED3，所述接收端包括光转换器4、光电探测器5、放大电路6和信号可视化工具7，所述信号源1与所述驱动电路2、所述驱动电路2与所述深紫外LED3之间均电连接，所述光转换器4安装在所述光电探测器5的前端，所述光转换器4与所述光电探测器5的接收窗口中心在同一水平，所述放大电路6连接所述光电探测器5的输出引脚，将所述光电探测器5探测的电信号进行放大并输出，所述放大电路6通过输出导线与信号可视化工具7连接，放大电路6的带宽范围为70-100 MHz，放大倍数为0-100倍，信息在所述信号源1以电信号的形式输入，通过所述驱动电路2作为开关，控制所述深紫外LED3的亮和暗，从而将电信号转换为日盲紫外光发射，经过所述光转换器4转换为光电探测器敏感波段的可见光，从所述光转换器4的另一侧发出，经过光电探测器5将可见光转换成电信号，经过所述放大电路6将电信号放大并输出。

所述光转换器4为基于CsPbBr₃ QDs玻璃制备的光转换器，CsPbBr₃ QDs玻璃是通过传统熔融淬冷法制备而成，所述光转换器4的厚度为1-1.5 mm，在530-800 nm波段透过率为90-93%，在紫外光激发下的发射范围为500-550 nm，荧光寿命范围为4-10 ns，由于荧光寿命与光学带宽成反比，则以CsPbBr₃ QDs玻璃作为日盲紫外光转换器的理论光学带宽为26-65 MHz。

信号发生器作为信号源输入预先设置好的电子脉冲信号，FPGA开发板作为信号源时，可将需要传输的文件以及编译程序烧录进FPGA开发板中，将其编译输出电子脉冲信号，所述驱动电路2连接信号源与LED，作为LED的开关电路，将信号源输出的脉冲信号加载到LED上，所述驱动电路2的频率带宽范围为70-100 MHz，所述深紫外LED3发射波长在200-280nm之间，所述深紫外LED3的频率带宽范围为70-100 MHz。

所述光电探测器5为PIN光电二极管将电信号转换为电信号的媒介，所述光电探测器5的探测波长在400-760 nm之间，带宽范围为70-100 MHz。

所述接收端的信号可视化工具7可连接示波器或FPGA开发板对电信号进行解码，连接输出导线，示波器可视化呈现出输出波形曲线；连接至FPGA开发板，并将FPGA开发板连接显示器，FPGA开发板预先烧录入解释程序，将接收到的电信号解码并输出到显示器，可呈现出传输的内容。

实施例1：

本实例用来演示本发明的传输速率，使用278 nm波长的深紫外LED作为模拟日盲紫外光输出的光源，对脉冲信号源频率进行逐步增加；接收器端将探测范围在400-760 nm的PIN光电二极管作为光电探测器，按照上述实施方案搭建好系统。准备工作完成后将脉冲信号源加载驱动LED输出光信号，在接收端使用高精度的示波器连接至联通PIN光电探测器二极管的引脚的放大电路，可以得到一个波形失真阈值，从而得到传输带宽为60 MHz。

实施例2：

本实例用来演示利用本发明进行图片文件传输，使用278 nm波长的深紫外LED作为模拟日盲紫外光输出的光源，使用FPGA开发板作为信号发生源，并将图片文件及编译程序烧录进FPGA开发板中，将FPGA输出端口连接至驱动电路加载到LED；接收器端将探测范围在400-760 nm的PIN光电二极管作为光电探测器，PIN光电二极管连接放大电路，下游连接FPGA开发板作为解码器，烧录对应的解码程序，并连接显示器，在PIN光电二极管前部放置光转换器。准备工作完成后将FPAG启动并加载驱动LED输出光信号，在接收端连接FPGA开发板作为解码器并输出到显示器，在显示器中可以看到清晰的图片文件。

实施例3：

本实例用来演示利用本发明进行视频文件传输，使用278 nm波长的深紫外LED作为模拟日盲紫外光输出的光源，使用FPGA开发板作为信号发生源，并将视频文件及编译程序烧录进FPGA开发板中，将FPGA输出端口连接至驱动电路加载到LED；接收器端将探测范围在400-760 nm的PIN光电二极管作为光电探测器，PIN光电二极管连接放大电路，下游连接FPGA开发板作为解释器，烧录对应的解码程序，并连接显示器，在PIN光电二极管前部放置光转换器。准备工作完成后将FPAG启动并加载驱动LED输出光信号，在接收端连接FPGA开发板作为解码器并输出到显示器，在显示器中可以看到流畅的视频文件播放。

本发明的日盲紫外光通信系统接收端通过使用光转换器将波长为200-280 nm的日盲紫外光转换为易于探测的可见光（500-550 nm），同时基于CsPbBr₃ QDs玻璃固有的属性即高量子效率、4-10 ns的衰减寿命，使此日盲紫外光通信系统具有高的传输速率。本发明结构简单、成本低廉，升级操作方便，可以有效的提升探测灵敏度，提高日盲紫外光通信系统传输速率

以上所述仅为本发明的实施方式而已，并不用于限制本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原理的内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的权利要求范围之内。

Claims

1.一种基于量子点玻璃的日盲紫外光通信系统，该通信系统包括发射端、接收端，其特征在于：所述发射端包括信号源（1）、驱动电路（2）、深紫外LED（3），所述接收端包括光转换器（4）、光电探测器（5）、放大电路（6）和信号可视化工具（7），所述信号源（1）与所述驱动电路（2）、所述驱动电路（2）与所述深紫外LED（3）之间均电连接，所述光转换器（4）安装在所述光电探测器（5）的前端，所述光转换器（4）与所述光电探测器（5）的接收窗口中心在同一水平，所述放大电路（6）连接所述光电探测器（5）的输出引脚，将所述光电探测器（5）探测的电信号进行放大并输出，所述放大电路（6）通过输出导线与信号可视化工具（7）连接，信息在所述信号源（1）以电信号的形式输入，通过所述驱动电路（2）作为开关，控制所述深紫外LED（3）的亮和暗，从而将电信号转换为日盲紫外光发射，经过所述光转换器（4）转换为光电探测器敏感波段的可见光，从所述光转换器（4）的另一侧发出，经过光电探测器（5）将可见光转换成电信号，经过所述放大电路（6）将电信号放大并输出，其中所述光转换器（4）为基于CsPbBr₃ QDs玻璃制备的光转换器，所述光转换器（4）的厚度为1-1.5 mm，在530-800 nm波段透过率为90-93%，在紫外光激发下的发射范围为500-550 nm，荧光寿命范围为4-10 ns，所述光电探测器（5）为PIN光电二极管，所述光电探测器（5）的探测波长在400-760 nm之间，所述光电探测器（5）的带宽范围为70-100 MHz，所述驱动电路（2）的频率带宽范围为70-100MHz，所述放大电路（6）的带宽范围为70-100 MHz，放大倍数为0-100倍。

2.根据权利要求1所述一种基于量子点玻璃的日盲紫外光通信系统，其特征在于：所述信号源（1）为信号发生器。

3.根据权利要求1所述一种基于量子点玻璃的日盲紫外光通信系统，其特征在于：所述深紫外LED（3）发射波长在200-280 nm之间，所述深紫外LED（3）的频率带宽范围为70-100MHz。

4.根据权利要求1所述一种基于量子点玻璃的日盲紫外光通信系统，其特征在于：所述接收端的信号可视化工具（7）可连接示波器或FPGA开发板对电信号进行解码。