在紫外光通信系统发展的初期，由于器件材料的限制，早期的紫外光通信系统样机大都采用汞蒸气弧光灯作为紫外光源。图2.2为汞蒸气弧光灯的典型光谱特性。汞蒸气弧光灯作为紫外光源有很多缺点：易碎、高压驱动、难以实现高速率的开关进行直接调制、产生附加谱线太多以及寿命短等，而254nm的汞蒸气弧光灯的电光转换效率还不到10%。
图2.2高压汞蒸气弧光灯光谱
(2) 低压汞灯
低压汞灯可以发射出254nm左右的窄频带光谱，是低速率紫外光通信系统较为常见的紫外光源。其典型光谱特性如图2.3所示。低压汞灯的转换效率可达30%～40%。此种光源在使用过程中需要高压镇流器，另外还要使用反射聚光镜来引导紫外光的传播方向。此种光源的发射功率很可观，可达几十瓦甚至上万瓦。但在具体使用低压汞灯的过程中会存在难以实现高速率开关调制的问题，当使用频移键控(FSK: Frequency-shift keying)调制的时候，具体表现为在两个调制频率之间快速切换过程中，会产生频率成分很复杂的过渡带，如图2.4所示，调制频率相差越大过渡带越宽，这使得系统的通信速率提高到一个量级之后存在一个瓶颈，因此光源是限制紫外光通信系统速率进一步提高的关键因素。
低速率紫外光通信系统的光源大都采用气体放电灯，根据气体放电灯的特性，频移键控是较为常用的调制方式，由于气体放电灯从一个频率状态到另一个频率状态会产生所谓的“过度频带”，使两个频率之间的交替变化不能高速进行，从而限制了通信速率。另外，气体放电灯需要高压驱动，电光转换效率不高，响应速度慢，严重制约了通信速率的进一步提高。
8
图2.3低压汞蒸气灯光谱
图2.4低压汞灯频率调制过渡带
(3) 紫外激光器
由于紫外气体放电灯存在易碎、寿命短的缺点，人们开始将目光转向固体发光光源。1993年，美国麻省理工大学林肯实验室研制出了一种被动调Q微芯片激光器(如下图所示)，其脉宽为皮秒级，峰值功率也高于传统的激光器。2000 年，林肯实验室以这种激光器作为光源研制了一套便携式的紫外光通信系统。
该激光器在测试过程中工作性能良好，相对气体光源而言，具有坚固耐用的优点，但是其缺点也很明显：转换效率低、价格昂贵、使用寿命短、脉冲重复周期对温度敏感以及不易低压高速驱动等。\\ 2.2.2深紫外 LED
发光二极管(LED: Light Emitting Diode)是一种将电能转换为光能的半导体发光器件，是电致发光的固体光源。
9
图2.5紫外激光器示意图
深紫外LED的出现克服了传统光源的缺点：(1)LED采用低压供电，单管驱动电压为1.5-3.5V，可操作性和安全性都有保障；(2)LED功耗小，消耗能量较同光效的白炽灯减少80%；(3)LED稳定性好，工作10万小时时光输出衰减为初始值的50%；(4)LED的响应时间短，只有纳秒级，克服了低压汞蒸气灯所导致的过渡带问题。
深紫外LED通常采用AIGaN半导体，特别是高AI组分的AIGaN，材料的熔点在一个大气压下高达2500摄氏度以上，然而提高AI的组分一直以来都是深紫外LED发展的难点。目前高AI组分的AIGaN大多采用低温和低压的外延技术生长，存在晶体质量差和容易形成多晶的缺点。在外延生长过程中，相对于Ga原子，AI原子粘性系数较大，迁移率较小，难于迁移到具有最低能量晶格位，成统一 c 轴取向的高质量晶体。与GaN键相比，AIN键极性更强，不同极性面晶畴特性、晶粒结构和晶体质量等差异很大，如果AI原子晶格位置控制不好，易于形成缺陷，再加上通常采用蓝宝石衬底，与外延晶格搭配不当，膨胀系数差异更显著，导致三维外延生长，带来晶粒之间的相对倾斜和扭曲等复杂的变化，外延层中的应力的释放至关重要。因此，在深紫外LED 应用上要取得突破性进展，首先需解决LED 外延的关键技术难题。
结合以上分析，目前认为比较优秀的是深紫外LED，其特征参数如图2.6所示。
2.3紫外光通信的信道模型
2.3.1地球大气成分及特点
10
图2.6深紫外LED光谱
大气层又叫大气圈，地球就被这一层很厚的大气层包围着。大气层的成分主要有氮气、氧气、氩气，还有少量的二氧化碳、稀有气体(氦气、氖气、氩气、氪气、氙气、氡气)和水蒸气。大气层的空气密度随高度而减小，越高空气越稀薄。大气层的厚度大约在1000千米以上，但没有明显的界限。整个大气层随高度不同表现出不同的特点，分为对流层、平流层、中间层、暖层和逃逸层，再上面就是星际空间。除此之外，还有两个特殊的层，即臭氧层和电离层。臭氧层距地面20至30千米，实际介于对流层和平流层之间。这一层主要是由于氧分子受太阳光的紫外线的光化作用造成的，使氧分子变成了臭氧。臭氧层对真空紫外波段(200～280nm)的紫外光吸收最为强烈，在近地面几乎没有这一波段的紫外光。电离层很厚，大约距地球表面80千米以上。电离层是高空中的气体，被太阳光的紫外线照射，电离层带电荷的正离子和负离子及部分自由电子形成的。电离层对电磁波影响很大，可以利用电磁短波能被电离层反射回地面的特点，来实现电磁波的远距离通讯。
大气也包括部分液态水和固体颗粒，大气中悬浮着大量固体和液体粒子。通常将半径小于几十微米的固态微粒叫做大气气溶胶。其他则分别称之为雾滴、云滴、冰晶、雨滴以及冰雹、和雪花等固态降水粒子。大气中的气态物质、气溶胶与固态降水粒子等各种粒子具有多种复杂的物理化学特性。 2.3.2大气效应对紫外光通信的影响
11
影响紫外光信号在大气中传播的因素主要有：(1)紫外光信号在传播过程中受大气特性的影响，包括散射和吸收作用；(2)紫外光信号本身的性质，如波长、相位、脉冲宽度和光束的时间、空间分布特性等。大气特性的影响为主要因素。紫外光信号在大气传播过程中强度衰减很快，主要是由于大气的气体分子和大气气溶胶粒子的吸收和散射造成的，其中大气气溶胶粒子的吸收作用较为明显，而大气分子的散射作用则较为明显。大气吸收作用，近地大气中存在着各种气体分子和微粒，如尘埃、烟雾等，使得部分光辐射能量被吸收而转变为其他形式的能量，部分能量被散射而偏离原来的传播方向，辐射能在空间发生重新分配。大气散射作用，紫外光信号的大气散射特性是紫外光通信的基础。大气分子对紫外光信号的散射可以使大气的紫外光信号多次改变方向，从而被探测器接收。大气粒子的大小越接近紫外光的波长，对其所产生的散射强度就越大。大气中的散射源主要是大气分子和大气气溶胶粒子，由于两种粒子的大小不同，它们具有各自不同的散射特性。大气分子的直径比紫外光波长小的多，会产生典型的瑞利散射；而大气气溶胶粒子比紫外光波长大的多，会产生米氏散射。研究表明，大气分子的散射作用明显大于大气气溶胶粒子的散射作用，且至少高一个数量级，所以，在大气对紫外光通信的影响因素中通常可以忽略大气气溶胶的米氏散射作用。
大气层中空气密度的无规则起伏称为大气湍流。湍流对光束传输的影响称为湍流效应。在地球表面，热空气上升，冷空气下沉，形成空气对流。这样，在大气中各点的温度和密度是无规则变化的，这种变化随高度和风速而不同，变化较为剧烈时形成湍流。而大气的折射率取决于密度，因此大气的折射率也随空间和时间作无规则的变化，从而形成了大气湍流效应。大气湍流效应导致大气折射率的不断起伏，使得光波的振幅和相位随机发生变化，造成光束闪烁、弯曲、扩展、空间相干性偏低及偏振状态起伏等现象。这些现象都是由于空气折射率的随机变化造成的，因此，大气湍流效应引起的折射率起伏对紫外光通信影响较为明显。 2.3.3紫外光通信传输模型
大气分子和大气中的很多粒子对紫外光信号有很强的散射作用，被散射的紫外光信号会维持初始光信号的频率和固定相位关系，所以散射的紫外光信号可以用来传递信息。紫外光通信的链路方式有直视通信和非直视通信，如图2.7所示。早期的紫外光通信系统多为直视通信，随着现代光电技术的进步，非直视紫外光通信技术也取得了长足的进步。日盲紫外光通信系统是建立在地球表面日盲区紫外光低背景的基础上的，紫外低背景是大气层中的臭氧强烈吸收紫外线的结果。对于一般的红外光通信和一般的激光通信，都要求发射机和接收机之间必须严格对准。因此日盲紫外光通信能够实现非视线通信就引起了人们极大的兴趣。2000年，通用公司为美国军方研制了一套新型的非直视紫外光通信系统，此系统有稳定的传输信道，其非直视通信距离可以达1～3km。该系统的发射功率很低、隐蔽性好、机动性强并且可以实现非直视通信。日盲紫外光通信是利用日盲紫外光在低空大气信道中的日盲特性和其在大气中的散射作用来实现的，其显著的特点就在于日盲紫外光通信具有非视线传输的功能，所以在军事通信领域中有着巨大的优越性和发展潜力。非视线通信方式的工作原理：光在大气中传输时所产生的电磁场使大气中的分子和微粒所带的电荷产生振荡，而振荡的电荷又会产生一个或多个电偶极子，这些电偶极子就会向四周辐射出次级球面波，由于电荷的振荡与原始波是同步的，所以次级球面波与原始波就具有相同的振荡频率和固定的相位关系。次级球面波的波阵面的分布和振动情况将决定光的散射方向，因此发射的紫外光信号就能够散射在大
12