图 3.3不同阴极材料光谱响应曲线
3.2光电二极管
光电二极管的光电转换线性度较好，无需高工作电压，响应速度快，其主要参数有：量子效率、响应度、暗电流、结电容、灵敏度等。量子效率、响应度反应了光电二极管的光电转换效率。当没有光信号照射光电探测器时，外界的杂散光或热运动也会产生一些电子—空穴对，光电二极管也会产生电流，这个电流被称为暗电流，它会产生随机噪声，降低系统的信噪比。结电容直接影响到光电二极管的响应速度，结电容越小，器件响应速度越快，频带越宽。
在半导体材料上，当入射光子能量超过带隙能量时，每当一个光子被吸收就产生一个电子—空穴对。在外加电压建立的电场作用下，电子与空穴就在半导体中渡越形成光电流。其电流大小与入射光功率成正比，比例系数称为响应度。一个反偏的PN结就构成了光电二极管。光电二极管工艺简单，但其响应速度较低，为克服这个缺点，在PN结中插入一层非掺杂或轻掺杂半导体，就可增大耗尽层宽度，减小了扩散运动的影响，提高了响应速度。
光电二极管将接收到的入射光进行光电转换，但其光电流很小，所以需要经过后级放大器来对信号进行放大和处理。为了得到一定幅度且平滑的输出信号，应设计两级放大，前置放大主要起到电流/电压变换的功能，将光电流转化成容易处理的电压量，随后通过限幅放大器放大并调整为某个标准电平输出。值得注意的是，在多级放大的结构中，前级的噪声会随着有用信号被后级放大，因此，除了要精心选择高质量的PIN光
18
电二极管以外，必须设计出低噪声，宽频带的前置放大器。限幅放大器则要求增益高，同时要有均衡电路以减小码间串扰。
3.3雪崩光电二极管
雪崩光电二极管(APD: Avalanche Photodetectors)探测器以其体积小、工作电压低、频谱响应范围宽以及在近红外波段有较高灵敏度等一系列的优点，在弱光场测量、光子计数等相关领域中得到广泛应用。
雪崩光电二极管是一种具有内部放大作用的光电二极管，工作时PN结加反向偏置电压，当入射光子在P区被吸收产生电子空穴对后，载流子在渡越耗尽区时将会被强电场加速而获得极大的动能，通过碰撞半导体的晶格使之电离产生二次电子空穴对，这些二次电子空穴对又被加速产生更多的电子空穴对，从而形成载流子的雪崩倍增效应，倍增因子可达108以上，比一般光电倍增管的增益还要高，因此使用APD探测器进行单光子计数测量成为目前最常用的手段。
对于雪崩光电二极管的性能参数和使用方法的实验研究有许多报道，由于半导体材料自身电致发光效应，使得APD在伴随载流子被雪崩倍增放大的同时产生光子辐射现象。最早对这一现象进行报道的是德国的Kurtsiefer小组，他们为了解在量子密钥通信中APD的光子辐射造成探测器之间的串扰，以及带来的使窃密者有机会从返回信号的光子中窃取信息降低通信安全性等问题，对APD的光子辐射光谱进行了测量研究。另外在单光子干涉、长光纤的使用以及光子关联测量等的实验中，由于光子辐射返回到探测器的二次光子辐射都将对测量带来扰动影响，在探测器阵列中，探测器的光子辐射还会造成临近探测器间的串扰。
3.4探测器的确定
由以上分析可以得出：虽然光电二极管的光电转换线性度较好，无需高工作电压，响应速度快，但是要获得良好的增益和信噪比，除了要精心选择高质量的光电二极管以外，必须设计出低噪声，宽频带的前置放大器。其限幅放大器则要求增益高，同时要有均衡电路以减小码间串扰。雪崩光电二极管探测器虽然体积小、工作电压低、频谱响应范围宽等优点，但由于技术问题，雪崩光电二极管仅在近红外波段具有较高的灵敏度，而且其价格不菲。结合本课题的实际需要，最终选定日本滨松公司生产的某型光电倍增管作为本文的光电探测器。此款光电倍增管为侧窗型高灵敏度“日盲”紫外光电探测器，其波段响应范围在160～320nm 之间，峰值响应波长为254nm。光阴极采用锑化铯，窗材料采用合成石英玻璃，打拿极为环形聚焦极9极倍增。
3.5紫外滤光片辅助作用
对于紫外光电接收系统，仅有光电倍增管的转换还是不够的，虽然光电倍增管的接收面较雪崩光电二极管大，但总体上也依然很小，对于野外空旷环境而言，还应配合使用紫外滤光片。紫外滤光片的主要作用是使探测器免受通信工作过程中干扰源的影响。人类活动造成的紫外辐射光源主要是各种气体放电光源，如电焊、高压汞灯、钠灯等，这些紫外辐射源是在通信工作过程中的主要干扰源。在进行信号发射和接收时，为了提高有用光信号的信噪比，需采取合理的措施进行屏蔽。因此，为了降低背景噪声，提高光学系统接收信噪比，需要在紫外探测器前来滤除红外光、可见光波和非区紫外波段的干扰。
19
由于光电探测器接收到的信号经过了大气分子的多次散射吸收，信号比较微弱，太阳辐射不可避免会对其造成一定干扰，所以在接收端需要采用紫外滤光片进一步降低信噪比。
大气光散射通信对紫外滤光片要求：信号光透过率大于10%，背景光深截止大于9个光密度单位(OD：Optical Density)，同时透过率随入射光的角度影响小，即在大角度范围内保持高透过深截止的特性。
目前常使用的滤光片有干涉型和吸收型滤光片。
(1) 干涉型滤光片是利用多层介质膜中光的干涉作用得到信号光的高透过和背景光的深截止。干涉型滤光片某一膜层内的折射角为θ，两界面之间的相位差为：??2?nhcos?/?（3.1）式中，n为膜的折射率，h为膜的厚度。
由此可知，随着光信号入射角的增加，透过率将向短波方向移动，信号光中心波长的透过率也明显下降。表3.1给出了某干涉型滤光片在不同入射角时的透过率。
表3.1某干涉型滤光片透过率
入射角 波长 236 240 254 258 264 270 0° 0.6 4.7 25.2 24.2 8.1 1.9 15° 1.0 11.3 20.9 9.8 1.9 0.7 25° 8.5 16.9 9.6 2.6 0.8 0.3 35° 14.5 5.4 1.6 0.5 0.4 0.3 干涉型的紫外滤光片的深截止最高能达到5-6OD，深截止越高，信号光的透过率就越低，透过波长范围越窄，透过率也越低，因此干涉型紫外滤光片很难达到理想的效果。 (2) 吸收型滤光片是由一系列具有特殊吸收光谱特性的有机染料、无机盐和有色玻璃，再结合透紫外基底构成的。特殊的吸收材料可以保证信号光几乎不被吸收，而背景光在某个波段强吸收。有机染料的吸收光谱特性是由分子结构、酸碱度等因素决定的，不受入射角度的影响。吸收型滤光片的主要基底材料是石英玻璃，入射角在60范围内，信号光的透过率变化小于40%。吸收型滤光片具有高透过深截止特性，滤光片的背景光截止度可以通过调节吸收材料的浓度来实现。 比较两种滤光片的特性得知(如表3.2所示)，干涉型紫外滤光片只适合短距离通信，而吸收型紫外滤光片能符合较长距离的通信要求，符合紫外光通信系统全天候工作的要求。 基于以上考虑，再结合本文的深紫外LED光源，可以选择吸收型紫外滤光片。 20
表3.2干涉型与吸收型滤光片性能对比
滤光片性能 干涉型 滤光片类型 信号光透过率 背景光透过率 透过率随入射角变化 价格 稳定性 26%(254nm) 12%(260nm) <10-12 小 贵 不易潮解 吸收型 10-3~10-4 大 一般 易潮解 21
第四章 紫外光通信的接收电路
4.1紫外光信号的接收和预处理
紫外光信号的接收和预处理主要是对接收到的已调 PPM 信号进行电流/电压转换、隔离放大、滤波整形等，将已调数字信号变换为标准的 CMOS 数字方波信号，方便送入 FPGA 解调器进行解调处理。 4.1.1紫外光通信的接收机
接收机可以分为直接接收机和外差接收机两种形式。直接接收机是接收机当中的最简单的一种形式，只要接收到的信息表现为信号强度的变化就可进行接收。外差接收机可以是调相、调幅或调频这三种形式当中的一种，但是它要求本地振荡器产生的光场和接收到的光场要在空间相干的基础上才能检测到信号，因此要求比较严格，实现起来也比较困难。由于紫外光通信是通过散射的方式来实现的，故很难找到与载波相同频率的本地光场，所以紫外光通信通常采用直接接收的方案。
直接探测接收就是将待测的光信号经过滤光片之后直接照射到光电探测器的光敏面上，光电探测器对光辐射强度发生响应并输出相应的电流或者电压。接收示意图如下。
接收场 频率 滤 波光电探测器 、
图4.1接收示意图
4.1.2电流电压转换电路
来自信道中的微弱散射紫外光信号被光电倍增管接收后，经过倍增放大，输出信号为微安级的电流信号，经过可调接地电阻后，转换为毫伏级的电压信号。由于光电倍增管的带负载能力很弱，故其后需要一级电压跟随器进行隔离，提高输入电阻，降低输出电阻，提高带负载的能力。经过U3B组成的放大电路对信号进一步放大。
电路如图所示。
22