大動態能量自適應藍/綠激光探測方法

馬仙仙,李 哲,王凱強,王正璽,張可欣

(中國電子科技集團公司第五十四研究所光通信研發中心,石家莊 050081)

1 引 言

海洋探索離不開水下通信技術的支撐。水下通信技術包括有線通信和無線通信兩種。有線通信受光纖長度、成本和維護等的影響,難以實現遠距離及靈活性通信。無線通信包括水聲通信、無線電通信和無線光通信[1-2],其中,水聲通信技術的通信距離遠,但通信速率低,通信延遲高,無法滿足圖片、視頻等信號的實時傳輸需求;無線電通信技術的通信速率可達Mbps,通信延遲約為數十分鐘,但其在水下衰減嚴重,通信距離短;無線光通信技術的通信速率最高可達Gbps,通信延遲低,且與無線電通信技術相比,無線光特別是藍/綠激光在水下的衰減小,通信距離較遠[3]。為此,國內外學者對水下無線光通信技術展開研究。

水下無線光通信系統(Underwater Optical Wireless Communication,UOWC)一般使用發光二極管(Light-Emitting Diode,LED)或激光二極管(Laser Diode,LD)作為光源,及光電二極管(Positive Intrinsic-negative,PIN)或雪崩二極管作為(Avalanche Photon Diode,APD)探測器[4-8]。如2000年,美國伍茲霍爾海洋研究所研制了一套低功耗、低成本的UWOC,其采用LED陣列及PIN作為光源和探測器,在5 m的傳輸距離上實現了115.2 kbps的穩定通信[9]。2011年,美國麻省理工學院(Massachusetts Institute of Technology,MIT)研制了用于水下無線光通信的AquaOptical樣機,其采用LED和APD作為光源和探測器,可在50 m的傳輸距離上實現最高0.57 Mbps的雙工通信[10]。2017年,浙江大學的Song Y等人采用藍光LED和PIN作為光源和探測器,在2 m的水下信道上實現了33.691 Mbps通信等[11]。LED可在水下同時用于照明和通信,安全性能高,且其發散角大,降低了UWOC鏈路對準的要求[4],但LED調制帶寬低,限制了鏈路的傳輸速率。

而直接調制可見光波段的LD帶寬高,信號傳輸速率可達Gbps,且其發散角小,能量集中,從而在UWOC得到日漸廣泛的應用[12]。如2015年,Kazuhiko Nakamura等人研制了一套使用藍光LD和APD作為光源和探測器的,基于OFDM的高速UWOC,在4.8 m的傳輸距離上實現了1.45 Gbps的穩定通信[5]。2017年,Xiaojun Liu等人采用不歸零OOK調制的綠光LD,研制了一套高速、遠距離的UWOC,最高在34.5 m的傳輸距離上實現了2.70 Gbps的通信[13]等。使用LD進行水下通信的通信速率高,但由于水體對激光的吸收作用,當進行遠距離通信時,激光衰減嚴重,PIN和APD的探測靈敏度難以滿足微弱信號的探測要求。

而光電倍增管(Photomultiplier Tube,PMT)的探測面積大,靈敏度高,動態范圍大,可通過多次倍增實現對微弱信號的探測[14]。如MIT的Rao H G等人在渾濁的港口水中,使用PMT實現了具有較寬動態范圍的水下無線光通信[15]。清華大學的Liu T等人使用LED和PMT,分別在10 m水下信道實現了7.5 Mbps的通信和在50 m水下信道實現了近500 kbps的通信[16]。可見,PMT在一定程度上滿足遠距離動態通信的自適應要求,但由于信道對激光的吸收作用,在近距與遠距條件下,到達探測器的光功率相差幾十甚至上百dB,遠遠超出了光電倍增管探測的動態量程,這給信號的收發帶來極大的難度,從而限制了使用LD進行水下通信的動態通信距離。

為此,本文提出了一種大動態能量自適應藍/綠激光信號探測方法,該方法在UWOC中加入由電控液晶光閥(Electronic Control Liquid Crystal Light Value,EC-LCLV)、PMT及FPGA控制板卡組成的增益可控模塊,該模塊在鏈路功率和探測器增益兩個維度對通信鏈路形成閉環調控,以保證PMT工作在最優狀態,從而解決了水下通信鏈路近距功率飽和與遠距功率不足導致的信號采集失效的矛盾。

2 大動態能量自適應藍/綠激光探測原理

如圖1所示,UWOC的光學系統采用共口徑光路形式,包括望遠分系統、信標發射分系統、信標接收分系統、通信發射分系統和通信接收分系統。其中,信標發射分系統和信標接收分系統用于雙端閉環跟蹤;通信發射分系統和通信接收分系統用于雙端雙工通信。由于450～550 nm的藍/綠激光為海洋中的“透光窗口”,系統信標光選用440 nm和465 nm波段,通信光選用488 nm和520 nm波段。

圖1 大動態能量自適應藍/綠激光探測原理

原始數據經過編碼、調制后,經驅動器加載到激光器上,調制后的光信號經準直鏡Lc1進行準直后,被二向色鏡DBS反射,然后被快反鏡FM反射后經望遠分系統發射出去;發射的光信號經過水下信道到達接收端,被望遠分系統收集,然后經快反鏡FM反射后到達50:50的分光鏡BS,其中反射部分經會聚鏡L1會聚到CMOS,用于端機的閉環跟蹤,透射部分經二向色鏡DBS透射后經會聚鏡L2會聚到探測器,用于系統通信。

在探測部分,本文采用EC-LCLV、增益可調PMT以及FPGA控制板卡組成的增益可控模塊代替傳統UWOC使用的探測器,從而PMT接收信號的幅值Vpp可表示為:

Vpp=I0fG(VG)fT(VT)

(1)

式中,I0為激光器功率;fG(VG)為PMT增益與控制電壓VG的函數;fT(VT)為EC-LCLV透過率與控制電壓VT的函數。

從而FPGA板卡探測到的光功率P為:

(2)

如圖2所示,PMT接收到光信號,將其轉換成電壓信號,經跨阻放大器(Trans-Impedance Amplifier,TIA)進行放大,由高速ADC輸入FPGA板卡,FPGA對當前的通信質量進行評估,若不滿足指標要求,則通過低速DAC對PMT和EC-LCLV進行聯合調控,在鏈路功率與PMT增益兩個維度進行閉環調節,以保證PMT工作在最優狀態,從而實現鏈路中不同光功率的高精度探測。

圖2 EC-LCLV與PMT聯合調控原理

2.1 PMT增益調節

在增益調節維度,使用增益可調的PMT作為探測器,其具有高靈敏度的特點,可通過多次倍增,對及其微弱的光信號進行探測。PMT的增益可表示為:

G=αnmknVGkn

(3)

式中,n為PMT內部倍增電極數量;α為常數,其與PMT的收集效率及二次電子發射材料有關;k為常數。

由式可知,PMT增益與控制電壓VG呈指數關系,可通過VG對PMT增益進行準確調控。

但PMT能接收的光功率強度存在一定范圍,該范圍與靈敏度成反比,選用PMT的靈敏度越高,其可探測的最高光功率越小,當通信鏈路處于近距通信時,產生的強光信號將引起PMT的疲勞損傷,進而無法正常工作。由此可見,通過調節PMT的增益,可改變到達FPGA板卡信號的功率大小,在一定程度上實現接收信號的控制,但本質上,并未改變入射到PMT的光信號的功率,通信鏈路依然存在接收動態范圍受限的問題。

2.2 鏈路功率調節

從而在鏈路功率調節維度,使用EC-LCLV作為鏈路功率調節器,如圖3所示,其由玻璃基板、透明電極、光導基膜與液晶分子、偏振片等組成,透明電極可為液晶分子提供偏轉電場,兩玻璃基板間的光導基膜可使液晶分子按照特定方向進行排列,兩端的偏振片可用于改變入射光束的偏振方向。

圖3 EC-LCLV調控原理

液晶具有各向異性,當光束入射到液晶時,會分解為振動方向與液晶晶體光軸垂直的尋常光(o光)以及平行的非常光(e光),假設液晶對o光和e光的折射率分別為no和ne。當無外加電場時,液晶分子平行于玻璃基板方向進行排列,no和ne差別最大,此時的狀態可用式的等效折射率差Δn進行表征[17]:

Δn=no-ne

(4)

當有外加電場,電場強度達到閾值電壓時,液晶分子光軸的取向會逐漸向電場方向偏轉,從而導致Δn的變化,進而影響到入射光透過液晶的相位延遲量δ,相位延遲量δ與外加電壓VT的關系為:

(5)

式中,d為液晶厚度;λ為入射光波長。由式可知,通過調節外加電場,可精準控制光波透過液晶的相位延遲量。

進一步地,入射光束經過偏振片1后變為線偏光垂直入射到液晶上,如圖4所示,假設平行于液晶光軸方向為x軸,垂直于液晶光軸方向為y軸,偏振片1的透光軸P1與x軸的夾角為α,偏振片2的透光軸P2與x軸的夾角為β。偏振片1和偏振片2的偏振方向垂直,根據幾何關系有:

圖4 偏振片與透光軸夾角

β=α+90°

(6)

假設光束通過偏振片1后的振幅為E,則其在x軸和y軸上的投影分別為Ecosα和Esinα,對應E液晶中中所分解的o光和e光的振幅分別為:

(7)

分解后的o光和e光通過偏振片2后的振幅為:

(8)

兩束光線o光和e光通過偏振片2時的振動方向相同。由于雙折射效應,產生一定的相位延遲δ,因此在傳播過程中會發生干涉。根據光的干涉疊加原理,此時的光強為:

(9)

則光束經過EC-LCLV后的透射光強為:

(10)

式中,I0為初始入射光強,其正比于光振幅的平方;k′為比例系數。通過調節EC-LCLV兩端電壓改變內部液晶的相位延遲量δ可連續改變透射光的強度。因此通過控制電壓的變化可以對EC-LCLV的透光率進行連續調節,實現連續可控的光強衰減。

3 實驗驗證

根據圖1所示原理,搭建了如圖5所示的大動態能量自適應藍/綠激光探測實驗裝置。實驗中水箱長約8 m,采用488 nm的藍光激光器,濱松公司的H10720-210型增益可調PMT以及Meadowlark optics公司的B22920型EC-LCLV。其中H10720-210型PMT的探測靈敏度為100 mA/W,可調增益范圍為103～107;B22920型EC-LCLV的衰減范圍為43.53 %(1.9 V)～0 %(7.7 V)。實驗時,設置激光器的偏置為35.4 mA,使用任意信號發生器及Bias-T對激光器加載頻率為5 MHz、峰峰值電壓為500 mV的方波信號。

圖5 用于UWOC的大動態能量自適應藍/綠激光探測實驗裝置

首先對遠距通信條件下的微弱光信號進行探測,由于實驗環境中的水箱尺寸較短,在鏈路中加入了20 dB的可見光衰減片,通過FPGA板卡對PMT增益進行調控,PMT探測到的信號如圖6所示。

圖6 微弱信號條件下PMT探測結果

將通信鏈路中的可見光衰減片去除,對近距通信條件下的強光信號進行探測,通過FPGA板卡對EC-LCLV電壓進行調控,使鏈路中功率進行衰減,PMT探測到的信號如圖7所示。

圖7 強光信號條件下PMT探測結果

根據所示圖6和圖7結果,可知利用FPGA板卡對PMT增益和EC-LCLV電壓進行聯合調控,使進入ADC的信號始終滿足其電平要求,從而使通信鏈路始終處于穩定狀態下。

4 結 論

本文提出一種用于UWOC的大動態自適應藍/綠激光信號探測方法,該方法在UWOC中加入由EC-LCLV、增益可調PMT及FPGA控制板卡組成的增益可控模塊,增益可控模塊在鏈路功率和探測器增益兩個維度對鏈路形成閉環調控,以保證PMT工作在最優狀態。搭建試驗裝置,對所提方法進行驗證,試驗結果表明,在近距功率飽和的強光狀態,以及在遠距功率不足的微弱光狀態下,通過PMT和EC-LCLV的聯合調控,可使進入FPGA板卡的信號滿足ADC的輸入電平要求,從而保證通信鏈路的自適應穩定性,為水下遠距離、高速通信系統中光信號的大動態探測提供一種技術手段。