大动态能量自适应蓝/绿激光探测方法

马仙仙,李 哲,王凯强,王正玺,张可欣

(中国电子科技集团公司第五十四研究所光通信研发中心,石家庄 050081)

1 引 言

海洋探索离不开水下通信技术的支撑。水下通信技术包括有线通信和无线通信两种。有线通信受光纤长度、成本和维护等的影响,难以实现远距离及灵活性通信。无线通信包括水声通信、无线电通信和无线光通信[1-2],其中,水声通信技术的通信距离远,但通信速率低,通信延迟高,无法满足图片、视频等信号的实时传输需求;无线电通信技术的通信速率可达Mbps,通信延迟约为数十分钟,但其在水下衰减严重,通信距离短;无线光通信技术的通信速率最高可达Gbps,通信延迟低,且与无线电通信技术相比,无线光特别是蓝/绿激光在水下的衰减小,通信距离较远[3]。为此,国内外学者对水下无线光通信技术展开研究。

水下无线光通信系统(Underwater Optical Wireless Communication,UOWC)一般使用发光二极管(Light-Emitting Diode,LED)或激光二极管(Laser Diode,LD)作为光源,及光电二极管(Positive Intrinsic-negative,PIN)或雪崩二极管作为(Avalanche Photon Diode,APD)探测器[4-8]。如2000年,美国伍兹霍尔海洋研究所研制了一套低功耗、低成本的UWOC,其采用LED阵列及PIN作为光源和探测器,在5 m的传输距离上实现了115.2 kbps的稳定通信[9]。2011年,美国麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology,MIT)研制了用于水下无线光通信的AquaOptical样机,其采用LED和APD作为光源和探测器,可在50 m的传输距离上实现最高0.57 Mbps的双工通信[10]。2017年,浙江大学的Song Y等人采用蓝光LED和PIN作为光源和探测器,在2 m的水下信道上实现了33.691 Mbps通信等[11]。LED可在水下同时用于照明和通信,安全性能高,且其发散角大,降低了UWOC链路对准的要求[4],但LED调制带宽低,限制了链路的传输速率。

而直接调制可见光波段的LD带宽高,信号传输速率可达Gbps,且其发散角小,能量集中,从而在UWOC得到日渐广泛的应用[12]。如2015年,Kazuhiko Nakamura等人研制了一套使用蓝光LD和APD作为光源和探测器的,基于OFDM的高速UWOC,在4.8 m的传输距离上实现了1.45 Gbps的稳定通信[5]。2017年,Xiaojun Liu等人采用不归零OOK调制的绿光LD,研制了一套高速、远距离的UWOC,最高在34.5 m的传输距离上实现了2.70 Gbps的通信[13]等。使用LD进行水下通信的通信速率高,但由于水体对激光的吸收作用,当进行远距离通信时,激光衰减严重,PIN和APD的探测灵敏度难以满足微弱信号的探测要求。

而光电倍增管(Photomultiplier Tube,PMT)的探测面积大,灵敏度高,动态范围大,可通过多次倍增实现对微弱信号的探测[14]。如MIT的Rao H G等人在浑浊的港口水中,使用PMT实现了具有较宽动态范围的水下无线光通信[15]。清华大学的Liu T等人使用LED和PMT,分别在10 m水下信道实现了7.5 Mbps的通信和在50 m水下信道实现了近500 kbps的通信[16]。可见,PMT在一定程度上满足远距离动态通信的自适应要求,但由于信道对激光的吸收作用,在近距与远距条件下,到达探测器的光功率相差几十甚至上百dB,远远超出了光电倍增管探测的动态量程,这给信号的收发带来极大的难度,从而限制了使用LD进行水下通信的动态通信距离。

为此,本文提出了一种大动态能量自适应蓝/绿激光信号探测方法,该方法在UWOC中加入由电控液晶光阀(Electronic Control Liquid Crystal Light Value,EC-LCLV)、PMT及FPGA控制板卡组成的增益可控模块,该模块在链路功率和探测器增益两个维度对通信链路形成闭环调控,以保证PMT工作在最优状态,从而解决了水下通信链路近距功率饱和与远距功率不足导致的信号采集失效的矛盾。

2 大动态能量自适应蓝/绿激光探测原理

如图1所示,UWOC的光学系统采用共口径光路形式,包括望远分系统、信标发射分系统、信标接收分系统、通信发射分系统和通信接收分系统。其中,信标发射分系统和信标接收分系统用于双端闭环跟踪;通信发射分系统和通信接收分系统用于双端双工通信。由于450～550 nm的蓝/绿激光为海洋中的“透光窗口”,系统信标光选用440 nm和465 nm波段,通信光选用488 nm和520 nm波段。

图1 大动态能量自适应蓝/绿激光探测原理

原始数据经过编码、调制后,经驱动器加载到激光器上,调制后的光信号经准直镜Lc1进行准直后,被二向色镜DBS反射,然后被快反镜FM反射后经望远分系统发射出去;发射的光信号经过水下信道到达接收端,被望远分系统收集,然后经快反镜FM反射后到达50:50的分光镜BS,其中反射部分经会聚镜L1会聚到CMOS,用于端机的闭环跟踪,透射部分经二向色镜DBS透射后经会聚镜L2会聚到探测器,用于系统通信。

在探测部分,本文采用EC-LCLV、增益可调PMT以及FPGA控制板卡组成的增益可控模块代替传统UWOC使用的探测器,从而PMT接收信号的幅值Vpp可表示为:

Vpp=I0fG(VG)fT(VT)

(1)

式中,I0为激光器功率;fG(VG)为PMT增益与控制电压VG的函数;fT(VT)为EC-LCLV透过率与控制电压VT的函数。

从而FPGA板卡探测到的光功率P为:

(2)

如图2所示,PMT接收到光信号,将其转换成电压信号,经跨阻放大器(Trans-Impedance Amplifier,TIA)进行放大,由高速ADC输入FPGA板卡,FPGA对当前的通信质量进行评估,若不满足指标要求,则通过低速DAC对PMT和EC-LCLV进行联合调控,在链路功率与PMT增益两个维度进行闭环调节,以保证PMT工作在最优状态,从而实现链路中不同光功率的高精度探测。

图2 EC-LCLV与PMT联合调控原理

2.1 PMT增益调节

在增益调节维度,使用增益可调的PMT作为探测器,其具有高灵敏度的特点,可通过多次倍增,对及其微弱的光信号进行探测。PMT的增益可表示为:

G=αnmknVGkn

(3)

式中,n为PMT内部倍增电极数量;α为常数,其与PMT的收集效率及二次电子发射材料有关;k为常数。

由式可知,PMT增益与控制电压VG呈指数关系,可通过VG对PMT增益进行准确调控。

但PMT能接收的光功率强度存在一定范围,该范围与灵敏度成反比,选用PMT的灵敏度越高,其可探测的最高光功率越小,当通信链路处于近距通信时,产生的强光信号将引起PMT的疲劳损伤,进而无法正常工作。由此可见,通过调节PMT的增益,可改变到达FPGA板卡信号的功率大小,在一定程度上实现接收信号的控制,但本质上,并未改变入射到PMT的光信号的功率,通信链路依然存在接收动态范围受限的问题。

2.2 链路功率调节

从而在链路功率调节维度,使用EC-LCLV作为链路功率调节器,如图3所示,其由玻璃基板、透明电极、光导基膜与液晶分子、偏振片等组成,透明电极可为液晶分子提供偏转电场,两玻璃基板间的光导基膜可使液晶分子按照特定方向进行排列,两端的偏振片可用于改变入射光束的偏振方向。

图3 EC-LCLV调控原理

液晶具有各向异性,当光束入射到液晶时,会分解为振动方向与液晶晶体光轴垂直的寻常光(o光)以及平行的非常光(e光),假设液晶对o光和e光的折射率分别为no和ne。当无外加电场时,液晶分子平行于玻璃基板方向进行排列,no和ne差别最大,此时的状态可用式的等效折射率差Δn进行表征[17]:

Δn=no-ne

(4)

当有外加电场,电场强度达到阈值电压时,液晶分子光轴的取向会逐渐向电场方向偏转,从而导致Δn的变化,进而影响到入射光透过液晶的相位延迟量δ,相位延迟量δ与外加电压VT的关系为:

(5)

式中,d为液晶厚度;λ为入射光波长。由式可知,通过调节外加电场,可精准控制光波透过液晶的相位延迟量。

进一步地,入射光束经过偏振片1后变为线偏光垂直入射到液晶上,如图4所示,假设平行于液晶光轴方向为x轴,垂直于液晶光轴方向为y轴,偏振片1的透光轴P1与x轴的夹角为α,偏振片2的透光轴P2与x轴的夹角为β。偏振片1和偏振片2的偏振方向垂直,根据几何关系有:

图4 偏振片与透光轴夹角

β=α+90°

(6)

假设光束通过偏振片1后的振幅为E,则其在x轴和y轴上的投影分别为Ecosα和Esinα,对应E液晶中中所分解的o光和e光的振幅分别为:

(7)

分解后的o光和e光通过偏振片2后的振幅为:

(8)

两束光线o光和e光通过偏振片2时的振动方向相同。由于双折射效应,产生一定的相位延迟δ,因此在传播过程中会发生干涉。根据光的干涉叠加原理,此时的光强为:

(9)

则光束经过EC-LCLV后的透射光强为:

(10)

式中,I0为初始入射光强,其正比于光振幅的平方;k′为比例系数。通过调节EC-LCLV两端电压改变内部液晶的相位延迟量δ可连续改变透射光的强度。因此通过控制电压的变化可以对EC-LCLV的透光率进行连续调节,实现连续可控的光强衰减。

3 实验验证

根据图1所示原理,搭建了如图5所示的大动态能量自适应蓝/绿激光探测实验装置。实验中水箱长约8 m,采用488 nm的蓝光激光器,滨松公司的H10720-210型增益可调PMT以及Meadowlark optics公司的B22920型EC-LCLV。其中H10720-210型PMT的探测灵敏度为100 mA/W,可调增益范围为103～107;B22920型EC-LCLV的衰减范围为43.53 %(1.9 V)～0 %(7.7 V)。实验时,设置激光器的偏置为35.4 mA,使用任意信号发生器及Bias-T对激光器加载频率为5 MHz、峰峰值电压为500 mV的方波信号。

图5 用于UWOC的大动态能量自适应蓝/绿激光探测实验装置

首先对远距通信条件下的微弱光信号进行探测,由于实验环境中的水箱尺寸较短,在链路中加入了20 dB的可见光衰减片,通过FPGA板卡对PMT增益进行调控,PMT探测到的信号如图6所示。

图6 微弱信号条件下PMT探测结果

将通信链路中的可见光衰减片去除,对近距通信条件下的强光信号进行探测,通过FPGA板卡对EC-LCLV电压进行调控,使链路中功率进行衰减,PMT探测到的信号如图7所示。

图7 强光信号条件下PMT探测结果

根据所示图6和图7结果,可知利用FPGA板卡对PMT增益和EC-LCLV电压进行联合调控,使进入ADC的信号始终满足其电平要求,从而使通信链路始终处于稳定状态下。

4 结 论

本文提出一种用于UWOC的大动态自适应蓝/绿激光信号探测方法,该方法在UWOC中加入由EC-LCLV、增益可调PMT及FPGA控制板卡组成的增益可控模块,增益可控模块在链路功率和探测器增益两个维度对链路形成闭环调控,以保证PMT工作在最优状态。搭建试验装置,对所提方法进行验证,试验结果表明,在近距功率饱和的强光状态,以及在远距功率不足的微弱光状态下,通过PMT和EC-LCLV的联合调控,可使进入FPGA板卡的信号满足ADC的输入电平要求,从而保证通信链路的自适应稳定性,为水下远距离、高速通信系统中光信号的大动态探测提供一种技术手段。