滨松水下光通信光电探测方案及论文合集
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1963年，Dimtley等人发现，海水中蓝绿光波段（450-550nm）的衰减比其他光波段衰减小很多，说明海水中存在一个对蓝绿光的透光窗口，该研究为水下光通信的产生与发展提供了条件。后来试验证实，垂直入射时，蓝绿光能穿透2000m深的海水，衰减只有5%~10%，这个穿透深度已远远超过了当时世界各国潜艇的最大潜深度。1977年起，美国、澳大利亚、日本等国家均开始了水下光通信的研究。近年来，Hanson和Radic在水下进行光波传输仿真，验证了水下光通信1 Gbps通讯速率的可能性。
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图1 光在水中的吸收系数
图2 水下光通信概念图
高速率，是水下光通信相较于其他两种主要水下通信——水声通信、水下无线电通信的凸显优势。受声音在水中传播速率的固有特性限制，水声通信的传输速度在5-15 Kbps左右，很难进一步提高至1 Mbit/s以上；无线电通信虽然可以在空气中实现高数据传输速率，但由于电磁波在海水中的衰减速度非常快，因此目前主要在水下使用的频段为甚低频（VLF）无线通信、极低频（ELF）无线通信，传输距离长，传输速率极低。
图3 水声通信和水下光通信传输速率和距离对比。
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水下光通信要想实现高速、无线、长距离通讯等性能，探测器需要达到以下几点要求：
1、较高的灵敏度：高灵敏探测器在光信号经过水下长距离的信道后，被衰减得十分微弱时，依然能够接收信号，灵敏度越高，可实现的传输距离越长；
2、快时间响应：响应速度决定了单位时间内可传输的最大数据量，通信系统中探测器的响应速度越快，可实现的最大传输数据量越高；
3、较大的感光面积：水下环境复杂多变，较大的感光面积可以保证在多变的水下环境中稳定接收信号，避免信道中断，提高通信系统稳定性；
4、宽动态范围：受多变的水下环境影响，探测器接收光强变化大，使用宽动态范围的探测器，保证强、弱信号都可以稳定探测，避免探测器因光量过强饱和或光强太小无法识别而丢失数据。
综上，高传输速率、长传输距离是水下光通信应用的需求，因此水下光通信系统更适合使用在450-550 nm处具有较高的灵敏度，且具有较快响应速率的探测器。
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滨松多年来一直关注着水下光通信发展，并展开着相应探测器的研究。专门开发了H14447、H14990-100-02、H14600-100三个系列的光电倍增管（PMT）模块产品，产品均具有以下特点：
1、高灵敏度
光电二极管（PD）的灵敏度范围一般为0.1~10 A/W，雪崩光电二极管（APD）的灵敏度范围一般为101~102 A/W，PMT的灵敏度范围一般为5×102~106 A/W。因此，在同样信道条件下，PMT可以实现更远的水下通讯距离。滨松为水下光通信开发的产品（H14447、H14990-100-02、H14600-100）光阴极面均使用双碱光阴极材料，在水下光通信常用波段（450-550 nm）处具有较高的灵敏度。
图4 光谱响应特性
2、高速时间响应
普通PMT的上升时间一般在ns量级，专为水下光通信设计的PMT模块具有更快的ps量级响应速度。因此可以实现更高的信号传输速率。
H14447：上升时间为350 ps，FWHM为440 ps，下降时间为250 ps，带宽为1 GHz；
H14990-100-02：上升时间为370 ps，带宽为0.8 GHz；
H14660-100：上升时间为600 ps，带宽为0.2 GHz。
图5 三款产品的实测波形图
3、大感光面积
大感光面积便于发射端与接收端光路对准，避免微小扰动造成通讯链路中断，丢失传输信息，提高系统稳定性。H14447光阴极面有效面积直径25 mm； H14990-100-02、H14600-100的光阴极面有效面积直径均为8 mm。
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图6 H14447光阴极尺寸
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图7 H14990-100-02、H14600-100光阴极尺寸
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4、集成化程度高，体积小
模块型产品小巧紧凑，可应用至小型化水下光通信系统中。H14990-100-02外尺寸22×22×30 mm，感光面积直径8 mm；H14600-100外尺寸22×22×25 mm，感光面积直径8 mm。PMT模块内部已集成升压模块、分压器。5V供电+一路控制电压即可使PMT模块正常工作，无需额外加PMT裸管所需的千伏高压，使用方便。
5、特殊低增益产品，具有较宽的动态范围
PMT的增益一般在1×106左右，H14447的增益为8.4×103，H14900-100-02的增益为2.5×104，H14600-100的增益为1.0×106。三款模块的最高平均输出电流值均为100 uA，因此H14447、H14900-100-02与H14600-100相比具有更宽的动态范围。H14600-100的增益较高，可以用于接收光功率更小的场景。
图8 三款PMT模块的实测眼图
图9 滨松水下光通信用PMT模块产品一概览
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除PMT外，滨松还可为不同需求的水下光通信应用提供PD、APD及相关模块产品。
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