基于可见光的水下宽带无线通信仿真研究

潘灿森

2.4.1光电倍增管（PMT）

光电倍增管（PMT）是把微弱的入射光通过光电阴极转换成光电子，光电子借助二次发射体获得倍增的光探测器，主要特点是灵敏度高、稳定性好、响应速度快和噪声小，特别适用于微弱光信号的探测，常用于机载水下探测，但存在结构复杂、工作电压高、体积大的缺点。

PMT由光电发射阴极（光阴极）、聚焦电极、电子倍增极（打拿极）及电子收集极（阳极）等组成。阴极在光照下发射光电子，光电子被极间电场加速聚焦，己足够高的速度碰撞倍增极，从而产生更多的电子，即产生所谓的二次电子，如此逐级倍增电子数目大量增加，直到最末倍增极的二次电子发射被阳极收集形成阳极电流，以此达到电流放大的目的。由于各倍增极的倍增因子基本是常数，当光信号变化时，阴极发射的光子数目也相应变化，所以阳极电流随入射光信号的变化而变化。

光电倍增管的增益高，响应时间短，输出电流和入射光子数成正比，在灵敏度、噪声系数及动态范围上都优于其他感光器件，更重要的是在相当大的范围内输出信号始终保持线性变化。

2.4.2 PIN光电二极管

PIN光电二极管的主要特点是在P区和N区之间夹有一层厚的轻掺杂本征层，作用是增大耗尽区宽度，减小扩散运动的影响，提高响应速度。PIN光电二极管的偏置电压低、光谱响应特性好，在阳光等背景干扰下虚惊率低、量子效率高，具有暗电流小、噪声低、灵敏度高、制造工艺简单等特点。

2.4.3雪崩光电二极管（APD）

APD是一种具有内部光电流增益的半导体光检测器，它应用光生载流子在二极管耗尽层内的碰撞电离效应获得光电流的雪崩倍增。APD本质上是一个在PN结上有高电场区域的光电二极管，PIN和APD结构上的主要区别是APD在原先PIN的i层中掺杂了少量的磷，并命名为二层，通常，APD的二层比PIN的i层厚，所有层中都有均匀电场。

APD的工作原理是传入的光穿过很薄的N-层和雪崩区，在二层被吸收产生电子-空穴对，在雪崩区，电场很强，从二层传来的电子被加速，电子与原子发生碰撞产生很多新的电子-空穴对从而获得很高的能量，这些新的电子-空穴对也被加速，更多的原子电离产生越来越多的电子一空穴对，这就是倍增过程和产生内部增益的过程。一个新的电子在整个区域进行加速，可能是整个过程再运行一遍，这将导致永不停止不可控制的雪崩，如果设计成有一个电子与其它原子发生电离倾向最高的结构，将可避免雪崩。

从工作状态来说，APD实际上接近（但没有达到）雪崩击穿状态、高度均匀的半导体光电二极管，性能良好的APD的光电流平均增益可以达到几十、几百倍甚至更大。半导体中两种载流子的碰撞离化能力不同，具有较高离化能力的载流子注入到耗尽区会获得较高的雪崩倍增，但是，光电流的这种雪崩倍增并不是绝对理想的。一方面，由_于增益随注入光强的增加而下降，APD的线性范围受到一定限制，另一方面，由于载流子的碰撞电离是一种随机过程，因而倍增后的光电流有更大的随机起伏，即光电流中的噪声有附加的增加。

载流子在耗尽层中获得的雪崩增益越大，雪崩倍增过程所需的时间越长，因此，雪崩倍增过程受到“增益-带宽积”的限制。在高雪崩增益情况下，这种限制可能成为影响雪崩光电二极管响应速度的主要因素之一，但在适中的增益下，与其他影响光电二极管响应速度的因素相比，这种限制往往不起主要作用，雪崩光电二极管仍然能获得很高的响应速度。同时，APD具有小型、灵敏、快速、不需要高压电源等优点，适用于以微弱光信号的探测和接收，在光纤通信、激光测距和其他光电转换数据处理等系统中应用较广。

白光LED通信接收系统关键技术研究

2.1.1白光LED照明通信系统对光电探测器的要求

在白光LED照明通信系统中，由于信号光源的特殊性，对光电探测器也有着特殊地要求，基于白光LED的可见光通信对光探测器的基本要求是:

1.光电探测器的光谱响应范围应覆盖可见光波段，即工作波段应集中在可见光波长范围:380nm一780nm。

2.在工作波长上光电转换效率高。目前常用光电二极管的响应度和量子效率衡量器件的光电转换效率。总之，对于一定的入射光信号功率，光电检测器应能输出尽可能大的光电流。光电二极管的响应度和量子效率也是对可见光通信系统的通信性能进行分析的重要参数。

3.响应速度快、线性好及频带宽，使信号失真尽量小。光电二极管的响应速度是指它的光电转换快慢，常用响应时间来描述它。影响光电二极管响应速度的主要因素有: 零场区光生载流子的扩散时间、光载流子在耗尽层中的渡越时间、二极管结电容、内阻及其负载电阻决定的RC时间常数。提高光电探测器的有效接收面积可以实现对信号光的最大强度接收，因此在受光面较大的场合，RC时间常数成为限制光电探测器响应速度的主要因素。

4.检测过程中带来的附加噪声尽可能小。

5.可靠性高，寿命长，工作电压低。

光电探测器的种类很多，白光LED照明通信系统中常用的光电探测器是光电二极管。制作光电二极管的材料很多，如Si、Ge、GaAs、InGaAs、GaAsp、InGaAsp等。不同材料制得的光电二极管其波长响应范围也不同。几种材料制得的光电二极管的量子效率的波长依赖性如图2.2所示。可见，工作在可见光区的Si、GaP、GaAsP光电二极管可作为可见光通信的光接收器件，其中Si光电二极管最为常用。

                              

图2.2 不同材料的光电二极管量子效率示意图

水下光学无线通信系统的关键技术研究

3.3.2 发射电路设计

LED是由电流驱动的器件，其输出光功率与输入电流呈线性关系，可以利用LED的这个特性对光载波直接进行调制。为了提供LED 所需的工作电流，保证LED能正常可靠地工作，将输入信号进行两级电流放大，设计LED 驱动电路原理图如图3-4所示

图3-4 发射电路原理图

3.5.2 接收电路的设计

光电倍增管输出的是电流信号，因此要进行电流到电压的转换。为减少电路噪声的影响，选用带宽可达240MHz的跨阻放大器AD8015作为电流/电压转换器件，由C1和AD8015 内阻组成高通滤波器来扼制光噪声影响。图3-7是PMT 接收电路原理图。

图3-7 接收电路原理图