2023-02-18 19:43:38, 又又 滨松光子学商贸(中国)有限公司
随着信息技术的发展,人类对海洋资源的探索与开发逐渐深入,许多亟待解决的问题浮出水面。比如,水下作业机器人需带着长长的信号电缆作业,以便于接收指令与实时传输探测数据,但是电缆大大限制了传输距离与探测灵活性;渔场需将监控器遍布在渔场的各个角落,才能实现鱼群动向的实时监测,画面庞大、成本高昂。如果可以在水下实现高速、无线通讯,那么水下机器人可以摆脱长长的电缆,在离基站更远的地方展开灵活探测,渔场使用少量的探测器在水中来回巡检即可满足视频监控需求,缩减成本。
在1963年,Dimtley等人发现,海水中蓝绿光波段(450-550 nm)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2000 m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。
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。
滨松水下光通信解决方案
滨松多年来一直关注水下光通信发展并展开相应探测器的研究,因此专门开发了H14447、H14990-100-02、H14600-100这几款光电倍增管(简称PMT)产品。三次助力诺奖,滨松这家公司,能处,了解光电倍增管的研发历程。
这几款光电倍增管产品均具有以下特点:
高灵敏度:Si PD的灵敏度范围一般为0.1~10 A/W,Si 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
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产品具有更快的ps量级响应速度,因此可以实现更高的信号传输速率。H14447的上升时间为350 ps,FWHM为440 ps,下降时间为250 ps,带宽为1 GHz;H14990-100-02的上升时间为370 ps,带宽为0.8 GHz;H14660-100的上升时间为600 ps,带宽为0.2 GHz。
图5:三款产品的实测波形图
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。
集成化程度高,体积小,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。
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。三个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。
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