近地層紫外光通信“日盲”濾光片技術研究

呂照順，吳晗平，3，李軍雨，梁寶雯，王華澤

(1.海軍工程大學兵器工程系，湖北武漢430033;2.武漢工程大學光電子系統技術研究所，湖北武漢430205;3.湘潭大學物理與光電工程學院，湖南湘潭411105)

1 引言

紫外光通信是采用200～280 nm“日盲”波段的紫外光作為載波，利用大氣分子和氣溶膠微粒的散射作用來實現非直視通信［1］，具有低竊聽率、抗干擾能力強等諸多優點?？梢员粡V泛應用于軍民領域［2－3］，特別是在近地層戰場環境下，短距離軍用通信中的應用，越來越受到各國軍方的重視。

在進行紫外光通信時，接收端容易受到以下因素影響或干擾:

(1)紫外光源發射的光頻譜較寬，且是一種非線性光譜;

(2)人類活動產生的紫外輻射源，例如電焊、路邊的鈉燈等［4］;

(3)工作在“日盲”紫外波段的探測器具有較寬的響應波段、較高的量子效率，雖然響應峰值在日盲區，但是在其他波段仍具有較高的響應度，因此對陽光中可見光和紫外光的部分響應也是一個較大的干擾［5－7］。

紫外濾光片是紫外光通信系統的重要組成元件，可以有效降低干擾源產生的背景噪聲對通信的影響，進而提高系統的通信質量和可靠性。為了確保系統正常工作，必須選用薄膜附著力強［8］、帶內高透過、帶外深截止的濾光片，還要綜合系統工作波長、探測器波長響應范圍，入射角對濾光性能的影響等因素［9］。

目前國內外從濾光片的類型、材料選擇、制備以及性能檢測方面展開了相關的研究，取得了一定的成果。

2 紫外濾光片的類型及制備

紫外濾光片的類型主要有干涉型、吸收性、聲光型以及組合型［10］。紫外光通信要求濾光片信號光透過率高于10%，背景光截止大于9個光密度單位(Optical Density，OD)，且入射角的變化對透過率影響較?。?1］。這里主要探討紫外干涉型和紫外吸收型兩類濾光片。

2.1 紫外干涉型濾光片

2.1.1 干涉型濾光片基本原理

紫外干涉型濾光片是紫外光通信系統中常用的濾光片，目前國內對其研究和使用最為廣泛。紫外干涉型濾光片利用多層薄膜材料對光的干涉，使信號光能夠高透過，背景光深截止。通過改變薄膜的結構參數和光學參數，可以獲得需要的光譜特性?；驹韴D如圖1所示［12］。

圖1 紫外干涉型濾光片基本原理圖Fig.1 Basic schematic of UVinterference type filter

由圖1可知，紫外光在通過濾光片時，會在濾光片內部發生多次干涉和反射，這就可以把背景光通過干涉作用消除，得到需要信號光。圖2所示為沈陽匯博公司生產的254 nm紫外干涉型濾光片光譜圖。

圖2 254 nm紫外干涉型濾光片光譜圖Fig.2 Spectrum of 254 nm UV interference type filter

由圖2可知，該型濾光片帶內254 nm處信號光透過率達到10%，帶外具有很好的深截止特性，可以用于近地層紫外光通信系統中。

2.1.2 干涉型濾光片制備

(1)主要制備材料

目前可用于制備干涉型紫外濾光片的光學材料非常有限，主要材料如表1所示。

表1 制備紫外干涉型濾光片的主要材料Tab.1 Main materials prepared for UV interference type filter

(2)膜層厚度監控方法

膜層厚度監控是整個濾光片制備過程的一個至關重要的環節，其準確度直接決定濾光片的性能優劣，主要監控膜層的光學厚度和物理厚度。膜層厚度監控方法主要有光學監控法和石英晶振法。

光學監控法是利用單色儀將光信號轉換成電信號，膜層厚度的變化會引起光信號變化，具體變化在反射率(或透過率)曲線中體現。由于透過率和反射率都存在極值，因此利用這個極值來監控。

石英晶振法是通過監控石英厚度的變化引起其振蕩頻率的變化，來控制膜層的厚度。

兩種監控方法的優缺點如表2所示。

表2 兩種監控方法優缺點Tab.2 Advantages and disadvantages of two kinds of monitoring methods

(3)已完成制備的濾光片

鄧文淵等人利用 ZrO2、SiO2和Al三種薄膜材料，采用離子束濺射沉積法制備了一種“日盲”紫外誘導透射濾光片，其峰值波長264 nm，峰值透過率大于60%，帶寬(FWHM)約為 13 nm，在 300～350 nm波段的截止深度為2.6 OD。對該濾光片的實際光譜測試表明，制約其性能的主要原因:一是離子束濺射沉積Al膜的速率;二是濺射氣體Ar及沉積腔體中可能殘余的微量O2［13］。

付秀華課題組利用電子束(EB)加熱蒸發和離子輔助沉積(IAD)法，將 HfO2、MgF2和 UV－SiO2鍍在熔融JGS1基底上，并采用光學監控法和石英晶振法相結合的方式監控膜層的厚度，制備了一種紫外濾光片。該濾光片在入射角0°～25°范圍內能夠透射240～280 nm波段，抑制300～620 nm波段。同時有效解決了脫膜、膜厚控制、材料吸收等問題［14］。該濾光片光譜圖如圖3所示。

基于法布里－珀羅(F－P)窄帶濾光片結構，通過一系列的理論分析、材料研究、工藝優化，利用F－P帶通濾光片和誘導方式相結合的方法制備出了峰值透過率達17.96%，半峰值帶寬約為20 nm的紫外濾光片。該濾光片可以有效抑制帶外背景光，對可見光的截止深度均小于30 dB［15］。該濾光片的實測光譜圖如圖4所示。

圖3 濾光片光譜圖Fig.3 Spectrum of filter

圖4 濾光片的實測光譜圖Fig.4 Tested spectrum of filter

采用利用熔融石英玻璃、MgF2和Al等材料，制備了一種紫外誘導透射濾光片。為確保樣品的穩定性、一致性和重復性，采用UV3150型分光光度計對其5個位置的透過率光譜進行測試。結果表明該濾光片在265 nm處透過率達到 22%，對 300～1000 nm的抑制平均小于0.2%［16］。紫外誘導透射濾光片光譜圖如圖5所示。

圖5 紫外誘導透射濾光片光譜圖Fig.5 Spectrum of UV induced transmission filter

該課題組還選用HfO2、MgF2等材料，通過逆向測試分析法，解決了由于設備與控制誤差引起的膜厚問題，制備了240～280 nm波段透過率為86%，290～360 nm波段截止深度小于0.2%的紫外濾光片。

R.G.Safin設計并制造出了265～290 nm波段透過率為20%，300～800 nm波段截止深度7 OD的紫外濾光片［17］。該型濾光片實驗測試光譜圖，如圖6所示。

圖6 實驗測試光譜圖Fig.6 Spectral response of solar－blind UV filter(experimental)

Sangsik Kim對反射相移參數進行了研究［18］，在此基礎上利用鋁和石英玻璃等材料研制了一種厚度較薄，入射角對透過率影響較小的紫外濾光片，其能夠有效濾除近紫外光和可見光。通過改變制備材料和厚度，還可以制備可見光或長波長高透過濾光片［19］。

2.2 紫外吸收型濾光片

2.2.1 吸收型濾光片基本原理

紫外吸收型濾光片通常采用石英玻璃作為基底，由特殊吸收光譜特性的有機染料、紫外玻璃等構成，其對需要的信號光幾乎無吸收作用，而對背景光具有強烈的吸收作用，具有信號光高透過、背景光深截止的特點。

2.2.2 吸收型濾光片制備

許智煌等人利用縮合反應合成2，7－二甲基－3，6－偶氮環庚－1，6－二烯高氯酸鹽，這是一種有機紫外濾波材料。采用vario ELⅢ元素分析儀測定分析元素;Lambda－90紫外/可見/近紅外分光光度計測定染料溶液和染料摻雜的聚乙烯醇(PVA)薄膜的紫外光譜性質。根據溶液與PVA膜的紫外透過性能，配合紫外濾波晶體和有色玻璃組合成紫外濾光片，并測定其透過性能［20］。

由染料溶液和染料摻雜的PVA膜與透紫外黑色玻璃以及六水硫酸鎳晶體制作的紫外濾光片，可以有效濾除285 nm以上的紫外光，帶內透過率可達20.5%和15.2%，其光譜圖如圖7所示。

圖7 紫外吸收型濾光片光譜圖Fig.7 Spectrum of UV absorption type filter

通過對不同濃度的染料溶液和染料摻雜PVA薄膜紫外光譜性質的研究，得出以下結論:

(1)采用低濃度染料，溶液最大吸收波長322 nm，薄膜最大吸收波長325 nm;

(2)隨著濃度增加，溶液和 PVA膜在240～285 nm波段具有較高的透過率，在285～345 nm波段具有強吸收作用;

(3)利用染料溶液和染料摻雜PVA薄膜與紫外濾波晶體和有色玻璃組合可以合成性能優良的紫外濾光片。

3 濾光片性能測試

3.1 干涉型濾光片性能測試

干涉型濾光片的性能測試，主要包括光學性能特性和非光學特性兩種。光學特性主要是濾光片的光譜特性，非光學特性主要是機械強度、鍍膜的穩定性等［21］。這里主要討論光學特性。

為了有效濾除背景噪聲，提高紫外通信系統的信噪比，不僅要求帶內透過率高，而且對日盲紫外濾光片帶外截止深度的要求也越來越嚴格，對其測試也顯得極其重要。

崔穆涵等人基于替代法，采用窄帶LED作為光源，以標準反射式中性衰減片的衰減率作為參考，建立了一套超大動態范圍紫外濾光片截止深度測試系統，通過對比計算得出待測紫外濾光片的帶外截止深度。該測試系統原理圖［22］如圖8所示。

由圖8可知，將濾光片和已知衰減系數的衰減片安放在光電倍增管(PMT)之前，分別測量LED所發出的光經過濾光片和衰減片的輸出光電流，將該電流作為待測電流值和參考電流值，從而間接測得待測濾光片的截止深度。該測試系統的示意圖，如圖9所示。

圖8 測試系統原理圖Fig.8 Schematic of test system

超大動態范圍濾光片截止深度測試系統通過實驗測試，在35～800 nm波段內，系統的不確定度小于2%，相對重復性誤差小于0.2%，滿足測試要求。因此該系統將紫外濾光片截止深度的動態測試范圍由0～6 OD擴大到0～11 OD，且精度高，波段覆蓋范圍寬，便于裝調和使用。

圖9 測試系統示意圖Fig.9 Schematic diagram of test system

3.2 吸收型濾光片性能測試

王越等人采用聲光檢測和相關檢測技術，利用虛擬儀器Labview8.0為平臺，搭建高吸收型濾光片透過率均勻性測試系統。以標定的標準衰減片透過率為基準，實時自動掃描測量待測濾光片多點透過率的均勻性分布［23］。高吸收型濾光片透過率均勻性測試系統框圖如圖10所示。

該系統采用波長632.8 nm、輸出功率1 mW的He－Ne激光器作為光源，激光經過聲光調制器、反射鏡、衰減片、波片、反射鏡、可調光闌、待測濾光片和積分球后進入信號采集處理系統。

對動態透過率范圍為0.001% ～1%的濾光片進行測試，設基準入射光強為I1，透過光強為I2，基準衰減片的透過率為T1，濾光片的透過率為T2，待測濾光片透過率誤差分析，如表3所示。

圖10 高吸收型濾光片透過率均勻性測試系統框圖Fig.10 System block diagram of transmittance uniformity test of high absorption type filter

表3 待測濾光片透過率誤差分析Tab.3 Error analysis of tested filter transmission

由表3可知，該系統可對透過率動態測試范圍為0.001% ～1%的濾光片進行測試，測量相對誤差小于0.1%，可以有效應用于高吸收型濾光片透過率均勻性的測試。

此外楊杰等人采用Lambda950分光光度計分別測試了國內某紫外吸收型濾光片和以色列OFIL公司生產的紫外吸收型濾光片，測試結果表明，兩種濾光片帶內透過率峰值波長均在260 nm附近，峰值透過率均在12%左右，但在帶外，OFIL所產濾光片的截止深度較好，可以有效濾除帶外背景光的干擾［24］。兩種濾光片的透射譜如圖11所示。

圖11 兩種濾光片的透射譜Fig.11 Transmission spectrum of two kinds of filter

4 結論

“日盲”紫外濾光片作為紫外光通信系統重要的組成元件，可以有效濾除背景光的干擾，大幅度提高系統通信質量和可靠性。目前已成為國內外紫外光通信領域重點研究的對象。未來紫外濾光片的研究主要從以下方面展開:(1)高透過率紫外材料的研究;(2)制備方法和工藝的進一步優化，提高紫外濾光片帶內高透過、帶外深截止等綜合性能指標;(3)設計更加方便易操作、測試結果更精確的紫外濾光片測試設備。

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