近地层紫外光通信“日盲”滤光片技术研究

吕照顺，吴晗平，3，李军雨，梁宝雯，王华泽

(1.海军工程大学兵器工程系，湖北武汉430033;2.武汉工程大学光电子系统技术研究所，湖北武汉430205;3.湘潭大学物理与光电工程学院，湖南湘潭411105)

1 引言

紫外光通信是采用200～280 nm“日盲”波段的紫外光作为载波，利用大气分子和气溶胶微粒的散射作用来实现非直视通信［1］，具有低窃听率、抗干扰能力强等诸多优点。可以被广泛应用于军民领域［2－3］，特别是在近地层战场环境下，短距离军用通信中的应用，越来越受到各国军方的重视。

在进行紫外光通信时，接收端容易受到以下因素影响或干扰:

(1)紫外光源发射的光频谱较宽，且是一种非线性光谱;

(2)人类活动产生的紫外辐射源，例如电焊、路边的钠灯等［4］;

(3)工作在“日盲”紫外波段的探测器具有较宽的响应波段、较高的量子效率，虽然响应峰值在日盲区，但是在其他波段仍具有较高的响应度，因此对阳光中可见光和紫外光的部分响应也是一个较大的干扰［5－7］。

紫外滤光片是紫外光通信系统的重要组成元件，可以有效降低干扰源产生的背景噪声对通信的影响，进而提高系统的通信质量和可靠性。为了确保系统正常工作，必须选用薄膜附着力强［8］、带内高透过、带外深截止的滤光片，还要综合系统工作波长、探测器波长响应范围，入射角对滤光性能的影响等因素［9］。

目前国内外从滤光片的类型、材料选择、制备以及性能检测方面展开了相关的研究，取得了一定的成果。

2 紫外滤光片的类型及制备

紫外滤光片的类型主要有干涉型、吸收性、声光型以及组合型［10］。紫外光通信要求滤光片信号光透过率高于10%，背景光截止大于9个光密度单位(Optical Density，OD)，且入射角的变化对透过率影响较小［11］。这里主要探讨紫外干涉型和紫外吸收型两类滤光片。

2.1 紫外干涉型滤光片

2.1.1 干涉型滤光片基本原理

紫外干涉型滤光片是紫外光通信系统中常用的滤光片，目前国内对其研究和使用最为广泛。紫外干涉型滤光片利用多层薄膜材料对光的干涉，使信号光能够高透过，背景光深截止。通过改变薄膜的结构参数和光学参数，可以获得需要的光谱特性。基本原理图如图1所示［12］。

图1 紫外干涉型滤光片基本原理图Fig.1 Basic schematic of UVinterference type filter

由图1可知，紫外光在通过滤光片时，会在滤光片内部发生多次干涉和反射，这就可以把背景光通过干涉作用消除，得到需要信号光。图2所示为沈阳汇博公司生产的254 nm紫外干涉型滤光片光谱图。

图2 254 nm紫外干涉型滤光片光谱图Fig.2 Spectrum of 254 nm UV interference type filter

由图2可知，该型滤光片带内254 nm处信号光透过率达到10%，带外具有很好的深截止特性，可以用于近地层紫外光通信系统中。

2.1.2 干涉型滤光片制备

(1)主要制备材料

目前可用于制备干涉型紫外滤光片的光学材料非常有限，主要材料如表1所示。

表1 制备紫外干涉型滤光片的主要材料Tab.1 Main materials prepared for UV interference type filter

(2)膜层厚度监控方法

膜层厚度监控是整个滤光片制备过程的一个至关重要的环节，其准确度直接决定滤光片的性能优劣，主要监控膜层的光学厚度和物理厚度。膜层厚度监控方法主要有光学监控法和石英晶振法。

光学监控法是利用单色仪将光信号转换成电信号，膜层厚度的变化会引起光信号变化，具体变化在反射率(或透过率)曲线中体现。由于透过率和反射率都存在极值，因此利用这个极值来监控。

石英晶振法是通过监控石英厚度的变化引起其振荡频率的变化，来控制膜层的厚度。

两种监控方法的优缺点如表2所示。

表2 两种监控方法优缺点Tab.2 Advantages and disadvantages of two kinds of monitoring methods

(3)已完成制备的滤光片

邓文渊等人利用 ZrO2、SiO2和Al三种薄膜材料，采用离子束溅射沉积法制备了一种“日盲”紫外诱导透射滤光片，其峰值波长264 nm，峰值透过率大于60%，带宽(FWHM)约为 13 nm，在 300～350 nm波段的截止深度为2.6 OD。对该滤光片的实际光谱测试表明，制约其性能的主要原因:一是离子束溅射沉积Al膜的速率;二是溅射气体Ar及沉积腔体中可能残余的微量O2［13］。

付秀华课题组利用电子束(EB)加热蒸发和离子辅助沉积(IAD)法，将 HfO2、MgF2和 UV－SiO2镀在熔融JGS1基底上，并采用光学监控法和石英晶振法相结合的方式监控膜层的厚度，制备了一种紫外滤光片。该滤光片在入射角0°～25°范围内能够透射240～280 nm波段，抑制300～620 nm波段。同时有效解决了脱膜、膜厚控制、材料吸收等问题［14］。该滤光片光谱图如图3所示。

基于法布里－珀罗(F－P)窄带滤光片结构，通过一系列的理论分析、材料研究、工艺优化，利用F－P带通滤光片和诱导方式相结合的方法制备出了峰值透过率达17.96%，半峰值带宽约为20 nm的紫外滤光片。该滤光片可以有效抑制带外背景光，对可见光的截止深度均小于30 dB［15］。该滤光片的实测光谱图如图4所示。

图3 滤光片光谱图Fig.3 Spectrum of filter

图4 滤光片的实测光谱图Fig.4 Tested spectrum of filter

采用利用熔融石英玻璃、MgF2和Al等材料，制备了一种紫外诱导透射滤光片。为确保样品的稳定性、一致性和重复性，采用UV3150型分光光度计对其5个位置的透过率光谱进行测试。结果表明该滤光片在265 nm处透过率达到 22%，对 300～1000 nm的抑制平均小于0.2%［16］。紫外诱导透射滤光片光谱图如图5所示。

图5 紫外诱导透射滤光片光谱图Fig.5 Spectrum of UV induced transmission filter

该课题组还选用HfO2、MgF2等材料，通过逆向测试分析法，解决了由于设备与控制误差引起的膜厚问题，制备了240～280 nm波段透过率为86%，290～360 nm波段截止深度小于0.2%的紫外滤光片。

R.G.Safin设计并制造出了265～290 nm波段透过率为20%，300～800 nm波段截止深度7 OD的紫外滤光片［17］。该型滤光片实验测试光谱图，如图6所示。

图6 实验测试光谱图Fig.6 Spectral response of solar－blind UV filter(experimental)

Sangsik Kim对反射相移参数进行了研究［18］，在此基础上利用铝和石英玻璃等材料研制了一种厚度较薄，入射角对透过率影响较小的紫外滤光片，其能够有效滤除近紫外光和可见光。通过改变制备材料和厚度，还可以制备可见光或长波长高透过滤光片［19］。

2.2 紫外吸收型滤光片

2.2.1 吸收型滤光片基本原理

紫外吸收型滤光片通常采用石英玻璃作为基底，由特殊吸收光谱特性的有机染料、紫外玻璃等构成，其对需要的信号光几乎无吸收作用，而对背景光具有强烈的吸收作用，具有信号光高透过、背景光深截止的特点。

2.2.2 吸收型滤光片制备

许智煌等人利用缩合反应合成2，7－二甲基－3，6－偶氮环庚－1，6－二烯高氯酸盐，这是一种有机紫外滤波材料。采用vario ELⅢ元素分析仪测定分析元素;Lambda－90紫外/可见/近红外分光光度计测定染料溶液和染料掺杂的聚乙烯醇(PVA)薄膜的紫外光谱性质。根据溶液与PVA膜的紫外透过性能，配合紫外滤波晶体和有色玻璃组合成紫外滤光片，并测定其透过性能［20］。

由染料溶液和染料掺杂的PVA膜与透紫外黑色玻璃以及六水硫酸镍晶体制作的紫外滤光片，可以有效滤除285 nm以上的紫外光，带内透过率可达20.5%和15.2%，其光谱图如图7所示。

图7 紫外吸收型滤光片光谱图Fig.7 Spectrum of UV absorption type filter

通过对不同浓度的染料溶液和染料掺杂PVA薄膜紫外光谱性质的研究，得出以下结论:

(1)采用低浓度染料，溶液最大吸收波长322 nm，薄膜最大吸收波长325 nm;

(2)随着浓度增加，溶液和 PVA膜在240～285 nm波段具有较高的透过率，在285～345 nm波段具有强吸收作用;

(3)利用染料溶液和染料掺杂PVA薄膜与紫外滤波晶体和有色玻璃组合可以合成性能优良的紫外滤光片。

3 滤光片性能测试

3.1 干涉型滤光片性能测试

干涉型滤光片的性能测试，主要包括光学性能特性和非光学特性两种。光学特性主要是滤光片的光谱特性，非光学特性主要是机械强度、镀膜的稳定性等［21］。这里主要讨论光学特性。

为了有效滤除背景噪声，提高紫外通信系统的信噪比，不仅要求带内透过率高，而且对日盲紫外滤光片带外截止深度的要求也越来越严格，对其测试也显得极其重要。

崔穆涵等人基于替代法，采用窄带LED作为光源，以标准反射式中性衰减片的衰减率作为参考，建立了一套超大动态范围紫外滤光片截止深度测试系统，通过对比计算得出待测紫外滤光片的带外截止深度。该测试系统原理图［22］如图8所示。

由图8可知，将滤光片和已知衰减系数的衰减片安放在光电倍增管(PMT)之前，分别测量LED所发出的光经过滤光片和衰减片的输出光电流，将该电流作为待测电流值和参考电流值，从而间接测得待测滤光片的截止深度。该测试系统的示意图，如图9所示。

图8 测试系统原理图Fig.8 Schematic of test system

超大动态范围滤光片截止深度测试系统通过实验测试，在35～800 nm波段内，系统的不确定度小于2%，相对重复性误差小于0.2%，满足测试要求。因此该系统将紫外滤光片截止深度的动态测试范围由0～6 OD扩大到0～11 OD，且精度高，波段覆盖范围宽，便于装调和使用。

图9 测试系统示意图Fig.9 Schematic diagram of test system

3.2 吸收型滤光片性能测试

王越等人采用声光检测和相关检测技术，利用虚拟仪器Labview8.0为平台，搭建高吸收型滤光片透过率均匀性测试系统。以标定的标准衰减片透过率为基准，实时自动扫描测量待测滤光片多点透过率的均匀性分布［23］。高吸收型滤光片透过率均匀性测试系统框图如图10所示。

该系统采用波长632.8 nm、输出功率1 mW的He－Ne激光器作为光源，激光经过声光调制器、反射镜、衰减片、波片、反射镜、可调光阑、待测滤光片和积分球后进入信号采集处理系统。

对动态透过率范围为0.001% ～1%的滤光片进行测试，设基准入射光强为I1，透过光强为I2，基准衰减片的透过率为T1，滤光片的透过率为T2，待测滤光片透过率误差分析，如表3所示。

图10 高吸收型滤光片透过率均匀性测试系统框图Fig.10 System block diagram of transmittance uniformity test of high absorption type filter

表3 待测滤光片透过率误差分析Tab.3 Error analysis of tested filter transmission

由表3可知，该系统可对透过率动态测试范围为0.001% ～1%的滤光片进行测试，测量相对误差小于0.1%，可以有效应用于高吸收型滤光片透过率均匀性的测试。

此外杨杰等人采用Lambda950分光光度计分别测试了国内某紫外吸收型滤光片和以色列OFIL公司生产的紫外吸收型滤光片，测试结果表明，两种滤光片带内透过率峰值波长均在260 nm附近，峰值透过率均在12%左右，但在带外，OFIL所产滤光片的截止深度较好，可以有效滤除带外背景光的干扰［24］。两种滤光片的透射谱如图11所示。

图11 两种滤光片的透射谱Fig.11 Transmission spectrum of two kinds of filter

4 结论

“日盲”紫外滤光片作为紫外光通信系统重要的组成元件，可以有效滤除背景光的干扰，大幅度提高系统通信质量和可靠性。目前已成为国内外紫外光通信领域重点研究的对象。未来紫外滤光片的研究主要从以下方面展开:(1)高透过率紫外材料的研究;(2)制备方法和工艺的进一步优化，提高紫外滤光片带内高透过、带外深截止等综合性能指标;(3)设计更加方便易操作、测试结果更精确的紫外滤光片测试设备。

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