关于水下光通信的探测器，你是不是还在担心这几点

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Z 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。

图1：光在水中的吸收系数

如今，水下通讯方式主要有三种：水声通讯、水下无线电通讯、水下光通信。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。为解决水下通讯传输速率较低的问题，水下光通信慢慢步入人们的视野。

图2：水声通信和水下光通信传输速率和距离对比

水下光通信要想实现高速、无线、长距离通讯等性能，那么探测器就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Z的大数据量，通信系统中探测器的响应速度越快，可实现的Z的大传输数据量越高；

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。

图3：水下光通信概念图

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。

  
  

图6：H14447光阴极尺寸

图7：H14990-100-02、H14600-100光阴极尺寸

• 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Z的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8：三款产品的实测眼图

图9：水下光通信产品概览