隨著信息技術的發展，人類對海洋資源的探索與開發逐漸深入，許多亟待解決的問題浮出水面。比如，水下作業機器人需帶著長長的信號電纜作業，以便于接收指令與實時傳輸探測數據，但是電纜大大限制了傳輸距離與探測靈活性；漁場需將監控器遍布在漁場的各個角落，才能實現魚群動向的實時監測，畫面龐大、成本高昂。如果可以在水下實現高速、無線通訊，那么水下機器人可以擺脫長長的電纜，在離基站更遠的地方展開靈活探測，漁場使用少量的探測器在水中來回巡檢即可滿足視頻監控需求，縮減成本。

在1963年，Dimtley等人發現，海水中藍綠光波段（450-550 nm）的衰減比其他光波段衰減小很多，說明海水中存在一個對藍綠光的透光窗口，該研究為水下光通信的產生與發展提供了條件。后來試驗證實，垂直入射時，藍綠光能穿透2000 m深的海水，衰減只有5%～10%，這個穿透深度已遠遠超過了當時世界各國潛艇的最 大潛深度。1977年起，美國、澳大利亞、日本等國家均開始了水下光通信的研究。近年來，Hanson和Radic在水下進行光波傳輸仿真，驗證了水下光通信1 Gbps通訊速率的可能性。

圖1：光在水中的吸收系數

如今，水下通訊方式主要有三種：水聲通訊、水下無線電通訊、水下光通信。受聲音在水中傳播速率的固有特性限制，水聲通信的傳輸速度在5-15 kbps左右，很難進一步提高至1 Mbit/s以上；無線電通信雖然可以在空氣中實現高數據傳輸速率，但由于電磁波在海水中的衰減速度非?？?，因此目前主要在水下使用的頻段為甚低頻（VLF）無線通信、極低頻（ELF）無線通信，傳輸距離長，傳輸速率極低。為解決水下通訊傳輸速率較低的問題，水下光通信慢慢步入人們的視野。

圖2：水聲通信和水下光通信傳輸速率和距離對比

水下光通信要想實現高速、無線、長距離通訊等性能，那么探測器就需要達到以下幾點要求：

1、較高的靈敏度：高靈敏探測器在光信號經過水下長距離的信道后，被衰減得十分微弱時，依然能夠接收信號，靈敏度越高，可實現的傳輸距離越長；

2、快時間響應：響應速度決定了單位時間內可傳輸的最的大數據量，通信系統中探測器的響應速度越快，可實現的最的大傳輸數據量越高；

3、較大的感光面積：水下環境復雜多變，較大的感光面積可以保證在多變的水下環境中穩定接收信號，避免信道中斷，提高通信系統穩定性；

4、寬動態范圍：受多變的水下環境影響，探測器接收光強變化大，使用寬動態范圍的探測器，保證強、弱信號都可以穩定探測，避免探測器因光量過強飽和或光強太小無法識別而丟失數據。

綜上，高傳輸速率、長傳輸距離是水下光通信應用的需求，因此水下光通信系統更適合使用在450-550 nm處具有較高的靈敏度，且具有較快響應速率的探測器。

圖3：水下光通信概念圖

濱松水下光通信解決方案

濱松多年來一直關注水下光通信發展并展開相應探測器的研究，因此專門開發了H14447、H14990-100-02、H14600-100這幾款光電倍增管（簡稱PMT）產品。這幾款光電倍增管產品均具有以下特點：

• 高靈敏度：Si PD的靈敏度范圍一般為0.1~10 A/W，Si APD的靈敏度范圍一般為101~102 A/W，PMT的靈敏度范圍一般為5×102~106 A/W。因此同樣信道條件下，PMT可以實現更遠的水下通訊距離。濱松為水下光通信開發的產品（H14447、H14990-100-02、H14600-100）光陰極面均使用雙堿光陰極材料，在水下光通信常用波段（450-550 nm）處具有較高的靈敏度。

  
  

圖4：光譜響應特性

• 高速時間響應：普通PMT的上升時間一般在ns量級，專為水下光通信設計的產品具有更快的ps量級響應速度，因此可以實現更高的信號傳輸速率。H14447的上升時間為350 ps，FWHM為440 ps，下降時間為250 ps，帶寬為1 GHz；H14990-100-02的上升時間為370 ps，帶寬為0.8 GHz；H14660-100的上升時間為600 ps，帶寬為0.2 GHz。

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圖5：三款產品的實測波形圖

• 大感光面積：大感光面積便于發射端與接收端光路對準，避免微小擾動造成通訊鏈路中斷，丟失傳輸信息，提高系統穩定性。H14447光陰極面有效面積直徑25 mm， H14990-100-02、H14600-100的光陰極面有效面積直徑均為8 mm。

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圖6：H14447光陰極尺寸

圖7：H14990-100-02、H14600-100光陰極尺寸

• 集成化程度高，體積小，可應用至小型化水下光通信系統中。H14990-100-02外尺寸22×22×30 mm，感光面積直徑8 mm、H14600-100外尺寸22×22×25 mm，感光面積直徑8 mm。PMT模塊內部已集成升壓模塊、分壓器。5V供電+一路控制電壓即可使PMT模塊正常工作，無需額外加PMT裸管所需的千伏高壓，使用方便。

  
  

• 特殊低增益產品，具有較寬的動態范圍。PMT的增益一般在1×106左右，H14447的增益為8.4×103，H14900-100-02的增益為2.5×104，H14600-100的增益為1.0×106。三個模塊的最的高平均輸出電流值均為100 uA，因此H14447、H14900-100-02與H14600-100相比具有更寬的動態范圍。H14600-100的增益較高，可以用于接收光功率更小的場景。

  
  

圖8：三款產品的實測眼圖

圖9：水下光通信產品概覽

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