В общем виде структурные схемы систем связи оптического диапазона и радиодиапазонов аналогичны. Как показано на рисунке 1.1, генератор оптического диапазона 1 вместе с модулятором 2 и генератором накачки 3 выполняет функции передатчика радиодиапазона. Излучатель 4 на передающей стороне и коллектор 5 на приемной служат передающей и приемной антеннами. Оптический квантовый усилитель 6, преобразователь световых колебаний в электрические сигналы информации 7 (модулирующий сигнал) и усилители этих сигналов 8 образуют приемник. Устройства точного нацеливания 9 служат для, совмещения оптической оси всех элементов линии. Источник передаваемой информации 10 и оконечное устройство 11, стоящее на выходе приёмника, могут быть любого типа. В оптических линиях связи могут применяться помехоустойчивые виды модуляции. Может быть построена и аппаратура уплотнения нескольких телевизионных каналов [1].

Рисунок 1.1 - Оптическая система связи

Недостаток оптической системы связи с амплитудной модуляцией световой несущей состоит в значительных нелинейных искажениях, вызываемых работой оптического модулятора. Эти, искажения обусловлены нелинейностью модуляционных характеристик оптических модуляторов и практически неустранимы.

Предложена система связи с частотно-модулированной поднесущей, которая позволяет почти полностью избавиться от нелинейных искажений оптического модулятора. В этой системе связи используется частотная модуляция (ЧМ) передаваемым сигналом вспомогательной поднесущей. Частота поднесущей выбирается в районе радиодиапазона или диапазона СВЧ. Полученный ЧМ - сигнал используется для амплитудной модуляции излучения лазера при помощи стандартного оптического модулятора.

На приемной стороне передаваемый сигнал детектируется фотодетектором, и после усиления подается на амплитудный ограничитель для устранения паразитной амплитудной модуляции. Далее полученный сигнал поступает на частотный детектор, на выходе которого получается исходный сигнал. Нелинейность характеристики оптического модулятора практически не вызывает нелинейных искажений передаваемого сигнала при применении ограничителя.

Для передачи информации на большие расстояния с целью уменьшения ослабления сигнала используют ретрансляторы. Ретранслятор представляет собой фотоприемник, усилитель-ограничитель и лазер, излучение которого модулируется сигналом с выхода усилителя-ограничителя. Ретрансляторы повышают дальность оптической связи. Другой эффективный способ повышения дальности оптических линий связи — использование световодов.

Перспективными системами связи оптического диапазона являются системы с импульсной модуляцией и импульсным режимом работы оптического квантового генератора. Такие системы позволяют с чрезвычайно высокой скоростью передавать информацию во время излучения каждого импульса. В рассматриваемой системе информация, подлежащая передаче, регистрируется в запоминающем входном устройстве и подводится к модулятору света, размещенному на пути светового пучка лазера и обеспечивающему импульсно-кодовую модуляцию. При этом соответствующие схемы синхронизируют передачу информации запоминающим устройством от световых импульсов лазера.

Световые импульсы доходят до приемного устройства, детектируются фотодетектором и передаются демодулятору, который преобразует их в электрические сигналы, соответствующие сигналам, зарегистрированным в запоминающем устройстве. Это устройство соединено со схемой синхронизации, а также читающими устройствами.

Рисунок 1.2 - Оптическая система связи с импульсной модуляцией

Блок-схема системы связи с импульсной модуляцией показана на рисунке 1.2. Подлежащая передаче информация, представленная в виде звуковых или кодированных сигналов, преобразуется на передающей станции в электрические импульсы, используемые для модуляции импульсов когерентного света, излучаемых лазером, с помощью модулятора 2.

Конечная аппаратура передающей и приемной станций укомплектована стандартными кодирующими быстродействующими устройствами, поэтому промежуточные регистрирующие устройства 3 и преобразователи 4 могут использоваться при передаче и приеме. Блок 5 служит демодулятором.

В разработанной системе применялся рубиновый лазер с продолжительностью генерируемых импульсов приблизительно 0,0001 сек. Расхождение луча лазера составляет 0,05 град. Это позволяет установить устойчивую связь на большие расстояния между пунктами, расположенными на поверхности земли.

Импульсная оптическая система связи может применяться не только на расстоянии в пределах прямой видимости. Узкий световой пучок отражается облаками с хорошо определенными контурами, сооружениями и спутниками при связи за пределами прямой видимости.

С помощью такой системы оптической связи можно установить связь и через газовую плазму, в то время как через нее электромагнитные волны радиочастотного диапазона не проходят.

Система лазерной связи может так же использоваться для передачи информации через поверхность раздела воздух - море. Состояние поверхности моря, переменчивое из-за волн, характеризуется составляющими, частота которых находится в диапазоне волн радиосвязи. Поэтому трудно передавать сигналы, используя в качестве несущей электромагнитную волну, так как отношение сигнал/шум передачи сильно уменьшается.

При использовании в качестве источников световой несущей рубиновых лазеров следует учитывать, что они имеют значительно больший уровень шумов, чем газовые лазеры непрерывного действия. Достоинство рассматриваемой системы в том, что благодаря использованию помехоустойчивой импульсно-кодовой модуляции она допускает значительно больший уровень шума как в передающем, так и в приемном устройстве.

Как уже отмечалось, на работу наземных оптических линий связи значительное влияние оказывают атмосферные условия, ухудшающие параметры оптических линий. Воздействие атмосферы приводит к ослаблению энергии излучения и искажениям оптических сигналов при передаче информации. Это выражается во флуктуациях амплитуды и фазы, искажениях фронта волны, изменениях поляризации и т. д.

Ослабление энергии излучения обусловлено рассеянием из-за оптических неоднородностей. В результате наблюдаются преломление, отражение и дифракция оптических волн. Кроме того, газы и взвешенные частицы сами могут быть источниками излучения, что приводит к увеличению уровня шума. Существенное ослабление энергии излучения лазера происходит также из-за поглощения. Поглощение электромагнитных волн имеет избирательный характер. При этом даже в области прозрачности в отдельных участках спектра наблюдается значительное поглощение.

Известный метод повышения устойчивости оптических линий связи против метеорологических условий — дублирование передачи по нескольким направлениям. Эффективным методом борьбы с влиянием избирательного поглощения является одновременное использование для передачи информации лазерного излучения с различными длинами волн, лежащих в «окнах» прозрачности атмосферы. Для уменьшения избирательных поглощений, обусловленных тонкой структурой спектра, можно использовать близкие по частоте световые несущие в пределах полосы частот «окна» прозрачности.

Весьма перспективно использование оптических линий связи в космосе.

При оптической связи на небольшие расстояния не обязательно расположение передатчика и приемника строго на одной линии. Это возможно при расширении апертуры луча. С этой целью в предлагаемой системе использован пассивный рефлектор-модулятор, который делает установку некритичной к направлению прихода светового луча, т. е. позволяет устанавливать связь между двумя подвижными точками. Эта система связи устраняет возможность перехвата сообщения и воздействия на него нежелательным абонентом и является надежным средством оперативной и аварийной связи.

Рассматриваемая система, изображенная на рисунке 1.3, состоит из блока линз 1, лазера 2, расположенного в их фокальной плоскости, рефлектора 3, модулирующего световой луч и отражающего его в обратном направлении, а также большого собирающего зеркала 4 концентрирующего принятый луч на фотодетекторе 5. Рефлектор представляет собой пассивный модулятор и состоит из трехгранного уголкового отражателя с зеркальными внутренними поверхностями, одна (или более) из которых является оптически отражающей подвижной диафрагмой. Деформация этой диафрагмы под воздействием звуковых волн создает соответствующую модуляцию отражённого светового луча, благодаря которой модулирующий сигнал после усиления усилителем 6 выделяется на приёмной стороне приёмником 7.

Рисунок 1.3 - Оптическая система связи на малые расстояния

1.2 Модуляционные устройства для оптической связи

Модуляция — одна из центральных проблем при создании систем связи оптического диапазона, так как эффективность последних во многом зависит от создания достаточно эффективных и сравнительно простых модуляторов когерентного света, получаемого от лазера. Чем шире полоса модуляции, тем больше объем передаваемой информации. Основные требования, предъявляемые к модуляторам когерентного света — широкополосность, линейность модуляционной характеристики, большой динамический диапазон и экономичность в потреблении энергии.

Методы модуляции излучения оптических квантовых генераторов делятся на два класса: методы внешней модуляции и методы внутренней модуляции.

Под внешней модуляцией подразумевается воздействие на излученный свет вне самого лазера, под внутренней — на луч лазера в процессе его генерации, т. е. воздействие на параметры автоколебательной системы — лазера. Методы модуляции можно классифицировать по изменяемому параметру модулируемого сигнала. В оптических системах возможны амплитудная, частотная, фазовая модуляции, модуляция поляризации оптической несущей сигнала, модуляция угла отклонения луча.

1.2.1 Амплитудные модуляторы для внешней модуляции

На рисунке 1.4 показана типовая блок-схема оптического модулятора. Он содержит среду 1, вращающую плоскость поляризации луча 2 и поляризационные фильтры 3 и 4 (анализаторы).

Рисунок 1.4 - Типовая схема поляризационного оптического модулятора

Модулятор работает следующим образом. После прохождения поляризационного фильтра 3 свет становится плоскополяризованным. Поляризационный фильтр 4 расположен так, что он пропускает свет с поляризацией, перпендикулярной поляризации, создаваемой первым фильтром. Если при прохождении луча света через среду 1 вращения плоскости поляризации не происходит, то фильтры не пропускают свет. Если при прохождении среды плоскость поляризации падающего света поворачивается, то на выходе модулятора появляется свет, интенсивность которого пропорциональна величине поворота плоскости поляризации.

Для вращения плоскости поляризации используются газы, жидкости, твердые тела, в которых под действием внешних факторов (магнитного, электрического полей и т. д.) возникает анизотропия диэлектрической проницаемости и связанного с ней коэффициента преломления.

Запатентованы амплитудные модуляторы света, основанные на использовании вращения плоскости поляризации под действием магнитного поля (эффект Фарадея).

Недостаток оптических модуляторов на эффекте Фарадея — необходимость создания в них значительного по величине магнитного поля в широкой полосе частот, что вызывает значительные технические трудности. Недостаток оптических модуляторов с ячейкой Керра — в значительных потерях света, ограниченном частотном диапазоне (до 109 Гц), нелинейности модуляционной характеристики.

Перспективны модуляторы оптического диапазона, основанные на использовании эффекта Поккельса. Эти модуляторы находят широкое применение для модуляции на СВЧ.

Модулятор СВЧ с использованием эффекта Поккельса представляет собой резонатор СВЧ, возбуждаемый петлей. В пучности электрического поля резонатора размещается электрооптический кристалл. С помощью петли в резонаторе возбуждаются волны типа ТМТП. Луч лазера подается вдоль оси резонатора, а модулирующий сигнал — от источника по коаксиальному кабелю к петле.

Амплитудные модуляторы с вращателями плоскости поляризации требуют значительного уровня модулирующего сигнала. Для уменьшения модулирующих напряжений предложено использовать резонатор Фабри—Перо. Оптическая длина резонатора меняется с помощью вещества, коэффициент преломления которого зависит от параметров внешнего модулирующего сигнала.

Недостаток модуляторов на эффекте Поккельса — наличие частотной зависимости коэффициента модуляции, обусловленное пьезоэффектом. Предложен метод устранения этого недостатка при помощи вспомогательной несущей, которая модулируется передаваемым сигналом. Частота несущей выбирается такой, чтобы пьезоэффект практически не проявлялся.

Основным достоинством модуляторов, использующих эффект Поккельса, является линейная зависимость сдвига фаз от приложенного напряжения, в результате чего для модуляций на высокой частоте требуется меньшая мощность, чем в модуляторе, использующем эффект Керра.

Предлагается использовать ультразвуковую ячейку для получения внешней амплитудной модуляции. Этот метод основан на зависимости интенсивности определенных типов колебаний на выходе ультразвуковой ячейки от интенсивности бегущей ультразвуковой волны, возбуждаемой модулирующим сигналом. Предусмотрена возможность выбора тип колебаний, которые являются выходным сигналом модулятора.

Описан амплитудный модулятор, использующий нелинейные явления в оптическом диапазоне. Работа модулятора основана на нелинейной зависимости поляризации от поля световой волны достаточно большой амплитуды.

При воздействии на нелинейную среду двух световых сигналов, один из которых несущий, а второй модулирующий, появляется сигнал, который содержит частоты с амплитудой, пропорциональной произведению амплитуд несущей и модулирующего сигнала. Поэтому возможно использование нелинейности среды для получения амплитудной модуляции.

Предложены амплитудные модуляторы, основанные на атомных и молекулярных взаимодействиях в веществе. Их работа основана на изменениях поглощения света в веществе при изменении состояния атомов и молекул под действием различных внешних факторов (электрического и магнитного полей, температуры, давления и т. д.). Такие системы позволяют получить широкополосную модуляцию.

Работа полупроводникового СВЧ - модулятора света основана на том, что отражающие свойства поверхности полупроводника меняются при изменении концентрации носителей, причем поверхностную концентрацию можно менять с достаточной скоростью.

Описан амплитудный модулятор, работа которого основана на изменении поглощения света при перераспределении плотности энергетических уровней под действием модулирующего электромагнитного излучения. Особенность таких модуляторов состоит в том, что при использовании среды с инверсией населенности уровней, т. е. среды с отрицательной температурой, можно значительно уменьшить уровень мощности модулирующего сигнала, необходимый для амплитудной модуляции нужной глубины.

Предложен модулятор, позволяющий осуществить одновременно и модуляцию, и усиление света за счет создания в веществе отрицательного поглощения. Предложение основано на том, что различные используемые для модуляции эффекты, наиболее ярко выраженные при резонансе, являются в то же время функцией разности населенностей уровней, определяющих резонансную частоту.

Для модуляции светового потока используют квантовую систему, состоящую из атомов щелочных металлов, процессирующих под действием модулирующего магнитного поля. При этом возникает амплитудная модуляция с частотой процессии атомов.

Описаны однополосные амплитудные модуляторы оптического диапазона, работающие по фазовому методу. Эти модуляторы позволяют сузить рабочий диапазон частот при, сохранении объема передаваемой информации.

1.2.2 Амплитудные модуляторы для внутренней модуляции.

В простейшем случае внутренняя AM осуществляется путем изменения энергии накачки. Например, в газовом лазере внутреннюю модуляцию можно осуществить, изменяя величину тока разряда через трубку. Недостатком такого метода AM является узкополосность. Значительно большей рабочей полосой частот обладают твердотельные лазеры с модулируемой накачкой.

Для осуществления внутренней амплитудной модуляции используют электрооптическую ячейку, помещаемую внутрь резонатора.

Управление коэффициентом усиления активной среды можно осуществить с помощью эффектов Зеемана и Штарка, обусловленных соответственно действием магнитного и электрических полей.

Коэффициент усиления изменяется при расщеплении энергетических уровней из-за деформации электронных орбит атомов. Предложены амплитудные модуляторы для внутренней модуляции с использованием эффекта Зеемана. Для модуляции можно использовать как продольный, так и поперечный эффект Зеемана. Недостаток модуляторов, использующих эффекты Зеемана и Фарадея, в трудности получения большого магнитного поля в широком диапазоне частот модулирующего сигнала.

Для получения амплитудной модуляции может быть использоанна ультразвуковая ячейка, помещенная внутри резонатора лазера. Ультразвуковая ячейка, также как и в случае внешней модуляции, используется в сочетании с диафрагмой, выделяющей требуемый тип колебаний. Модулирующий сигнал используется для создания бегущей волны в ультразвуковой ячейке.

Страницы: 1, 2, 3