Особенно эффективна внутренняя модуляция для резкого из­менения добротности резонатора, что широко используется для по­лучения «гигантских» импульсов излучения.

Для получения «гигантских» импульсов цепь обратной связи включается и выключается с помощью «оптических затворов». Рабо­та таких затворов основана на использовании электрических, маг­нитных, ультразвуковых эффектов и т. д. В качестве электроопти­ческого затвора предложено использовать особое стекло. Предложен оптический «рефракцион­ный затвор», основанный на отклонении светового луча при помощи ультразвуковой ячейки.

1.2.3 Методы частотной модуляции лазеров.

Часто­ту световой несущей можно регулировать за счет изменения резо­нансной частоты интерферометра Фабри—Перо. Это можно де­лать, например, с помощью пьезоэлементов, изменяющих оптиче­скую длину резонатора. Это изменение в такт с изменением моду­лирующего сигнала приводит к перемещению максимума прозрач­ности резонатора по спектру и, следовательно, к генерированию света с той или иной длиной волны.

Частотная модуляция света может быть осуществлена на осно­ве эффектов Зеемана и Штарка. Следует заметить, что модуляция с использованием этих эффектов обладает определенными недостатками. Прежде всего, для осуществления широкополосной модуляции требуются, очень сильные магнитные или электрические поля.

Для частотной модуляции может применяться ультразвуковая ячейка, помещенная внутрь резонатора лазера. Конструкция моду­лирующей ячейки аналогична конструкции амплитудного модуля­тора для внутренней AM.

1.3 Приёмники излучения

Существует два метода приема оптического излучения: коге­рентный и некогерентный.

Когерентный метод приема осуществляется за счет использо­вания дополнительного ОКГ, называемого гетеродинным или опор­ным ОКГ. При когерентном методе используются супергетеродин­ные, балансные и другие схемы приемных устройств. Некогерентный метод основан на приеме оптических сигналов без их предвари­тельной обработки до детектора.

Рассмотрим схемы устройств приема оптических сигналов, при­меняемых в обоих методах.

Основная схема при некогерентном методе приема — схема прямого усиления. При этом сигнал усиливается до детектора или без усиления сразу подается на фотодетектор.

Для усиления луча используется оптический квантовый усили­тель (ОКУ).

При когерентном методе приема оптический сигнал подвергается дополнительной обработке до фото детектора. Когерентный метод приема отличается высокой чувствительностью и малыми шумами. При использовании этого метода облегчается задача фильтрации, по­скольку она осуществляется на микроволновых, а не на оптических частотах. В том случае, когда в схемах когерентного метода прие­ма используется местный гетеродинный ОКГ, предъявляются жест­кие требования к юстировке гетеродина и стабильности его часто­ты. Более того, при одновременной подаче на фоточувствительную поверхность двух когерентных   оптических   сигналов   одинаковой поляризации фронты двух световых лучей должны иметь одинако­вую относительную фазу вдоль всего катода.

Блок-схема входной части супергетеродинного приемного уст­ройства показана на рисунке 1.5. Устройство состоит из собирательной линзы 1 для приема излучения лазера, местного гетеродинного ОКГ 2, полупрозрачного зеркала 3, фотодетектора 4 и радиотракта 5.

Рисунок 1.5 - Супергетеродинный приемник оптического диапазона

Приемлемое требование для степени не параллельности двух пучков света, падающих на детектор, может быть записано в виде

где — угол расхождения между двумя световыми пучками,  — длина волны несущих колебаний, D — апертура собирающей оптики детектора.

Основным недостатком супергетеродинного приема является возможность приема помехи на зеркальной частоте, отличающейся от несущей на удвоенную промежуточную частоту.

Предлагается устройство для супергетеродинного приема оп­тического сигнала, содержащего, кроме несущей частоты, две боко­вые частоты — верхнюю и нижнюю, в которых и заключена полез­ная информация. Таким образом, по зеркальному каналу вме­сто помехи приемник может принять одновременно два полезных сигнала. Блок-схема устройства показана на рисунке 1.6.

Рисунок 1.6 - Супергетеродинный  приемник со вспомогательными поднесущими

Устройство состоит из местного гетеродина - лазера 1, полярои­дов 2, плоскость поляризации которых показана штриховкой, рас­щепителя луча 3 с полупрозрачным зеркалом 4, двух фотодетекторов 5, фазосдвигающей цепочки 6, выходного сумматора 7 и чет­вертьволновой пластинки 8, на которой стрелкой показано направ­ление поляризации, соответствующей наибольшей скорости распро­странения волны. Входной луч через первый поляроид 2 попадает на смеситель 3.

На другую грань смесителя через второй поляриза­тор с плоскостью поляризации, повернутой на 90° относительно первого, падает луч лазера гетеродина 1. На выходе смесителя по­лучают два луча, каждый из которых содержит две компоненты, соответствующие входному и гетеродинному сигналам. Первый луч проходит через третий поляризатор, поворачивающий плоскость поляризации по часовой стрелке на 45°, и затем на свой фотодетек­тор 5, а второй через четвертый поляризатор и дополнительно че­рез четвертьволновую пластинку 4 также на свой фотодетектор 5. После фотодетектирования на выходе каждого фотоэлемента по­лучают сигнал промежуточной частоты, содержащий верхнюю и нижнюю боковые частоты. Если электрический сигнал от второго фотоэлемента подать на фазосдвигающую цепь (90°), то на вы­ходе сумматора будут выделены два напряжения: на одной клемме напряжение, пропорциональное сумме обоих сигналов, а на вто­рой — пропорциональное разности. В другом варианте приемника четвертьволновая пластинка ставится на пути лазера-гетеродина; после смесителя и поляризаторов лучи с помощью призм полного внутреннего отражения попадают на разные точки фотокатода од­ного фотоэлемента.

Данная схема позволяет   принимать полезную   информацию, передаваемую по основному и зеркальному каналам.

В приемниках с ЧМ особое значение приобретает стабилиза­ция местного гетеродина по частоте. Поскольку в настоящее время отсутствуют устройства для оптических частот аналогичные – частот­ным дискриминаторам на радиочастотах, то выделение информа­ции из ЧМ – сигнала осуществляется за счет биений, возникающих на нелинейном элементе при подаче на него ЧМ – сигнала и немодулированного и слегка сдвинутого по частоте сигнала лазера. Пред­ложен новый способ извлечения информации из частотно-модули­рованного оптического сигнала без применения гетеродинного метода приема. В такой системе вспомогательный немодулированный луч, частота которого сдвинута на некоторую величину, обра­зуется при расщеплении луча лазера – передатчика (рисунок 1.7).

На рисунке 1.7, а показана блок-схема передающей части системы, на рисунке 1.7, б — то же, приемной. Передающая часть системы содержит лазер-передатчик 1, ячейку Керра 2, сдвигающую частоту излучения; собирательную линзу 3; генератор вспомога­тельной частоты 4; модулятор на ячейке Керра 5 и источник инфор­мации 6. В приемную часть системы входят: собира­тельные линзы (антенны) 1, ФЭУ 2, сумматор 3, ограничитель 4, дискриминатор 5 и устройство воспроизведения 6. В месте приема информации оба луча совмещаются, и слож­ный луч направляется в приемник, где он попадает на не­линейный элемент. На выходе нелинейного элемента возни­кают сигналы со средней частотой, равной разности частот основного и вспомогательного лучей. Отклонение же от средней частоты определяется модулирующим сигналом.

Рисунок 1.7 – Приемник ЧМ – сигналов оптического диапазона

В результате все флуктуа­ции исходного источника света и наложенные на сложный луч во время движения его к приемнику оказываются скомпенсирован­ными.

Качество приема может быть значительно улучшено благодаря предварительному усилению света при помощи оптических кван­товых усилителей (ОКУ). Из всех типов ОКУ наиболее перспек­тивными считаются ОКУ бегущей волны, обладающие высоким коэффициентом усиления и широкой полосой. Однако в настоящее время ОКУ работают еще не на всех освоенных частотах оптичес­кого диапазона.

Один из недостатков ОКУ бегущей волны — нестабильность коэффициента усиления. В обычных ОКУ прямая и обратная бегу­щие волны имеют одинаковые частоты и при соответствующей дли­не активного вещества усилителя обе волны могут оказаться в фа­зе, что приведет к возникновению колебаний внутри усилителя. Для устранения этого нежелательного эффекта предложена новая кон­струкция ОКУ бегущей волны. Принцип работы нового ОКУ заключается в том, что в активном веществе усилителя возбужда­ются акустические бегущие волны, которые представляют собой для электромагнитной волны большое число перемещающихся неоднородностей. В результате прямая и обратная волны несколько отличаются по частоте, а ОКУ стабилизируется по коэффициенту усиления.

На оптических частотах применяются также устройства для параметрического усиления световых волн с помощью нелинейного кристалла, размещенного в резонаторе. С целью получения эффек­та усиления требуется соблюдение параллельности лучей сигнала и накачки, так как сигнал и накачка взаимодействуют во всем объ­еме нелинейного материала. Это условие не всегда выполнимо. Кроме того, возникает проблема выделения усиленного сигнала из луча. Предложена структура для усиления световой волны, в ко­торой волны сигнала и накачки падают на нелинейный кристалл под различными углами и взаимодействуют лишь в ограниченном объеме. Блок-схема усилителя изображена на рисунке 1.8.

Рисунок 1.8 – Параметрический усилитель оптического диапазона

Параметрический усилитель состоит из источника сигнала (ла­зера) 1, резонаторов 2 и 3, настроенных на частоту входного сиг­нала, диэлектрических рефлекторов 4 частично пропускающих свет для ввода и вывода сигнала и концентрации его в объеме, где проявляется эффект усиления, устройства для оптической накач­ж 5 и выходного каскада 6.

Для увеличения напряжения на выходе на фотоприемнике кон­центрируют световой поток возможно большей площади. Для этого целесообразно использовать длиннофокусные линзы. Для сни­жения потерь толщина линз выбирается минимальной. Изготовле­ние таких линз связано со значительными технологическими труд­ностями. В качестве тонких длиннофокусных линз применяют плоские стеклянные пластины, подвергающиеся механическому воздей­ствию, в результате которого их поверхность приобретает форму поверхности синусоидального цилиндра. При использовании в системе оптической связи совокупности таких пластин, ориенти­рованных друг относительно друга под углом Брюстера, потери на отражение практически исключаются и поглощение света из-за малой толщины пластин будет крайне незначительным. С техноло­гической точки зрения изготовление таких пластин не представ­ляет серьезных трудностей.

1.3.1 Детекторы оптического диапазона

Все детекторы можно подразделить на тепловые, реагирующие на суммарную мощность падающего излучения  и фотонные.

Тепловые детекторы в системах связи использовать нельзя, поскольку они реагируют на суммарную падающую мощность и не могут выделить информацию из модулированного потока излучения.

К фотонным детекторам относятся фотодетекторы с внешним и внутренним фотоэффектами. К детекторам с внешним фотоэффектом относятся электростатические фотоэлектронные умножители (ФЭУ), динамические ФЭУ со скрещенными полями, вакуумные фотоэлементы, фото – клистроны, фото – ЛБВ.

Большой интерес представляют фотодетекторы ЛБВ, в кото­рых фотоэлемент совмещен с усилителем бегущей волны. Эти при­боры имеют широкую полосу и представляют собой весьма пер­спективные демодуляторы оптических сигналов. Чувствительность их значительно выше, чем у других высокочастотных фотоэмис­сионных приемников. Поэтому большинство работ по фотоэмис­сионным приемникам посвящено именно фото – ЛБВ. Например, предлагается использовать фото – ЛБВ для когерентного приема оп­тических сигналов. Схема приемного устройства показана на рисунке 1.9.

Рисунок 1.9 – Приемник оптического диапазона с ЛЬВ

Устройство содержит источник входного сигнала 1, фильт­ры 2, отверстия 3 для ввода излучения на фотокатод 4, замедляю­щую систему 5, нагрузку фотоприемника 6, местный гетеродин оптического диапазона 7 и источники питания 8. Особенностью этого приемника является устройство фотокатода, выполненного в виде оптического резонатора. Фотокатод подвергается воздействию мо­дулированного сигнала, приходящего от внешнего источника, и сигнала местного гетеродина оптического диапазона. Поскольку характеристика фотокатода нелинейная, фототок содержит ком­поненты с комбинационными частотами, из которых в дальнейшем используются только компоненты разностной частоты. Фототок с помощью электронно-оптического устройства направляется во вторую секцию прибора, которая представляет собою обычную ЛБВ СВЧ – диапазона, где происходит усиление сигнала разност­ной частоты.

Описана схема оптического фотоприемника, предназначенного для приема светового сигнала, модулированного сигналом СВЧ. Он представляет собой настраиваемый волноводный резона­тор, состоящий из прямоугольного волновода. С одной стороны волновода помещен подвижной короткозамыкатель, а с другой — неподвижная стенка с отверстием связи, через которое в резона­тор подается сигнал от генератора СВЧ. Внутри резонатора в пуч­ности электрического поля находится фотоэлемент с внешним фото­эффектом, питаемый от источника входного сигнала. Устройство просто и надежно.

К детекторам с внутренним фотоэффектом относятся фотосопротивления, фотодиоды, фототриоды и детекторы с фотоэлектро­магнитным эффектом.

Особенность детекторов с внутренним фотоэффектом в том, что в них нет «красной» границы спектральной чувствительности. В инфракрасном диапазоне (ИК) частот могут работать фото­детекторы с p – n – переходами, поскольку существуют материалы с узкой запрещенной зоной. Фотодетекторы с р — n – переходами рас­считаны на прием слабых сигналов, в то время как фотосопротив­ления способны работать при больших мощностях падающего из­лучения. С другой стороны, постоянная времени фотосопротивле­ния велика, а фотодиоды и фототриоды могут принимать световой сигнал, модулированный СВЧ поднесущей, с частотой порядка не­скольких мегагерц. В то же время постоянная времени фотодио­дов меньше, чем фототриодов.

Для усиления слабых сигналов вместо фотодиодов можно при­менять фототриоды с внутренним усилением по току, но как было сказано выше, постоянная времени фототриодов больше, чем у фотодиодов. Это ограничивает применение фототриодов в систе­мах связи.

Предлагаются различные фоточувствительные приборы, спо­собные детектировать сигналы ИК – диапазона (вплоть до санти­метрового). Эти фотоприемники используют пленки сверхпро­водящих материалов, например Sn, Pb, A1 и пр. Детекторы представляют собой две тонкие пленки сверхпроводящего материала, разделенные тонким слоем диэлектрика (6 – 200 ангстрем). Детектирование осуществляется за счет генерации неравновесных носителей заряда, туннелирующих сквозь слой диэлектрика между пластин­ками и разделяющихся потенциальными барьерами.

При приеме слабых сигналов после фотодетектора необходимо ставить малошумящие усилители с большим коэффициентом уси­ления, например параметрические. Параметрические усилители на полупроводниковых диодах имеют ценные качества, которые по­зволяют успешно использовать их в системах связи. В последнее время получили дальнейшее развитие параметрические усилители, применяемые в оптических линиях связи. В этих усилителях полупроводниковый диод одновременно является и фотодетектором, и не­линейным реактивным элементом. Параметрические усилители с фотодиодом получили название фотопараметрических.

Развитие техники связи в оптическом диапазоне привело к со­зданию новых устройств для усиления слабых сигналов радиоча­стоты. Это новое устройство названо разером.

Подобно мазерам и лазерам в разере для получения эффекта усиления используется взаимодействие между электронами атомов и внешним магнитным полем. Однако в разере дополнительно про­исходит взаимодействие спинов атомных ядер с магнитным полем. В этом случае энергетические уровни располагаются достаточно близко друг от друга, что дает возможность усиливать радиосиг­налы. Разер состоит из проводящей цилиндрической полости, в ко­торой находится активный парамагнитный кристалл формы цилин­дра. В качестве подобного кристалла может применяться пара­магнитная соль La2Mg(N03)12*24H20, в которой 1% атомов лан­тана замещен атомами изотопов неодима. Кристалл вставлен в ин­дуктивную катушку, расположенную в полости. Для снижения уровня шумов усилителя полость погружена в гелиевый сосуд Дьюара. На определенной частоте в полость через волновод от гене­ратора СВЧ подается мощность накачки. В результате получают инверсию населенностей энергетических уровней спинов протонов. Усиливаемый сигнал подводится к катушке, которая настраивает­ся в резонанс с помощью переменного конденсатора, размещен­ного в сосуде Дьюара. Катушка может быть сделана из сверхпроводника. Это снижает собственные шумы усилителя. Такой может непрерывно перестраиваться по частоте в очень широком диапазоне.

Одним из важных параметров системы оптической связи яв­ляется отношение сигнал/шум. На оптических частотах большое значение приобретают радиационные шумы внешней среды. В за­висимости от времени суток и погоды величина шумов меняется. Большое влияние на связь оказывает излучение солнца и звезд. Особенно заметно это влияние в локационных и навигационных системах, использующих сигналы оптических квантовых генера­торов.

Описывается автоматическая регулировка для приемника све­товых импульсов низкой частоты. Эта система предназначена для слежения   за   облачным покровом   и   применяется в системе наблюдения за метеорологической обстановкой в районе аэродро­мов.

Основная идея изобретения заключается в том, что амплитуда помехи на выходе усилителя приемника поддерживается постоян­ной. В этом случае при различной посторонней засветке на входе приемника амплитуда шумов на выходе постоянна и приемник бу­дет срабатывать только от световых импульсов лазера, отражен­ных от облаков, так как амплитуда импульсов превосходит по ве­личине постороннюю засветку.

В то же время днем, в хорошую погоду, приемник выключает­ся, поскольку отраженных импульсов нет, а «чистая» засветка мо­жет быть принята за облака. Принцип работы приемника световых импульсов заключается в том, что в нем применяется интегратор, регулирующий усиление приемника. Этот интегратор выдает сиг­нал, пропорциональный внешним радиационным шумам. Блок-схема приемника и диаграммы сигнала с шумами показаны на рисунке 1.10.

Приемник содержит собирательную линзу-антенну 1, фото­элемент 2. усилители 3, 4, 5, детектор 6. Цепь автоматической ре­гулировки усиления образована усилителем 5 и детектором. В слу­чае прихода сигнала 1, показанного на рисунке, с большими радиационными шумами, усиление приемника снижается и сигнал 3 на выходе получается примерно таким же, как и в отсут­ствие шумов. Таким образом, в этой системе при помощи автоматической регулировки удается повысить отношение сигнал/шум при различ­ных метеорологических условиях.

Страницы: 1, 2, 3