Реферат: Применение лазеров в связи и локации

Содержание

Стр.

 TOC o «1-3» h z u Введение. PAGEREF _Toc125681430 h 3

1 Лазеры в технике связи. PAGEREF _Toc125681431 h 3

1.1 Системы связи оптического диапазона. PAGEREF _Toc125681432 h 3

1.2Модуляционные устройства для оптической связи. PAGEREF _Toc125681433 h 8

1.2.1 Амплитудные модуляторы для внешнеймодуляции. PAGEREF _Toc125681434 h 9

1.2.2 Амплитудные модуляторы для внутреннеймодуляции.PAGEREF _Toc125681435 h 12

1.2.3 Методы частотной модуляции лазеров.PAGEREF _Toc125681436 h 13

1.3 Приёмники излучения. PAGEREF _Toc125681437 h 14

1.3.1 Детекторы оптического диапазона. PAGEREF _Toc125681438 h 20

1.4 Световодные линии связи. PAGEREF _Toc125681439 h 25

1.4.1 Основные типы световодов. PAGEREF _Toc125681440 h 26

1.4.2 Световые лучеводы… PAGEREF _Toc125681441 h 27

1.4.3 Волоконные волноводы… PAGEREF _Toc125681442 h 29

1.4.4 Газовые волноводы… PAGEREF _Toc125681443 h 29

1.4.5 Оптические микроволноводы… PAGEREF _Toc125681444 h 30

2 Применение лазеров в радиолокационных системах. PAGEREF _Toc125681445 h 32

Список использованных источников. PAGEREF _Toc125681446 h 36

Введение

1 Лазеры в техникесвязи

1.1 Системы связиоптического диапазона

В общем виде структурныесхемы систем связи оптического диапазона и радиодиапазонов аналогичны. Какпоказано на рисунке 1.1, генератор оптического диапазона 1 вместе с модулятором 2и генератором накачки 3  выполняет функции передатчика радиодиапазона.Излучатель 4 на передающей стороне и коллектор 5 на прием­ной служат передающей иприемной антеннами. Оптический кван­товый усилитель 6, преобразовательсветовых колебаний в электри­ческие сигналы информации 7 (модулирующий сигнал) и усилите­ли этих сигналов 8 образуютприемник. Устройства точного нацели­вания 9 служат для, совмещенияоптической оси всех элементов линии. Источник передаваемой информации 10 иоконечное устройство 11, стоящее на выходе приёмника, могут быть любоготипа. В оптических линиях связи могут применяться помехоустойчивые видымодуляции. Может быть построена и аппаратура уплотнения несколькихтелевизионных каналов [1].

<img src="/cache/referats/21032/image002.jpg" v:shapes="_x0000_i1025">

Рисунок 1.1 -  Оптическая система связи

Недостатокоптической системы связи с амплитудной модуля­цией световой несущей состоит взначительных нелинейных искажениях, вызываемых работой оптического модулятора.Эти, иска­жения обусловлены нелинейностью модуляционных характеристикоптических модуляторов и практически неустранимы.

Предложенасистема связи с частотно-модулированной поднесущей, которая позволяет почтиполностью избавиться от нелинейныхискажений оптического модулятора. В этой системе связииспользуется частотная модуляция (ЧМ) передаваемым сиг­налом вспомогательнойподнесущей. Частота поднесущей выби­рается в районе радиодиапазона илидиапазона СВЧ. Полученный ЧМ — сигнал используется для амплитудной модуляцииизлучения лазера при помощи стандартного оптического модулятора.

Наприемной стороне передаваемый сигнал детектируется фотодетектором, и послеусиления подается на амплитудный ограничи­тель для устранения паразитнойамплитудной модуляции. Далее полученныйсигнал поступает на частотный детектор, на выходе ко­торого получаетсяисходный сигнал. Нелинейность характеристики оптического модулятора практическине вызывает нелинейных ис­кажений передаваемого сигнала при примененииограничителя.

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

Перспективнымисистемами связи оптического диапазона явля­ются системы с импульсной модуляциейи импульсным режимом работы оптического квантового генератора. Такие системы по­зволяютс чрезвычайно высокой скоростью передавать информацию во время излучениякаждого импульса. В рассматриваемой системе информация, подлежащая передаче,регистрируется в запоминающем входном устройстве и подводится к модуляторусвета, размещенному на пути светового пучка лазера и обеспечивающе­муимпульсно-кодовую модуляцию. При этом соответствующие схе­мы синхронизируютпередачу информации запоминающим устрой­ством от световых импульсов лазера.

Световыеимпульсы доходят до приемного устройства, детек­тируются фотодетектором ипередаются демодулятору, который преобразует их в электрические сигналы,соответствующие сигна­лам, зарегистрированным в запоминающем устройстве. Этоустрой­ство соединено со схемой синхронизации, а также читающими уст­ройствами.

<img src="/cache/referats/21032/image004.jpg" v:shapes="_x0000_i1026">

Рисунок 1.2 — Оптическая система связи с импульсной модуляцией

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

Конечная аппаратура передающей и приемной станций уком­плектованастандартными кодирующими быстродействующими устройствами, поэтому промежуточныерегистрирующие устройст­ва 3 и преобразователи 4 могутиспользоваться при передаче и при­еме. Блок 5 служит демодулятором.

В разработанной системе применялся рубиновый лазер спродолжительностью генерируемых импульсов приблизительно 0,0001 сек. Расхождениелуча лазера составляет 0,05 град. Это позволяет установить устойчивуюсвязь на большие расстояния между пунктами, расположенными на поверхностиземли.

Импульсная оптическая система связи может применяться нетолько на расстоянии в пределах прямой видимости. Узкий свето­вой пучок отражаетсяоблаками с хорошо определенными конту­рами, сооружениями и спутниками при связиза пределами прямой видимости.

С помощью такой системы оптической связи можно установитьсвязь и через газовую плазму, в то время как через нее электро­магнитные волнырадиочастотного диапазона не проходят.

Система лазерной связи может так же использоваться дляпередачи информации через поверхность раздела воздух — море. Состояниеповерхности моря, переменчивое из-за волн, характери­зуется составляющими, частотакоторых находится в диапазоне волн радиосвязи. Поэтому трудно передаватьсигналы, используя в качестве несущей электромагнитную волну, так как отношениесигнал/шум передачи сильно уменьшается.

При использовании в качестве источников световой несущейрубиновых лазеров следует учитывать, что они имеют значительно больший уровеньшумов, чем газовые лазеры непрерывного дейст­вия. Достоинство рассматриваемойсистемы в том, что благодаря использованию помехоустойчивой импульсно-кодовоймодуляции она допускает значительно больший уровень шума как в передаю­щем, таки в приемном устройстве.

Как уже отмечалось, на работу наземных оптических линий связизначительное влияние оказывают атмосферные условия, ухудшающие параметрыоптических линий. Воздействие атмосфе­ры приводит к ослаблению энергииизлучения и искажениям опти­ческих сигналов при передаче информации. Это выражаетсяво флуктуациях амплитуды и фазы, искажениях фронта волны, изме­ненияхполяризации и т. д.

Ослабление энергии излучения обусловлено рассеянием из-заоптических неоднородностей. В результате наблюдаются преломле­ние, отражение идифракция оптических волн. Кроме того, газы и взвешенные частицы сами могутбыть источниками излучения, что приводит к увеличению уровня шума. Существенноеослабление энергии излучения лазера происходит также из-за поглощения. Поглощениеэлектромагнитных волн имеет избирательный характер. При этом даже в областипрозрачности в отдельных участках спектра наблюдается значительное поглощение.

Известный метод повышения устойчивости оптических линий связипротив метеорологических условий — дублирование переда­чи по несколькимнаправлениям. Эффективным методом борьбы с влиянием избирательного поглощенияявляется одновременное использование для передачи информации лазерного излученияс раз­личными длинами волн, лежащих в «окнах» прозрачности атмос­феры. Дляуменьшения избирательных поглощений, обусловленных тонкой структурой спектра,можно использовать близкие по часто­те световые несущие в пределах полосычастот «окна» прозрач­ности.

Весьма перспективно использование оптических линий связи вкосмосе.

При оптической связи на небольшие расстояния не обязательнорасположение передатчика и приемника строго на одной линии. Это возможно прирасширении апертуры луча. С этой целью в предлагаемой системе использованпассивный рефлектор-моду­лятор, который делает установку некритичной кнаправлению при­хода светового луча, т. е. позволяет устанавливать связь междудвумя подвижными точками. Эта система связи устраняет возмож­ность перехватасообщения и воздействия на него нежелательным абонентом и является надежнымсредством оперативной и аварий­ной связи.

Рассматриваемая система, изображенная на рисунке 1.3, состоитиз блока линз 1, лазера 2, расположенногов их фокальной плос­кости, рефлектора 3, модулирующего световой луч иотражающего его в обратном направлении, а также большого собирающего зер­кала 4концентрирующего принятый луч на фотодетекторе 5. Реф­лекторпредставляет собой пассивный модулятор и состоит из трехгранного уголкового отражателяс зеркальными внутренними поверхностями, одна (или более) из которых являетсяоптически отражающей подвижной диафрагмой. Деформация этой диафраг­мы подвоздействием звуковых волн создает соответствующую модуляцию отражённогосветового луча, благодаря которой модулирующий сигнал после усиления усилителем6 выделяется на приёмной стороне приёмником 7.

<img src="/cache/referats/21032/image006.jpg" v:shapes="_x0000_i1027">

Рисунок 1.3 — Оптическая  система  связи на  малые  расстояния

1.2 Модуляционные устройства дляоптической связи

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

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

Подвнешней модуляцией подразумевается воздействие на из­лученный свет вне самоголазера, под внутренней — на луч лазера в процессе его генерации, т. е.воздействие на параметры автоко­лебательной системы — лазера. Методы модуляцииможно класси­фицировать по изменяемому параметру модулируемого сигнала. Воптических системах возможны амплитудная, частотная, фазовая модуляции,модуляция поляризации оптической несущей сигнала, модуляция угла отклонениялуча.

1.2.1 Амплитудные модуляторы для внешней модуляции

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

<img src="/cache/referats/21032/image008.jpg" v:shapes="_x0000_i1028">

Рисунок 1.4 — Типовая схема поляризационногооптического модулятора

Модулятор работает следующим образом. После прохожде­нияполяризационного фильтра 3 свет становится плоскополяризованным.Поляризационный фильтр 4 расположен так, что он про­пускает свет споляризацией, перпендикулярной поляризации, со­здаваемой первым фильтром. Еслипри прохождении луча света через среду 1 вращения плоскости поляризациине происходит, то фильтры не пропускают свет. Если при прохождении среды плос­костьполяризации падающего света поворачивается, то на выходе модулятора появляетсясвет, интенсивность которого пропорцио­нальна величине поворота плоскостиполяризации.

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

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

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

Перспективны модуляторы оптического диапазона, основанные наиспользовании эффекта Поккельса. Эти модуляторы находят широкое применение длямодуляции на СВЧ.

Модулятор СВЧ с использованием эффекта Поккельса пред­ставляетсобой резонатор СВЧ, возбуждаемый петлей. В пучности электрического поля резонатораразмещается электрооптический кристалл. С помощью петли в резонаторевозбуждаются волны ти­па ТМТП. Луч лазера подается вдоль осирезонатора, а модули­рующий сигнал — от источника по коаксиальному кабелю кпетле.

Амплитудные модуляторы с вращателями плоскости поляриза­циитребуют значительного уровня модулирующего сигнала. Для уменьшения модулирующихнапряжений предложено использовать резонатор Фабри—Перо. Оптическая длинарезонатора меняется с помощью вещества, коэффициент преломления которого зависитот параметров внешнего модулирующего сигнала.

Недостаток модуляторов на эффекте Поккельса — наличие ча­стотнойзависимости коэффициента модуляции, обусловленное пьезоэффектом. Предложенметод устранения этого недостатка при помощи вспомогательной несущей, котораямодулируется переда­ваемым сигналом. Частота несущей выбирается такой, чтобыпьезоэффект практически не проявлялся.

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

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

Описан амплитудный модулятор, использующий нелинейные явленияв оптическом диапазоне. Работа модулятора осно­вана на нелинейной зависимостиполяризации 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 <img src="/cache/referats/21032/image010.gif" v:shapes="_x0000_i1029"> с амплитудой, про­порциональнойпроизведению амплитуд несущей и модулирующего сигнала. Поэтому возможноиспользование нелинейности среды для получения амплитудной модуляции.

Предложены амплитудные модуляторы, основанные на атом­ных имолекулярных взаимодействиях в веществе. Их ра­бота основана на измененияхпоглощения света в веществе при изменении состояния атомов и молекул поддействием различных внешних факторов (электрического и магнитного полей,темпера­туры, давления и т. д.).Такие системы позволяют получить широ­кополоснуюмодуляцию.

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

Описан амплитудный модулятор, работа которого основана наизменении поглощения света при перераспределении плотности энергетическихуровней под действием модулирующего электромаг­нитного излучения. Особенностьтаких модуляторов состоит в том, что при использовании среды с инверсиейнаселенности уров­ней, т. е. среды с отрицательной температурой, можно значительноуменьшить уровень мощности модулирующегосигнала, необходимый для амплитудной модуляции нужной глубины.

Предложен модулятор, позволяющий осуществить одновремен­но имодуляцию, и усиление света за счет создания в веществе от­рицательногопоглощения. Предложение основано на том, что различные используемые длямодуляции эффекты, наиболее ярко выраженные при резонансе, являются в то жевремя функцией раз­ности населенностей уровней, определяющих резонанснуючастоту.

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

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

1.2.2 Амплитудные модуляторы для внутренней модуляции.

В простейшем случае внутренняя AMосуществ­ляется путем измененияэнергии накачки. Например, в газовом ла­зере внутреннюю модуляцию можноосуществить, изменяя величи­ну тока разряда через трубку. Недостатком такогометода AMяв­ляется узкополосность. Значительно большей рабочей полосой ча­стотобладают твердотельные лазеры с модулируемой накачкой.

Для осуществления внутренней амплитудной модуляции ис­пользуютэлектрооптическую ячейку, помещаемую внутрь резона­тора.

Управление коэффициентом усиления активной среды можно осуществить спомощью эффектов Зеемана и Штарка, обусловлен­ных соответственно действиеммагнитного и электрических полей.

Коэффициент усиления изменяется при расщеплении энерге­тических уровнейиз-за деформации электронных орбит атомов. Предложены амплитудные модуляторыдля внутренней модуляции с использованием эффекта Зеемана. Для модуляции можноиспользовать как продольный, так и поперечный эффект Зеемана. Недостатокмодуляторов, использующих эффекты Зеемана и Фарадея, в трудности получениябольшого магнитного поля в широком диапазоне частот модулирующего сигнала.

Для получения амплитудной модуляции может быть использо­аннаультразвуковая ячейка, помещенная внутри резонатора ла­зера. Ультразвуковаяячейка, также как и в случае внешней модуляции, используется в сочетании сдиафрагмой, выделяющей требуемый тип колебаний. Модулирующий сигналиспользуется для создания бегущей волны в ультразвуковой ячейке.

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

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

1.2.3 Методы частотной модуляции лазеров.

Часто­ту световой несущей можно регулировать за счет изменения резо­нанснойчастоты интерферометра Фабри—Перо. Это можно де­лать, например, с помощьюпьезоэлементов, изменяющих оптиче­скую длину резонатора. Это изменение в такт сизменением моду­лирующего сигнала приводит к перемещению максимума прозрач­ностирезонатора по спектру и, следовательно, к генерированию света с той или инойдлиной волны.

Частотная модуляция света может быть осуществлена на осно­ве эффектовЗеемана и Штарка. Следует заметить, что модуляция с использованием этихэффектов обладает определенными недостатками. Прежде всего, для осуществленияширокополосной модуляции требуются, очень сильные магнитные или электрическиеполя.

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

1.3 Приёмники излучения

Существуетдва метода приема оптического излучения: коге­рентный и некогерентный.

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

Рассмотримсхемы устройств приема оптических сигналов, при­меняемых в обоих методах.

Основнаясхема при некогерентном методе приема — схема прямого усиления. При этомсигнал усиливается до детектора или без усиления сразу подается нафотодетектор.

Дляусиления луча используется оптический квантовый усили­тель (ОКУ).

При когерентном методе приема оптический сигналподвергается дополнительнойобработке до фото детектора. Когерентный метод приема отличается высокой чувствительностьюи малыми шумами. При использовании этого метода облегчается задача фильтрации,по­скольку она осуществляется на микроволновых, а не на оптических частотах. Втом случае, когда в схемах когерентного метода прие­ма используется местныйгетеродинный ОКГ, предъявляются жест­кие требования к юстировке гетеродина истабильности его часто­ты. Более того, при одновременной подаче нафоточувствительную поверхность двух когерентных   оптических  сигналов   одинаковой поляризациифронты двух световых лучей должны иметь одинако­вую относительную фазу вдоль всегокатода.

Блок-схемавходной 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, фотодетектора4 и радиотракта 5.

<img src="/cache/referats/21032/image012.jpg" v:shapes="_x0000_i1030">

Рисунок 1.5 — Супергетеродинный приемник оптического диапазона

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

<img src="/cache/referats/21032/image014.gif" v:shapes="_x0000_i1031">

где <img src="/cache/referats/21032/image016.gif" v:shapes="_x0000_i1032"><img src="/cache/referats/21032/image018.gif" v:shapes="_x0000_i1033"> — длина волны несущихколебаний, D— апертура собирающей оптики детектора.

Основнымнедостатком супергетеродинного приема является возможность приема помехи назеркальной частоте, отличающейся от несущей на удвоенную промежуточную частоту.

Предлагаетсяустройство для супергетеродинного приема оп­тического сигнала, содержащего,кроме несущей частоты, две боко­вые частоты — верхнюю и нижнюю, в которых изаключена полез­ная информация. Таким образом, по зеркальному каналу вме­стопомехи приемник может принять одновременно два полезных сигнала. Блок-схемаустройства показана на рисунке 1.6.

<img src="/cache/referats/21032/image020.jpg" v:shapes="_x0000_i1034">

Рисунок 1.6 — Супергетеродинный приемник со вспомогательными поднесущими

Устройствосостоит из местного гетеродина — лазера 1,полярои­дов 2, плоскость поляризации которых показана штриховкой, рас­щепителялуча 3 с полупрозрачным зеркалом 4, двух фотодетекторов 5, фазосдвигающейцепочки 6, выходного сумматора 7и чет­вертьволновой пластинки 8, на которой стрелкой показано направ­лениеполяризации, соответствующей наибольшей скорости распро­странения волны.Входной луч через первый поляроид 2 попадает на смеситель 3.

Надругую грань смесителя через второй поляриза­тор с плоскостью поляризации,повернутой на 90° относительно первого, падает луч лазера гетеродина 1. На выходе смесителя по­лучают двалуча, каждый из которых содержит две компоненты, соответствующие входному игетеродинному сигналам. Первый луч проходит через третий поляризатор,поворачивающий плоскость поляризации по часовой стрелке на 45°, и затем на свойфотодетек­тор 5, а второй через четвертый поляризатор и дополнительно че­резчетвертьволновую пластинку 4 также на свой фотодетектор 5. Послефотодетектирования на выходе каждого фотоэлемента по­лучают сигналпромежуточной частоты, содержащий верхнюю и нижнюю боковые частоты. Еслиэлектрический сигнал от второго фотоэлемента подать на фазосдвигающую цепь(90°), то на вы­ходе сумматора будут выделены два напряжения: на одной клемменапряжение, пропорциональное сумме обоих сигналов, а на вто­рой —пропорциональное разности. В другом варианте приемника четвертьволноваяпластинка ставится на пути лазера-гетеродина; после смесителя и поляризаторовлучи с помощью призм полного внутреннего отражения попадают на разные точкифотокатода од­ного фотоэлемента.

Даннаясхема позволяет   принимать полезную   информацию, передаваемую по основному изеркальному каналам.

Вприемниках с ЧМ особое значение приобретает стабилиза­ция местного гетеродинапо частоте. Поскольку в настоящее время отсутствуют устройства для оптическихчастот аналогичные – частот­ным дискриминаторам на радиочастотах, то выделениеинформа­ции из ЧМ – сигнала осуществляется за счет биений, возникающих нанелинейном элементе при подаче на него ЧМ – сигнала и немодулированного ислегка сдвинутого по частоте сигнала лазера. Пред­ложен новый способ извлеченияинформации из частотно-модули­рованногооптического сигнала без применения гетеродинного метода приема. В такойсистеме вспомогательный немодулированный луч, частота которого сдвинута нанекоторую величину, обра­зуется при расщеплении луча лазера – передатчика (рисунок1.7).

На рисунке1.7, 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, сдвигающуючастоту излучения; собирательную линзу 3;генератор вспомога­тельной частоты 4; модулятор на ячейке Керра 5 иисточник инфор­мации 6. В приемную часть системы входят: собира­тельныелинзы (антенны) 1, ФЭУ 2, сумматор 3, ограничитель 4, дискриминатор5 и устройство воспроизведения 6. В месте приема информации обалуча совмещаются, и слож­ный луч направляется в приемник, где он попадает на не­линейныйэлемент. На выходе нелинейного элемента возни­кают сигналы со средней частотой,равной разности частот основного ивспомогательного лучей. Отклонение же от средней частоты определяетсямодулирующим сигналом.

<img src="/cache/referats/21032/image022.jpg" v:shapes="_x0000_i1035">

Рисунок 1.7 – Приемник ЧМ – сигналов оптического диапазона

В результате все флуктуа­ции исходного источника света иналоженные на сложный луч во время движения его к приемнику оказываютсяскомпенсирован­ными.

Качествоприема может быть значительно улучшено благодаря предварительному усилению светапри помощи оптических кван­товых усилителей (ОКУ). Из всех типов ОКУ наиболееперспек­тивными считаются ОКУ бегущей волны, обладающие высоким коэффициентомусиления и широкой полосой. Однако в настоящее время ОКУ работают еще не навсех освоенных частотах оптичес­кого диапазона.

Один изнедостатков ОКУ бегущей волны — нестабильность коэффициента усиления. В обычныхОКУ прямая и обратная бегу­щие волны имеют одинаковые частоты и присоответствующей дли­не активного вещества усилителя обе волны могут оказаться вфа­зе, что приведет к возникновению колебаний внутри усилителя. Для устраненияэтого нежелательного эффекта предложена новая кон­струкция ОКУ бегущей волны.Принцип работы нового ОКУ заключается в том, что в активном веществе усилителявозбужда­ются акустические бегущие волны, которые представляют собой дляэлектромагнитной волны большое число перемещающихся неоднородностей. Врезультате прямая и обратная волны несколько отличаются по частоте, а ОКУстабилизируется по коэффициенту усиления.

На оптическихчастотах применяются также устройства для параметрического усиления световыхволн с помощью нелинейного кристалла, размещенного в резонаторе. С цельюполучения эффек­та усиления требуется соблюдение параллельности лучей сигнала инакачки, так как сигнал и накачка взаимодействуют во всем объ­еме нелинейногоматериала. Это условие не всегда выполнимо. Кроме того, возникает проблемавыделения усиленного сигнала из луча. Предложена структура для усилениясветовой волны, в ко­торой волны сигнала и накачки падают на нелинейныйкристалл под различными углами и взаимодействуют лишь в ограниченном объеме.Блок-схема усилителя изображена на рисунке 1.8.

<img src="/cache/referats/21032/image024.jpg" v:shapes="_x0000_i1036">

Рисунок 1.8 – Параметрическийусилитель оптического диапазона

Параметрический усилитель состоит из источника сигнала (ла­зера) 1, резонаторов 2 и 3, настроенныхна частоту входного сиг­нала, диэлектрических рефлекторов 4 частичнопропускающих свет для ввода и вывода сигнала и концентрации его в объеме, гдепроявляется эффект усиления, устройства для оптической накач­ж 5 и выходногокаскада 6.

Для увеличения напряжения на выходе на фотоприемнике кон­центрируютсветовой поток возможно большей площади. Для этого целесообразно использоватьдлиннофокусные 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 поверхностьприобретает форму поверхности синусоидального цилиндра. При использовании всистеме оптической связи совокупности таких пластин, ориенти­рованных друготносительно друга под углом Брюстера, потери на отражение практическиисключаются и поглощение света из-за малой толщины пластин будет крайненезначительным. С техноло­гической точки зрения изготовление таких пластин непредстав­ляет серьезных трудностей.

1.3.1 Детекторы оптического диапазона

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

Тепловые детекторы в системах связи использовать нельзя, поскольку ониреагируют на суммарную падающую мощность и не могут выделить информацию измодулированного потока излучения.

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

Большой интерес представляют фотодетекторы ЛБВ, в кото­рых фотоэлементсовмещен с усилителем бегущей волны. Эти при­боры имеют широкую полосу ипредставляют собой весьма пер­спективные демодуляторы оптических сигналов.Чувствительность их значительно выше, чем у других высокочастотных фотоэмис­сионныхприемников. Поэтому большинство работ по фотоэмис­сионным приемникам посвященоименно фото – ЛБВ. Например, предлагается использовать фото – ЛБВ длякогерентного приема оп­тических сигналов. Схема приемного устройства показанана рисунке 1.9.

<img src="/cache/referats/21032/image026.jpg" v:shapes="_x0000_i1037">

Рисунок 1.9 – Приемник оптического диапазона с ЛЬВ

Устройство содержит источник входного сигнала 1, фильт­ры 2,