Реферат: С. А. Останин Демодуляция оптического сигнала в усилителе лазерного излучения

УДК 621.373.826.038.823

С.А. Останин

Демодуляция оптического сигнала в усилителе лазерного излучения


Для приема и измерения слабых оптических сигналов используют, кроме прочего, усилитель лазерного излучения. Часто полезная информация содержится в переменной составляющей интенсивности принимаемого излучения. В том случае, когда ширина полосы модуляции интенсивности лазерного излучения превышает ширину полосы фотоэлектрического преобразователя (фотодетектора), для детектирования полезного сигнала применяют метод демодуляции, заключающийся в преобразовании спектра исходного сигнала (например, перенос спектра). Одним из популярных методов такого преобразования является смешивание сигнального и опорного лазерного излучения на квадратичном детекторе или в резонаторе лазера. При этом конструкция должна содержать источник опорного лазерного излучения, от качества которого зависит отношение сигнал/шум оптического сигнала.

В данной работе предложен метод демодуляции оптического сигнала, интенсивность которого модулирована по частоте, в усилителе лазерного излучения без использования источника опорного лазерного излучения. Технология демодуляции может быть основана на управлении нерезонансными потерями в усилителе.

Рассмотрим уравнения переноса [1], полученные из кинетических уравнений для лазерного усилителя, для случая высокого насыщения и большом линейном усилении:

J2/J0 = (a/b)(1 – exp(–bl)) + (J1/J0 )exp(–bl), (1)

где J1 –интенсивность входящего в усилитель лазерного излучения; J2 – интенсивность усиленного лазерного излучения; J0 – интенсивность насыщения; a – линейный коэффициент усиления; b – коэффициент нерезонансных потерь; l – длина активной среды усилителя.

Условие высокой степени насыщения опишем как J2/J0 >>1, J1/J0 >>1, а большого линейного усиления как a/b>>1. Если входящее в усилитель лазерное излучение модулировано по частоте (J1= f (φ01 ,φ1(t)), где φ01 – быстро меняющаяся часть фазы интенсивности; φ1(t) – медленно меняющаяся часть фазы (несущая полезную информацию), то величинаинтенсивности усиленного лазерного излучения J2 также будет функцией быстро меняющейся части фазы интенсивности φ01 имедленно меняющейся части фазы интенсивности φ1(t). Второе слагаемое выражения (1) содержит произведение физических величин, определяющих свойства оптического поля и свойства усиливающей среды. Следовательно, процесс демодуляции можно реализовать путем модуляции параметра усиливающей системы. Проще всего реализовать модуляцию коэффициента нерезонансных потерь b . Так как первое слагаемое в (1) не содержит параметров внешнего поля, можно считать что (J1/J0 )exp(–bl) – величина аддитивная. Это позволит нам при рассмотрении процесса демодуляции не анализировать влияние первого слагаемого на функцию J2.

Рассмотрим простейший случай модуляции коэффициента нерезонансных потерь b:

b(t) = b0(1 – γcos(φb01 + φb1)), (2)

где b0 –амплитудное значение не резонансных потерь; γ = Δb/b0; Δb – величина приращения потерь, определяющая глубину модуляции; φb01 – быстро меняющаяся часть фазы интенсивности;φb1 – начальное значение фазы. Выберем частоту амплитудной модуляции ωb не резонансных потерь таким образом, чтобы величина Δφ = φ01 – φb01 = (ω01 – ωb01)t = Δωt соответствовала ширине полосы фотодетектора Δωд (т.е Δωд < Δω).

Представим J1=f(φ01 ,φ1(t)) в виде частотно-модулированной функции

J1= J01 (cos(φ01 +φ1(t))) (3)

и рассмотрим второе слагаемое уравнения (1) после подстановки в него b(t) и J1, заданных в явном виде:

[J01 (cos(φ01 +φ1(t)))/J0][exp(–b0l (1 – γcos(φb01 + φb1)))]. (4)

Полный набор частот модулированного колебания (4) может быть получен с использованием тригонометрических формул и функции Бесселя. Для выяснения возможности демодуляции, т.е. выделения медленно меняющихся слагаемых сигнала, сделаем оценку слагаемого (4), основанную на разложении экспоненты в ряд, оставив два его первых члена (что допустимо ввиду малости величины потерь b)

[J01 (cos(φ01 + φ1(t)))/J0][exp(–b0l (1 – γcos(φb01 +φb1)))] ≈ [J01 (cos(φ01 +φ1(t)))/J0]

[1 – b0l (1 – γcos(φb01 +φb1)) + 0,5b20l2 (1 – γcos(φb01 +φb1))2]. (5)

После несложных преобразований тригонометрических функций можно получить, что (5) содержит слагаемое с множителем, зависящим от времени как cos(Δφ – φ1(t)), где Δφ = φ01 – φb01 = (ω01 – ωb01)t =Δωt; φ1(t) – медленно меняющаяся часть фазы, несущая полезную информацию. Поскольку Δωд <Δω, то возможно осуществление демодуляции частотно-зависимой составляющей сигнала. Если величина ω01 известна, можно установить частоту модуляции потерь ωb01 = ω01 с целью снижения ширины полосы демодулируемого сигнала до ширины полосы функции φ1(t). Технически реализовать модулятор потерь можно с использованием пьезокерамического или электрооптического преобразователя.

В случае модуляции длины активной среды усилителя l можно добиться аналогичных результатов. Однако техническая реализация модулятора длины не так проста. Длину твердотельного активного элемента усилителя можно изменять пьезокерамическим преобразователем в крайне небольших пределах. Другой вариант модуляции – оптико-механический: с помощью зеркала, управляемого пьезокерамическим преобразователем, усиливаемое излучение перемещается в пределах усиливающей среды так, что углу поворота зеркала α соответствует длина пути излучения в активной среде l, в соответствии с некоторой известной функцией α(l).


Библиографический список


1. Карлов, Н.В. Лекции по квантовой электронике / Н.В. Карлов. – М., 1983.