ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 15.10.2024
Просмотров: 178
Скачиваний: 0
320 |
Монт Росс |
На фиг. 1 приведено семейство линий, изображающих зависимость дифракционной расходимости оптического из лучения от длины волны для разных апертур передатчика. Более высокое усиление антенны в оптическом диапазоне не приводит, однако, непосредственно к соответствующему улучшению системы в целом. Причина этого лежит в раз личии характеров шума на оптических частотах и в радио диапазоне. Это различие, как показано ниже, приводит также к различию в способах формирования оптического и радиочастотного сигналов.
Д лина волны , м км |
|
Ф и г . 1. Зависимость угловой ширины пучка, |
обусловленной |
дифракционной расходимостью, от длины волны |
(D — диаметр |
ограничивающей апертуры). |
|
Второе преимущество лазерной связи — широкополосность — в настоящее время реализуется двумя путями: использованием коротких (субнаносекундных) импульсов и аналоговой непрерывной модуляцией излучения. Полоса частот при импульсной модуляции настолько широка, что в ней уложился бы весь спектр СВЧ; при этом не возникает никаких проблем, связанных с взаимными помехами, поскольку в оптическом диапазоне принципиально дости жимы и намного более широкие полосы. Даже многоканаль ные высокоинформативные лазерные системы связи, кото
Лазерная связь |
321 |
рые сегодня можно себе лишь представить, заняли бы не значительную часть всего оптического спектра.
В настоящее время в наиболее широкополосной из рас сматриваемых оптических линий применяются импульсы длительностью 30 пс; для передачи таких импульсов тре буется полоса примерно в 30 ГГц. Но при несущей частоте лазерных сигналов 3-1014 Гц это составляет всего лишь ІО'4 от оптической несущей, т. е. тысяча подобных каналов, пропускаемых по одному лазерному лучу (тракту), заняли бы полосу, составляющую 10% от несущей. И тем не менее полоса 30 ГГц, используемая в настоящее время в экспе риментах, уже превосходит суммарную полосу радиочастот ного и СВЧ-диапазонов.
Говоря о возможной чрезвычайно высокой информативной емкости лазерных средств связи, помимо вышесказанного, нельзя не отметить, что благодаря направленности излу чения при создании сверхинформативных многоканальных лазерных линий вполне допустимо перекрытие спектров для разных каналов без опасности возникновения при этом взаимных помех.
3. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ЛАЗЕРНЫХ ЛИНИЙ
Существуют два основных типа лазерных систем свя зи, различаемые по методу детектирования оптических си гналов (блок-схемы на фиг. 2, а и 2, б). В системах первого типа прием излучения, несущего информацию, осущест вляется методом оптического гетеродинирования (фото смешения). Эти системы являются прямым аналогом широко распространенных радиочастотных гетеродинных систем. Хотя их компоненты работают на иных физических эффек тах, сам принцип действия и используемые технические приемы аналогичны используемым в радиотехнике и тех нике СВЧ.
Для формирования лазерных сигналов применяется модуляция нескольких видов: фазовая, поляризационная, амплитудная (по интенсивности), частотная и импульсно кодовая. Первые три вида модуляции осуществляются с помощью электрооптических двулучепреломляющих мате риалов путем создания в них управляемого фазового сдвига
И —901
322 |
Монт Росс |
между ортогональными составляющими поля при круговой поляризации света.
В системах гетеродинного типа принимаемые лазерные сигналы смешиваются с излучением местного генератора (гетеродина). Возникающие при этом биения между несу щей частотой сигнала и частотой гетеродина приводят к колебаниям интенсивности суммарного светового потока с разностной (промежуточной) частотой. Фотодетектор
|
|
* |
|
I |
|
|
|
j |
|
і |
„ |
- |
3 |
I |
I * |
||||
- |
! |
|
I |
|
|
I |
|||
|
|
|
|
I |
|
|
|
|
I |
|
|
|
|
I |
|
|
|
5 |
I |
|
|
|
I |
A
а
|
1 |
Б |
|
|
4 |
|
|
|
6 |
|
А |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ф и г . |
2. |
Блок-схемы приемников лазерных |
систем |
связи. |
|
|
а — приемник с фотосмещением (оптический супергетеродин); |
б |
— приемник с пря- |
||||
|
|
мым фотодетектированием. |
|
как |
правило, |
не |
/ — оптический сигнал; 2 — квантовый усилитель (на практике, |
||||||
применяется); |
3 |
— гетеродинирование (фотосмешение); |
4 — радиочастотная |
и |
||
СВЧ-аппаратура, |
следующая за собственно фотоприемником, обозначенным линией А ; |
|||||
5 — лазерный местный гетеродин; 6 — прямое фотодетектирование. |
|
|||||
преобразует эти колебания в соответствующие электричес кие сигналы промежуточной частоты, которые после про хождения через УПЧ поступают на второй (теперь уже обыч ный радиотехнический) детектор. Из сигнала с этого детек тора извлекают полезную информацию.
В приемных устройствах систем второго типа с помощью фотодетекторов осуществляется прямое детектирование при
Лазерная связь |
323 |
нимаемых лазерных сигналов. Такие устройства подобны некогда популярным радиоприемникам с кристаллическим детектором. В этих системах лазерный передатчик излучает поток электромагнитной энергии, модулированный по ин тенсивности. Принимаемая энергия собирается и фокуси* руется на каком-либо фотодетекторе (чаще всего на фотоэлек тронном умножителе); такой приемник реагирует только на изменения интенсивности несущей. Благодаря практически бесшумовому внутреннему усилению фототока получаемый на выходе фотоумножителя электрический сигнал намного превосходит тепловой шум нагрузки и входной цепи после дующего радиотехнического тракта. В этом случае порог чувствительности определяется квантовым шумом сигна ла и фоновым шумом.
Для анализа ограничений, присущих прямому фотоде тектированию и гетеродинированию, рассмотрим основные процессы, происходящие в лазерных приемниках. Прц обоих способах приема возможно применение оптического (так называемого квантового) усилителя, устанавливаемого перед фотосмесителем или фотодетектором. На фиг. 2, а и б проиллюстрированы обе эти возможности. Заметим, что до появления лазера было возможно только прямое фотодетектирование оптических сигналов. За входной частью лазерного приемника, оканчивающейся фотодетек тором, могут следовать разнообразные радиотехнические приемные средства (те же, что и в радиоприемниках); обычно их выбор бывает обусловлен специфическими тре бованиями, вытекающими из особенностей системы. На пример, если передача ведется на СВЧ-поднесущей, то после фотодетектора нужен СВЧ-смеситель и усилитель промежуточной частоты. Эти средства в одинаковой мере применимы как при фотосмешении, так и при прямом фото детектировании.
Следует подчеркнуть, что если в отношении входных узлов лазерных приемников можно говорить лишь об их сходстве с соответствующими узлами радиоприемников, то последующие радиотехнические средства и в лазерных, и в радиоприемниках оказываются одними и теми же. Поэтому Дальнейшее обсуждение будет в основном касаться только входной части приемников. Однако нельзя забывать, что, несмотря на принципиальное и конструктивное сходство
11*
324 Монт Росс
оптических и радиотехнических приемных устройств, относительная значимость в них усилителей, детекторов и гетеродинных преобразователей изменилась с привнесе нием квантовых эффектов при переходе из радиодиапазона в оптический. Вследствие этого закономерности и выводы, важные для радиотехники, не обязательно должны быть важными для оптических средств связи.
Целесообразно сначала рассмотреть прямое фотодетек тирование, поскольку до недавних пор это был единственно возможный способ приема. Данный способ заключается в детектировании падающей энергии в пределах спектраль ного диапазона чувствительности детектора. При этом ре зультирующий выходной сигнал отображает обусловлен ные модуляцией изменения мощности принимаемого излу чения. При прямом фотодетектировании вся информация об оптической частоте и фазе утрачивается. Детектор не реагирует на частотную или фазовую модуляцию оптичес кой несущей; он воспроизводит только амплитудные изме нения падающей мощности и то лишь при условии, что период этих изменений превышает его постоянную вре мени.
При прямом фотодетектировании в приемнике не раз личаются сигнальные и фоновые фотоны в пределах отно сительно широкого спектрального диапазона чувствитель ности приемника. Не возникает также никаких специальных требований к углу падения принимаемого излучения — лишь бы это излучение попадало на фоточувствительную площадку. Из сказанного следует, что для обеспечения спектральной избирательности «фотодетекторного» прием ника необходимо применять узкополосные светофильтры; а если требуется осуществить пространственную селекцию падающего излучения, то необходимо уменьшать поле зре ния приемной оптической системы.
Узость.спектральной линии лазерного излучения обес печивает возможность когерентного сложения оптических
сигналов |
от двух источников, |
один |
из |
которых можно |
считать |
передатчиком, а другой |
местным гетеродином, |
||
т. е. появилась возможность |
построить |
оптический ге |
||
теродинный или гомодинный приемник. (Прием назы вается гомодинным, если местный гетеродин работает на той же оптической частоте, что и передатчик.) На фиг. 3
Лазерная связь |
325 |
приведена блок-схема оптического гетеродинного приемника. Явление фотосмешения наблюдалось экспериментально еще до создания лазеров1); однако отсутствие в то время дос таточно узкополосных спектральных источников, обла дающих требуемой мощностью, чрезвычайно затрудняло и усложняло проведение таких экспериментов.
Ф и г . 3. Блок-схема оптического гетеродинного приемника.
J — принимаемый сигнал; 2 — фильтр; 3 — гетеродинный смеситель (перенос часто ты); 4 — усилитель промежуточной частоты; 5 — второй детектор; 6 — полосовой усилитель (радиочастотный или видеоусилитель); 7 — выход информации; 8 — мест
ный гетеродин.
Фотосмешение как метод приема обладает значительными потенциальными преимуществами по сравнению с прямым фотодетектированием, но его реализация сопряжена с рядом дополнительных осложнений. В силу известного дуа лизма природы излучения свет в зависимости от рассмат риваемого явления можно представить и волнами, и час тицами; сущность фотосмешения легче понять, если ис ходить из волновой концепции. Фотосмешение, как и процесс гетеродинирования на радиочастотах, является формой когерентного детектирования, в то время как прямое фотодетектирование может рассматриваться как некогерент ное детектирование.
При некогерентном детектировании детектор работает как выпрямительный элемент. Его выходной сигнал можно представить в виде бесконечного ряда
е0 = ае\ + Ье\ + се\ + • • • . |
(2) |
') Впервые гетеродинирование света было исследовано совет
скими учеными Гореликом Г. С. и Бернштейном И. Л .— Прим,
ред.
326 Монт Росс
Обычно членами высших порядков можно пренебречь и получить хорошее приближение, положив е0= ае^, т. е. допустив, что выпрямитель является квадратичным детек тором. Большинство фотодетекторов — идеальные квадра тичные приборы, для которых члены высшего порядка в разложении (2) отсутствуют.
Было показано [45], что требования к пространственной ориентации волновых фронтов при фотосмешении являют-
Ф и г. 4. Совмещение фронтов принимаемого сигнала и сигнала гетеродина при фотосмешении.
ся гораздо более жесткими, чем при смешении в СВЧ-диа- пазоне. Основная причина этого заключается в том, что длина световой волны намного меньше размеров фоточув ствительной области, на которой осуществляется фотосме шение. Сигнал от местного гетеродина (фиг. 4) и принимае мый сигнал должны быть когерентны на всей чувствитель ной площадке фотоприемника. Если они не когерентны, то токи, обусловленные биениями, не будут синфазными
на |
разных |
участках фоточувствительной поверхности, |
||
й |
в результате уровень сигнала понизится. Посколь |
|||
ку |
длина |
волны равна ~10~4 |
см, |
а размер чувстви |
тельной площадки составляет ~1 |
см, |
то оказывается, что |
||
угол между фронтами гетеродинного и сигнального лучей должен быть не более IO“4 рад, в противном случае значи
Лазерная связь |
327 |
тельно ослабляется составляющая фототока, содержащая
разностную частоту.
Отмеченные выше жесткие требования к пространствен ной ориентации волновых фронтов, характерные для фото смешения, приводят к серьезным практическим проблемам при построении приемной системы, которые существенно отличаются от проблем, связанных с использованием фото смешения в качестве экспериментального лабораторного метода. В частности, например, искажения фазового фрон та, возникающие при прохождении лазерного излучения (в особенности видимого) через приземные слои атмосферы, вызывают наибольшие трудности для осуществления гете
родинного приема.
Очевидно, что при решении вопроса о том, какой из двух способов приема более эффективен для практических применений, необходимо в каждом конкретном случае принимать во внимание множество факторов. Тем не ме нее представляется полезным провести некое обобщенное сопоставление этих способов, сознавая при этом, что любое конкретное суждение должно зависеть от того, в какой мере данное сопоставление применимо к практическим за
дачам. |
Выводы из такого сопоставления представлены |
в табл. |
1. |
Основное различие рассматриваемых способов приема состоит прежде всего в том, что для фотосмешения требует ся гетеродинный лазер. В некоторых системах локацион ного типа, у которых передатчик и приемник находятся
водном месте, можно использовать один и тот же генератор
ив качестве передатчика и в качестве гетеродина. Но в системах связи, очевидно, для гетеродинного приемного устройства требуется свой лазер, в то время как при прямом детектировании такой необходимости нет. Лазер, исполь зуемый в качестве гетеродина, как уже отмечалось выше, должен быть высокостабильным, узкополосным источ ником, для того чтобы исключить возникновение допол нительных шумов и нежелательных интерференционных
явлений.
Другое требование, существенное для фотосмешения, но не имеющее значения для прямого фотодетектирования, заключается, как уже говорилось, в том, что излучение гетеродина при попадании на поверхность фотоприемника