Файл: Применения лазеров..pdf

Таблица 1

Сопоставление методов фотосмешения и прямого фотодетектирования

Фотосмешение Фотодетектиров ание

должно быть пространственно сфазировано с излучением сигнала. Это требование в свою очередь ограничивает до­ пустимые размеры приемной апертуры, т. е. размеры вход­ ной линзы или параболического зеркала. Размеры линзы или зеркала лимитируются также и техническими возмож­

ностями создания больших оптических элементов, у кото­ рых фазовая дисторсия еще не заметна. Когда разность оп­ тических путей от разных точек собирающей поверхности до чувствительной площадки фотодетектора становится сравнимой с длиной световой волны, пространственная ко­ герентность сигнала с гетеродинным потоком утрачивается, а это приводит к резкому снижению эффективности фото­ смешения. Следовательно, в системах, допускающих при­ менение больших приемных объективов, фотодетектиро­ вание обеспечивает сбор большего количества эффективных сигнальных фотонов, чем фотосмешение.

Возможный значительный допплеровский сдвиг опти­ ческих частот при установлении связи с подвижными объек­ тами может создать серьезные проблемы в системе с фото­ смешением из-за больших изменений разностной частоты. При изменении радиальной составляющей скорости соот­ ветственно изменяется допплеровский сдвиг частоты, а следовательно, и разностная частота. Вследствие этого в некоторых случаях полоса усилителя промежуточных частот должна быть либо чрезвычайно широкой, либо пе­ рестраиваемой в широком диапазоне, либо же должен быть перестраиваемым в требуемом диапазоне сам гетеро­ динный лазер. Обычно подстройка лазерного гетеродина бывает сопряжена со многими осложнениями и труднос­ тями.

Отношение сигнал/шум в случае непрерывной моду­ ляции при оптическом гетеродинировании в два раза боль­ ше, чем при прямом фотодетектировании в режиме наивыс­ шей чувствительности (при так называемом фотонном огра­ ничении) [39].

Свойства системы с прямым фотодетектированием могут быть существенно улучшены при работе с короткими лазер­ ными импульсами. Этот вопрос изучался теоретически и экспериментально; ниже мы рассмотрим некоторые из полученных результатов, относящиеся к сопоставлению возможных форм кодирования информации и определению частоты следования ошибок. Обсуждение цифрового коди­ рования удобнее и корректнее вести с использованием понятия частоты следования ошибок, а не отношения сигнал/шум.

4.ОСНОВНЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О СИГНАЛЕ

ИШУМЕ

На оптических частотах квантовой шум становится более заметным, чем в СВЧ-диапазоне [40]. На фиг. 5 приведена зависимость теплового и квантового шумов от частоты. Тепловой шум резко уменьшается с ростом часто­ ты излучения, в то время как квантовый шум линейно воз­ растает.

Квантовый шум обусловлен корпускулярной приро­ дой излучения. Поскольку каждый квант электромагнит­ ного излучения имеет энергию hf, где h — постоянная Планка, а /•— частота, то чем выше частота, тем выше энергия кванта. Поток квантов подвержен статистическим флуктуациям, обусловленным принципом неопределен­ ности. В СВЧ-диапазоне энергия отдельного кванта мала по сравнению с тепловой энергией kT, поэтому, чтобы ре­ зультирующий выходной сигнал превысил тепловой шум, на входе системы необходимо принять тысячи квантов.

числа принятых квантов пропорциональна корню квадратному из этого числа, то нетрудно прийти к заклю­ чению, что фотонный или квантовый шум на радиочастотах незаметен (т. е. если для превышения сигналом уровня теплового шума требуется принять 10 000 квантов, то флуктуация этого числа (10 000)'/*2= 100 оказывается от­ носительно небольшой).

В оптическом же диапазоне преобладают квантовые эффекты. Например, 100 фотонов уже могут быть зареги­ стрированы как сигнал; но при этом статистическая средне­ квадратичная флуктуация (100)1/2 будет значительной, и ее придется рассматривать как шум, поскольку она ото­ бражает случайную неопределенность числа принятых фотонов в сигнале. Многими авторами показано, что на оптических частотах квантовый шум hf аналогичен тепло­ вому шуму kT по характеру влияния на чувствитель­ ность1). Поэтому в приведенных ниже выражениях для отношения сигнал/шум входит сомножитель hf вместо kT.

При гетеродинном приеме непрерывно модулированного излучения отношение сигнал/шум определяется формулой

где п — среднее число фотоэлектронов в 1 с, а В — инфор­

мационная ширина полосы (заметим2), что Ps = nhf). При прямом фотодетектировании непрерывно модулированного излучения в условиях наивысшей чувствительности, лими­ тируемой только фотонным шумом сигнала, имеем

2) Предполагается, что квантовый выход при фотодетектиро­ вании равен 1.— Прим, перед.

не что иное, как мощность дробового шума, обусловленного квантовыми флуктуациями. Для систем с прямым фотоде­ тектированием отношение сигнал/шум можно записать в виде [45]

Если в добавление к квантовому шуму принять во вни­ мание все остальные основные источники шума в приемни­ ке, то получим отношение мощности выходного сигнала к суммарной мощности теплового шума нагрузки и дробового шума сигнала, фона и темнового тока:

Особое внимание следует обратить на мощность тепло­ вого шума на выходе фотодетектора. Снижение величины нагрузки будет уменьшать мощность выходного сигнала, но не будет влиять на мощность теплового шума, которая не зависит от величины R.

Анализ соотношения (6) обнаруживает преимущество фотодетекторов с внутренним усилением сигнала, которое особенно заметно, если тепловой шум в отсутствие усиления превосходит суммарный дробовой шум1).

Дробовой шум в фотодетекторе не подавляется внутрен­ ним усилением, поскольку он усиливается в той же мере, что и сигнал. Однако тепловой шум нагрузки фотодетекто­ ром не усиливается. Именно в этом и состоит основное до­ стоинство внутреннего усиления фотоэлектрических сиг­ налов в таких фотодетекторах, как фотоэлектронные умно­ жители и лавинные фотодиоды.

Во многих случаях при приеме слабых лазерных сигна­ лов тепловой шум будет значительно превосхоить по мощ-

') Для рассмотрения роли внутреннего усиления сигнала в фотодетекторе (например, вторично-электронного умножения) в повышении отношения с/ш в выражение (6) необходимо ввести коэффициент умножения М\

ности выходной сигнал, если не применять фотодетекторы с внутренним усилением или не устанавливать перед }ютодетектором квантовый усилитель.

5. МОДУЛЯЦИЯ

Для передачи информации необходимо модулировать несущую. При этом нужно определить оптимальный вид модуляции, а затем найти метод, который позволил бы его осуществить. На практике приходится искать компромисс между этими двумя требованиями, поскольку современное состояние технических средств лазерной связи не всегда обеспечивает возможность применения наиболее эффектив­ ного для той или иной задачи вида модуляции.

Для определения достоинств и недостатков каждого из возможных видов модуляции рассмотрим статистические характеристики оптического сигнала и шума. При анализе методов модуляции, применяемых в радиотехнике, с пол­ ным основанием предполагалось, что тепловой шум являет­ ся преобладающим компонентом шумов в системе. На опти­ ческих же частотах преобладает квантовый шум. Поэтому выводы относительно эффективности того или иного вида модуляции в системах связи, справедливые для радиочас­ тот, не обязательно должны быть верными в оптическом диапазоне.

Действительно, учет квантовых явлений при анализе методов оптического детектирования приводит к выбору в качестве наиболее эффективных таких видов модуляции для лазерных систем, которые вряд ли имели бы преимуще­ ства в радиодиапазоне. В частности, например, особенно перспективными представляются высокоинформативные ла­ зерные системы связи, в которых для передачи сигналов используются короткие импульсы излучения с большой пиковой мощностью и низкой скважностью [7, 24, 46].

Статистические характеристики лазерного излучения являются предметом непрерывных исследований. Лазер как излучатель представляет собой не черное тело, а высо­ кокогерентный источник; тем не менее обычно предполагает­ ся, что к процессу фотбдетектирования лазерного излу­ чения применима статистика Пуассона, если приемник удален от лазера на достаточное большое расстояние, а

334 Монт Росс

лазер работает при существенном превышении порога ге­ нерации.

Обычно также предполагается, что энергия сигнала и энергия фона исходят от двух независимых источников и что число фотонов, принимаемых от каждого из этих источ­ ников, подчиняется распределению Пуассона. Однако бы­ ло показано [28—30], что при определенном соотношении между когерентным сигналом и некогерентным фоном в суммарном потоке возможны отклонения от закона Пуассона. Но эти отклонения не влияют на основные параметры лазер­ ных линий связи, работающих на коротких импульсах, при низких частотах появления ошибок. Измерение частоты ошибок подтвердило, что статистика Пуассона с удовлетво­ рительной точностью применима к детектированию лазер­

тирования, зависит от двух факторов: от достижения доста­ точной чувствительности приемника, обеспечивающей вы­ сокую вероятность регистрации сигнала, и от снижения уровня фонового шума в приемнике с целью свести до ми­ нимума вероятность ложной регистрации сигнала. При этом снижение уровня фонового шума должно осущест­ вляться таким образом, чтобы оно не привело к увеличе­ нию требуемой мощности лазерного сигнала, при которой обеспечивается заданная вероятность его регистрации.

Шумы в оптической системе связи подразделяются на две категории: внутренний шум, генерируемый самой системой, и шум, привносимый в систему извне фоновым излучением. Основными оптическими источниками внутрен­ него шума являются: статистические флуктуации сигнала, конечная величина коэффициента затемнения в оптическом модуляторе и шум приемника (при оптическом гетеродини­ ровании).

Рассмотрим обычно применяемые способы подавле­ ния шумов: спектральный, пространственный и временной. Уровень фонового шума может быть существенно снижен

кой особенностью систем с короткоимпульсной модуляцией; он применим в любых оптических системах связи. Ана-