Файл: Применения лазеров..pdf

388 Монт Росс

зуется видеополоса. Применение внешних модуляторов и большая требуемая мощность излучения делают стоимость систем с Не—Ne-лазерами намного больше стоимости систем на полупроводниковых лазерах.

В полупроводниковых лазерных диодах легко осуще­ ствляется внутренняя модуляция импульсами длитель­ ностью 50 нс; это позволяет передавать информацию в такой же видеополосе, что и при работе с непрерывно излучающи­ ми лазерами. Передачу информации в очень широкой видеополосе можно также осуществить с помощью свето­ диодов, дающих некогерентное излучение; однако направ­ ленность излучения таких диодов хуже, что соответственно снижает дальность действия передатчика. Время включения светодиода сейчас сведено до 1 нс, но ширина пучка состав­ ляет десятки градусов. С помощью оптических приборов расходимость излучения светодиодов можно уменьшить до нескольких градусов, однако при этом уменьшается и мощ­ ность излучения.

Лазерные диоды или некогерентные светодиоды, исполь­ зуемые либо в виде отдельных излучателей, либо в наборах, весьма перспективны для систем, дальность действия кото­ рых не превышает нескольких миль. Простота конструкции, малый вес и небольшое энергопотребление обеспечивают широкую применимость этим приборам в тех случаях, когда нет необходимости работать с очень узкими пучками при высокой пиковой мощности, а требования к скорости пере­ дачи не очень высоки.

Вобщем случае дальность действия коротких линий связи ограничивается пределами прямой видимости, одна­ ко недавно была экспериментально показана возможность передачи информации на дистанции в несколько миль с рассеянием лазерного излучения на частицах, образующих облака. Пока еще слишком рано говорить о границах при­ менимости этого способа установления связи за пределами прямой видимости, но, очевидно, что для его реализации потребуются очень мощные лазеры.

Втечение ряда лет исследовались световодные системы, размещаемые в закрытых трубах. Было изучено множество вариантов построения таких систем, но ни один из них не был признан вполне удовлетворительным. Недавно были получены обнадеживающие результаты при испытании

стекловолоконных световодов; такие световоды могут найти применение при построении коротких внутригородских линий связи.

Создание световодных линий дальней связи может быть оправдано экономически лишь в том случае, если они об­ ладают очень широкой полосой. Для этих систем потре­ буются когерентные лазеры, дающие излучение с малой расходимостью. Скорее всего в них будут использоваться лазеры с синхронизацией мод, так что в многоканальных системах будет одновременно проходить несколько им­ пульсных посылок [11]. Используя ИАГ—Ш 3-лазеры, дающие в режиме синхронизации мод импульсы длитель­ ностью 30 нс при частоте повторения 200 МГц, можно сфор­ мировать 100 каналов и обеспечить тем самым скорость передачи свыше 1010 бит/с.

Развитие космических лазерных систем связи в недав­ нем прошлом шло по двум основным направлениям: 1) ге­ теродинные системы, работающие на длине волны X = = 10,6 мкм, и 2) короткоимпульсные системы с прямым детектированием, работающие в видимом или ближнем ИК-диапазонах. С02-лазеры, дающие излучение с длиной волны 10,6 мкм, имеют высокий к. п. д., позволяют дос­ тичь дифракционного предела направленности пучка и обеспечивают достаточно высокую мощность. Гетеродинное детектирование требуется для того, чтобы достичь чув­ ствительности, обусловленной квантовым шумом сигнала; усиление за счет преобразования при гетеродинировании создает возможность для дискриминации фонового шума и позволяет преодолеть ограничения по чувствительности, обусловленные собственным шумом фотодетектора.

В системах с прямым детектированием можно осуще­ ствить спектральную, пространственную и временную дис­ криминацию фона. Значение временной дискриминации фона, которую можно осуществить при работе с короткими импульсами, было в полной мере осознано лишь в послед­ ние несколько лет. Кроме того, короткие импульсы дают некоторые преимущества при кодировании, позволяющие повысить эффективность связи.

Для того чтобы космические лазерные системы связи нашли практическое применение и были в состоянии кон­ курировать с соответствующими радиочастотными систе­

390 Монт Росс

мами, вес, энергопотребление и размеры бортовых лазерных передатчиков должны быть минимальными. Для достиже­ ния этих целей требуется совершенствовать технику ко­ дирования, разрабатывать эффективные способы модуля­ ции и создавать новые концепции построения систем.

С02-лазер должен быть исключительно стабилен по частоте, поскольку свойства гетеродинной системы зави­ сят от того, насколько точно поддерживаются заданные значения частоты гетеродина и несущей частоты сигнала. Для обеспечения большей дальности связи необходимо сформировать узкий слаборасходящийся пучок; для этого излучение лазера должно быть одномодовым с расхо­ димостью, обусловленной только дифракционными эф­ фектами. Полезные размеры приемной апертуры при гете­ родинном детектировании в наземных условиях ограни­ чиваются влиянием атмосферы. Ограничения на число со­ бираемых сигнальных фотонов, обусловленные фазовыми искажениями волны при прохождении ее через атмосферу, являются серьзным недостатком для систем дальней кос­ мической связи, ибо принимаемый сигнал будет, очевидно, очень слабым, а поэтому приемная апертура должна быть как можно больше.

Системы с прямым детектированием не подвержены влия­ нию фазовых искажений в атмосфере, поскольку в них фаза оптического сигнала не играет существенной роли. Благодаря этому размеры приемной апертуры в системах с прямым детектированием не ограничиваются размерами зоны когерентности, как это имеет место в гетеродинных системах. Входные оптические устройства с большой эф­ фективной площадью, применяемые в системах с прямым детектированием, в литературе получили название «кол­ лекторы». Это название подчеркивает, что речь идет по существу о «фотонной ловушке», осуществляющей адди­ тивный сбор сигнальных фотонов независимо от их фазы. Недостатки этих устройств сказываются при таких разме­ рах приемной апертуры, которые намного превышают раз­ меры апертуры, допустимые при когерентном приеме. Вход­

переходе от видимого излучения к десятимикронному до­

пустимые размеры • входной апертуры когерентного прием­ ника возрастают в 20 раз — соответственно отношению длин волн 121]. Апертуры приемников некогерентных сиг­ налов в настоящее время могут превышать 15 м.

12. КОСМИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ БЛИЖНЕГО ДЕЙСТВИЯ

К середине 70-х годов и позднее основной задачей спут­ ников Земли будет ретрансляция больших объемов инфор­ мации, главным образом передача изображений. Обычные радиотехнические средства связи могут оказаться менее пригодными, чем лазерные, для передачи потоков инфор­ мации со спутников. В течение 70—80-х годов будут созда­ ны спутники, у которых объем информации возрастет до нескольких телевизионных каналов, транслируемых в ре­ альном масштабе времени. При скоростях передачи выше ІО8 бит/с даже новейшие радиотехнические средства, такие, как устройства миллиметрового диапазона и твердотельные генераторы, не смогут конкурировать с лазерными систе­ мами по весу и энергопотреблению, характерным для бор­ товой космической аппаратуры.

Для осуществления связи через спутники с низкими орбитами и синхронные спутники пригодны лазерные сис­ темы гетеродинного типа и с прямым фотодектированием, работающие в видимом и ближнем ИК-диапазонах. Выбор системы связи зависит от конкретного назначения, тре­ буемой скорости передачи, а также от технологической и экспериментальной проработки.

Система связи на С02-лазере (10,6 мкм) должна была пройти проверку на синхронном спутнике ATS-F в 1973 г. [33]. Планируемый эксперимент состоял в том, что один спутник, получив видеосигнал с полосой 5 МГц от другого спутника по радиочастотному каналу, ретранслирует этот сигнал на Землю по лазерной линии. Предполагалось, что эта система связи на С02-лазере для спутника ATS-F будет иметь одномодовый непрерывный передатчик мощ­ ностью 400 мВт, а диаметр приемной и передающей апертур на обоих концах линии составит около 15 см. К сожалению, технические трудности не позволили пока провести этот эксперимент.

Хотя С02-лазер имеет высокий к. и. д. и дает высоко­ когерентное излучение, для его применения в линии связи необходимы фотосмешение и использование охлаждаемого фотодетектора; в противном случае нельзя обеспечить вы­ сокую чувствительность приема. Это создает потребность

врадиационных холодильниках, работающих в открытом космосе. Такие холодильники были бы вполне достаточны

вприемных устройствах на синхронных спутниках, однако их применение на спутниках с низкими орбитами связано

снекоторыми осложнениями. Серьезную проблему для гетеродинных систем создает также допплеровский сдвиг частот. Вычисления показывают, что для излучения с дли­ ной волны 10,6 мкм он может достигать 675 МГц. Потен­ циальные возможности линий связи, работающих на длине волны 10,6 мкм, были показаны экспериментально при

наземных испытаниях [19].

При переходе к информационным полосам порядка 50— 100 МГц возникает проблема создания модулятора, обла­ дающего необходимыми свойствами. Хотя в данной области и были достигнуты некоторые успехи, удовлетворительного решения задачи модуляции десятимикронного излучения с частотой 100 МГц пока еще не найдено. Как уже отме­ чалось в разд. 7, при размещении модуляционных элемен­ тов внутри резонатора в лучшем случае может быть полу­ чена удельная ширина полосы модуляции 2,0 МГц/Вт (при использовании теллурида кадмия). Частота внутрен­ ней модуляции, ограничиваемая шириной линии С02, не превышает 50 МГц. Для работы на более высоких частотах придется применять внешнюю модуляцию, которая требует более высокой мощности.

Для систем с прямым фотодетектированием, работаю­ щих в видимом и ближнем ИК-диапазонах, как уже отме­ чалось выше, весьма перспективны лазеры с синхрониза­ цией мод, генерирующие короткие импульсы при низком коэффициенте заполнения и высокой частоте повторения. Наиболее подходящей для передачи информации со ско­ ростями выше 108 бит/с оказалась импульсная лазерная система связи, названная бинарной системой с импульсным стробированием (БСИС). В этой системе лазерный пере­ датчик состоит из ИАГ—Ыс13-лазера в режиме синхрониза­ ции мод с удвоителем частоты; накачка в нем может осу­

ществляться либо излучением твердотельного источника света, либо прямо солнечным излучением. Работая в ре­ жиме синхронизации мод, лазер генерирует импульсы излу­ чения с длиной волны 1,06 мкм и длительностью 30 пс, частота следования которых равна 2 -ІО8— 109 имп/с. Точное значение частоты следования импульсов опреде­ ляется длиной лазерного резонатора.

Другой оптический элемент передатчика, называемый удвоителем частоты, преобразует большую часть энергии инфракрасного излучения лазера в излучение с вдвое мень­ шей длиной волны (0,53 мкм). Это преобразование частоты обусловлено стремлением перенести лазерную несущую в спектральную область наибольшей чувствительности фо­ тоэлектронных умножителей, обычно используемых в прием­ ных устройствах лазерных линий. Весьма вероятно, что по мере совершенствования фотодетекторов, чувствитель­ ных к излучению с длиной волны 1,06 мкм, необходимость такого преобразования отпадает. Наконец еще один электро­

зерных импульсов. При цифровом бинарном кодировании посылка импульса означает 1, а отсутствие импульса — 0.

В приемном устройстве сигнальные фотоны должны быть собраны и продетектированы, несмотря на помехи, создаваемые фоновой засветкой, которая поступает от облаков, неба и земли. Прямое детектирование позволяет вместо астрономической оптики с дифракционным разре­ шением, необходимым при когерентном приеме, использо­ вать облегченные оптические устройства сравнительно невысокого качества.

Как уже говорилось выше, теоретические выводы о ха­ рактеристиках импульсных лазерных систем связи были проверены экспериментально в лабораторных испытаниях оптической линии. Были изучены различные варианты применения таких систем в ближнем космосе. В частности, исследовалась возможность создания высокоинформатив­ ных лазерных линий связи «спутник с низкой орбитой — синхронный спутник», «синхронный спутник — синхрон­ ный спутник», «синхронный спутник — Земля», «спутник с низкой орбитой — Земля». При этом подробно проана­ лизированы ограничения и требования к таким линиям. Най­