Файл: Кононенко, В. К. Полупроводниковые лазеры и их применение в науке и технике.pdf

вая, а также частотно-импульсная, при которой изменя­ ется частота повторения импульсов. Для получения боль­ шого числа каналов связи требуется высокая частота повторения. По-видимому, ни твердотельные, ни газовые лазеры при внутренней модуляции не могут обеспечить таких частот повторения. В настоящее время наиболее удобны для этих целей инжекционные лазеры.

Возможность осуществления надежной оптической связи с помощью ПКГ подтверждается многочисленны­ ми лабораторными экспериментами и наблюдениями в полевых условиях по передаче речи и видеосигналов. В конце 1962 года сотрудники лаборатории Линкольна Массачусетского технологического института (США) впервые провели эксперимент по передаче информации при помощи GaAs лазера. Диод находился в фокальной плоскости дециметрового зеркального телескопа, кото­ рый концентрировал лазерное излучение в пучок с углом расходимости около 0,1°. Мощность излучения охлаж­ даемого диода составляла 5 мет. В качестве приемника использовался фотоэлектронный умножитель (ФЭУ), который помещался в фокусе обычного прожектора диаметром 1,5 м. Передача осуществлялась на расстоя­ ние 55 км между вершиной горы Вачусетт и лаборатори­ ей. Качество оптической телефонной связи при ослабле­ нии излучения атмосферой более чем в три раза было очень высокое.

Фирма «Дженерал электрик» (США) продемонстри­ ровала возможность четкой передачи телевизионного сигнала с шириной полосы до 12 Мгц, используя излуче­ ние неохлаждаемого лазерного диода на арсениде гал­ лия. При благоприятных метеорологических условиях дальность действия разработанной системы превышает

16 км.

Экспериментальная система телефонной связи была разработана американской фирмой «Ай-би-эм». Система работает с частотно-импульсной модуляцией и обеспечи­

28

вает один телефонный канал с полосой пропускания 4 кгц. Передатчик на GaAs лазере излучает импульсы мощностью 0,2 вт при средней частоте повторения 12 кгц. Оптический приемник состоит из небольшого телескопи­ ческого объектива диаметром 4 см с регулируемым по­ лем зрения и фотодетектора. Дальность действия систе­ мы без применения оптики для формирования луча со­ ставляет около 1,6 км. Если диаграмму направленности

най-7». Испытания показали, что основная трудность при осуществлении связи заключается в наводке лазерного передатчика на наземную станцию.

Дальность оптической связи сильно зависит от со­ стояния атмосферы, прозрачность которой очень низка при неблагоприятных метеорологических условиях (ту­ ман, дождь, снег, пыль, дым и т. п.). Многие ограничения дальности связи снимаются при переходе из атмосферы Земли в космическое пространство. Однако в космосе возникают дополнительные трудности, связанные с об­ наружением корреспондента, обеспечением строгой на­ правленности линии связи, устранением шумовых помех от космических объектов. Например, при увеличении по­ лосы пропускания фотоприемного устройства до 1 Мги

Как показали опыты, инжекционные лазеры пригодны

29

для связи малого радиуса действия при сильном рассея­ нии в атмосфере. Амплитудная модуляция лазерных. диодов с мощностью излучения 8 мет осуществлялась поднесущей частотой 28 Мгц, сама поднесущая поочеред­ но модулировалась по частоте и амплитуде видеосигна­ лом с частотой 980 гц. В условиях сильного атмосферно­ го мерцания, умеренного снега или тумана сигнал регистрировался на расстоянии около 3 км. При исполь­ зовании импульсного GaAs лазера с пиковой мощностью излучения 0,4 вт и шириной луча 1° световой сигнал про­ ходил то же расстояние через снег и туман, когда види­ мость составляла менее километра.

Интересный пример использования излучения GaAs* диода — экспериментальная линия связи, демонстриро­ вавшаяся фирмой «Ай-би-эм» на ЭКСПО-67 в Монреале. Оптическая линия связи длиной 2,9 км пропускала одно­ временно два телевизионных канала на поднесущих ча­ стотах 5 и 16 Мгц. При обычных условиях мощность ви­ деосигнала в каждом канале составляла 5 мквт, что обеспечивало нормальную работу системы в течение ше­ сти месяцев. Только очень сильный дождь или дождь с туманом прерывали эту линию связи.

С помощью системы на инжекционном лазере была осуществлена многоканальная передача сигналов с им­ пульсно-кодовой модуляцией. Мощность лазерного сиг­ нала достигала в импульсе 0,2 вт. Излучение арсенида галлия направлялось объективом диаметром 30 см и принималось с помощью телескопа и фотоумножителя^ на расстоянии 13 км.

Импульсно-фазовая модуляция использована при: разработке портативного переговорного устройства на GaAs лазере, работающем при комнатной температуре. Лазерное переговорное устройство обеспечивает устой­ чивую высококачественную связь между перемещаю­ щимися корреспондентами на расстоянии до 80 м. Уст­ ройства подобного типа могут найти широкое примене­

30

ние, например, в строительной индустрии или других областях, где использование радиосвязи затруднено по­ мехами. При необходимости дальность действия системы можно увеличить до 16 км путем уменьшения расходи­ мости лазерного луча от 17 до 0,05°.

Полупроводниковые лазеры обычно генерируют на нескольких типах колебаний резонатора, или, как гово­ рят, модах. Спектр излучения ПКТ чувствителен к изме­ нениям температуры. Один из путей устранения указан­ ных недостатков — использование интерференции волн в составных резонаторах Фабри — Перо. В интервале длин волн 0,6—1 мкм для осуществления связи подходят инжекционные лазеры на основе арсенида галлия, фос­ фида индия InP и ряда их твердых растворов. Составной резонатор получается путем оптического контакта одного из торцов лазерного диода с диэлектрической плоской пластинкой толщиной 50—100 мкм. В качестве материа­ ла для пластинки применяются специальное стекло, вольфрамат кальция, сульфид кадмия или карбид крем­

тырех оптических несущих была создана с применением

106бмт/сек.

ВФизическом институте им. П. Н. Лебедева АН СССР

разработан оптический телефон ТО-2, предназначенный для ведения переговоров между двумя абонентами в пре­ делах прямой видимости на расстоянии 5 км. Система

телефонной связи экспонировалась на ВДНХ СССР в 1970 году. Излучателем системы служит инжекционный

31

лазер на арсениде галлия, работающий при комнатной температуре, а приемником излучения является фото­ транзистор ФТГ-3. Система состоит из двух идентичных приемо-передающих камер с телефонными трубками, работающих от автономных источников питания.' По­ требляемая мощность не превышает 3,5 вт при напряже­ нии питания 9 в. Внешний вид камеры показан на рис. 9. Телефон работает в импульсном режиме с частотой по­ вторения 6 кгц при длительности излучаемых импульсов 0,2 мксек, мощность выходного импульса около 4 вт. Модуляция производится изменением частоты повторе­ ния импульсов, полоса воспроизводимых частот 25Q— 2500 гц. Для наведения камеры на абонента служит визирная трубка с пятикратным увеличением. Вес каж­ дой камеры не более 2 кг. Дальность связи может быть увеличена разделением оптических каналов приемного

ипередающего трактов в каждой камере.

Вкачестве еще одного примера использования ПКХ рассмотрим отечественную малогабаритную систему МОЛС-1, предназначенную для связи между двумя або­ нентами на расстоянии до 6 км в наземных условиях и состоящую из двух идентичных приемо-передающих уст­ ройств. Оптическая система прибора содержит три вет­

ви: передающую, приемную и визирную. Для формирова­ ния пучка излучения с регулируемым углом расходи­ мости от 0,2 до Г использован объектив диаметром 40 мм. Приемная ветвь содержит параболическое зерка­ ло диаметром 80 мм и интерференционный светофильтр ■с полосой пропускания 200 А для увеличения помехоза­ щищенности системы. Визир, который служит для об­ легчения поиска абонента, представляет собой прямую телескопическую систему с восьмикратным увеличением и полем зрения 6°. В приборе используется эпитаксиаль­ ный GaAs лазерный диод с импульсной мощностью из­ лучения 5 вт. Поддержание необходимого уровня мощ­ ности излучения лазера для устойчивой работы системы

.32

Рис. 9. Приемо-передающая камера оптического телефона ТО-2 (без те­ лефонной трубки)

в интервале температур от —45 до +45°С осуществляется путем регулирования тока на­ качки или применения термо­ электрического стабилизатора температуры. Для обеспечения одного телефонного канала в диапазоне 300—3400 гц частота повторения импульсов лазера выбирается около 10 кгц при длительности импульсов излу­

чения НО нсек. Вес приемо-передающего устройства МОЛС-1 со штативом и блоком питания равен 15 кг. Ре­ зультаты испытаний описанной системы показали ее вы­ сокую надежность. Инжекционные лазеры проработали более 100 час без заметного изменения входных и выход­ ных характеристик. Малогабаритные системы связи на основе полупроводниковых лазеров могут найти широ­ кое применение в различных областях народного хозяй­ ства, в частности для оперативной связи между промыш­ ленными объектами, в геологических партиях, в системе многоканальной телефонной городской сети.

Дальномеры и локаторы

Свойства инжекционных лазеров позволяют широко использовать их излучение в светолокационных устрой­ ствах малого радиуса действия. В оптической локации, так же как и в радиолокации, используется способность волн отражаться от объектов. Электромагнитная волна, отраженная целью, распространяется в окружающей

среде прямолинейно и с постоянной скоростью, что позволяет определить направление и дальность до цели.

Характеристики оптического локатора на ПКХ опре­ деляются выбранным методом дальнометрирования, па­ раметрами оптических элементов, мощностью излучения лазера, свойствами цели и окружающей среды. В назем­ ных условиях при работе в оптическом диапазоне возни­ кают известные трудности, связанные с атмосферой. Даже при работе в космическом пространстве способ­ ность локатора обнаруживать отражение от цели зависит от величины всегда присутствующего фонового излу­

дальномеров основано на двух принципах измерения — импульсном и фазовом. Сущность импульсного метода дальнометрирования состоит в измерении временного сдвига между зондирующими и отраженными импуль­ сами, по которому определяют дальность до цели. При фазовом методе дальнометрирования излучение модули­ руется по синусоидальному закону. В зависимости от расстояния изменяется фаза отраженного сигнала, по величине сдвига которой определяется дальность до объ­ екта. При одинаковой средней мощности излучения и

прочих равных условиях импульсные светодальномеры имеют большую дальность действия по сравнению с фа­ зовыми. Но по точности импульсные системы уступают фазовым с источниками непрерывного излучения.

В качестве материала для источников излучения в локаторах на ПКГ используется в основном арсенид галлия. В зарубежной литературе описан эксперимен­ тальный лазерный локатор на основе охлаждаемого диода с пиковой мощностью излучения 9 вт. Локатор состоит из передатчика, оптического визира, смонтиро­ ванного сбоку и предназначенного для наведения лока­ тора, и приемного телескопа с детектором. Излучение на­ правляется фотообъективом с фокусным расстоянием

34

90 мм и диаметром 45 мм. Объектив формирует пучок с угловой шириной ~0,8 мрад. В приемном телескопе использован объектив-ахромат с фокусным расстоянием 51 см и диаметром 14 см. Детектором служит высоко­ чувствительный фотоумножитель. Для уменьшения влия­ ния фонового излучения в приемное устройство вмонти­ рован интерференционный фильтр с полосой пропускания 76 А на длине волны 8440 А. Частота повторения импуль­ сов излучения длительностью 100 нсек составляет 330 гц. Обнаруженные видеоимпульсы подаются на осциллограф для визуального наблюдения и оценки. С помощью лока­ тора производились поиски естественных и искусственных объектов в ночное время. Отдельные деревья и дома на­ блюдались на расстоянии ~200 м, ангар из гофрирован­ ного алюминия был обнаружен на расстоянии 2,1 км.

Наиболее идеальная цель на оптических частотах — уголковый отражатель. Падающее на него излучение от­ ражается обратно при изменении ориентации отражате­ ля в широких пределах. При локации уголкового отра­ жателя диаметром 6 см отраженные сигналы обнару­ живались на расстоянии 3,6—9,6 км.

Улучшение временных характеристик и повышение мощности излучения инжекционных лазеров при ком­ натной температуре открывает новые возможности по созданию портативных локационных и навигационных устройств. За рубежом на основе GaAs лазера с

над земной поверхностью. Излучение лазера на длине волны 0,9 мкм формируется с помощью линзы в свето­ вой пучок с углом расходимости 0,5°. Сигнал, отражен­ ный от земной поверхности, собирается зеркалом с фо­ кусным расстоянием 12 см и диаметром 27 см на чувст­ вительный кремниевый фотодиод. Прибор заключен в металлическую трубу диаметром 27 см. Его показания регистрируются с помощью осциллоскопа или в цифро­

3*

35