1.2 Модуляционные устройства для оптической связи
Модуляция — одна из центральных проблем при создании систем связи оптического диапазона, так как эффективность последних во многом зависит от создания достаточно эффективных и сравнительно простых модуляторов когерентного света, получаемого от лазера. Чем шире полоса модуляции, тем больше объем передаваемой информации. Основные требования, предъявляемые к модуляторам когерентного света — широкополосность, линейность модуляционной характеристики, большой динамический диапазон и экономичность в потреблении энергии.
Методы модуляции излучения оптических квантовых генераторов делятся на два класса: методы внешней модуляции и методы внутренней модуляции.
Под внешней модуляцией подразумевается воздействие на излученный свет вне самого лазера, под внутренней — на луч лазера в процессе его генерации, т. е. воздействие на параметры автоколебательной системы — лазера. Методы модуляции можно классифицировать по изменяемому параметру модулируемого сигнала. В оптических системах возможны амплитудная, частотная, фазовая модуляции, модуляция поляризации оптической несущей сигнала, модуляция угла отклонения луча.
1.2.1 Амплитудные модуляторы для внешней модуляции
На рисунке 1.4 показана типовая блок-схема оптического модулятора. Он содержит среду 1, вращающую плоскость поляризации луча 2 и поляризационные фильтры 3 и 4 (анализаторы).
Рисунок 1.4 - Типовая схема поляризационного оптического модулятора
Модулятор работает следующим образом. После прохождения поляризационного фильтра 3 свет становится плоскополяризованным. Поляризационный фильтр 4 расположен так, что он пропускает свет с поляризацией, перпендикулярной поляризации, создаваемой первым фильтром. Если при прохождении луча света через среду 1 вращения плоскости поляризации не происходит, то фильтры не пропускают свет. Если при прохождении среды плоскость поляризации падающего света поворачивается, то на выходе модулятора появляется свет, интенсивность которого пропорциональна величине поворота плоскости поляризации.
Для вращения плоскости поляризации используются газы, жидкости, твердые тела, в которых под действием внешних факторов (магнитного, электрического полей и т. д.) возникает анизотропия диэлектрической проницаемости и связанного с ней коэффициента преломления.
Запатентованы амплитудные модуляторы света, основанные на использовании вращения плоскости поляризации под действием магнитного поля (эффект Фарадея).
Недостаток оптических модуляторов на эффекте Фарадея — необходимость создания в них значительного по величине магнитного поля в широкой полосе частот, что вызывает значительные технические трудности. Недостаток оптических модуляторов с ячейкой Керра — в значительных потерях света, ограниченном частотном диапазоне (до 109 Гц), нелинейности модуляционной характеристики.
Перспективны модуляторы оптического диапазона, основанные на использовании эффекта Поккельса. Эти модуляторы находят широкое применение для модуляции на СВЧ.
Модулятор СВЧ с использованием эффекта Поккельса представляет собой резонатор СВЧ, возбуждаемый петлей. В пучности электрического поля резонатора размещается электрооптический кристалл. С помощью петли в резонаторе возбуждаются волны типа ТМТП. Луч лазера подается вдоль оси резонатора, а модулирующий сигнал — от источника по коаксиальному кабелю к петле.
Амплитудные модуляторы с вращателями плоскости поляризации требуют значительного уровня модулирующего сигнала. Для уменьшения модулирующих напряжений предложено использовать резонатор Фабри—Перо. Оптическая длина резонатора меняется с помощью вещества, коэффициент преломления которого зависит от параметров внешнего модулирующего сигнала.
Недостаток модуляторов на эффекте Поккельса — наличие частотной зависимости коэффициента модуляции, обусловленное пьезоэффектом. Предложен метод устранения этого недостатка при помощи вспомогательной несущей, которая модулируется передаваемым сигналом. Частота несущей выбирается такой, чтобы пьезоэффект практически не проявлялся.
Основным достоинством модуляторов, использующих эффект Поккельса, является линейная зависимость сдвига фаз от приложенного напряжения, в результате чего для модуляций на высокой частоте требуется меньшая мощность, чем в модуляторе, использующем эффект Керра.
Предлагается использовать ультразвуковую ячейку для получения внешней амплитудной модуляции. Этот метод основан на зависимости интенсивности определенных типов колебаний на выходе ультразвуковой ячейки от интенсивности бегущей ультразвуковой волны, возбуждаемой модулирующим сигналом. Предусмотрена возможность выбора тип колебаний, которые являются выходным сигналом модулятора.
Описан амплитудный модулятор, использующий нелинейные явления в оптическом диапазоне. Работа модулятора основана на нелинейной зависимости поляризации от поля световой волны достаточно большой амплитуды.
При воздействии на нелинейную среду двух световых сигналов, один из которых несущий, а второй модулирующий, появляется сигнал, который содержит частоты с амплитудой, пропорциональной произведению амплитуд несущей и модулирующего сигнала. Поэтому возможно использование нелинейности среды для получения амплитудной модуляции.
Предложены амплитудные модуляторы, основанные на атомных и молекулярных взаимодействиях в веществе. Их работа основана на изменениях поглощения света в веществе при изменении состояния атомов и молекул под действием различных внешних факторов (электрического и магнитного полей, температуры, давления и т. д.). Такие системы позволяют получить широкополосную модуляцию.
Работа полупроводникового СВЧ - модулятора света основана на том, что отражающие свойства поверхности полупроводника меняются при изменении концентрации носителей, причем поверхностную концентрацию можно менять с достаточной скоростью.
Описан амплитудный модулятор, работа которого основана на изменении поглощения света при перераспределении плотности энергетических уровней под действием модулирующего электромагнитного излучения. Особенность таких модуляторов состоит в том, что при использовании среды с инверсией населенности уровней, т. е. среды с отрицательной температурой, можно значительно уменьшить уровень мощности модулирующего сигнала, необходимый для амплитудной модуляции нужной глубины.
Предложен модулятор, позволяющий осуществить одновременно и модуляцию, и усиление света за счет создания в веществе отрицательного поглощения. Предложение основано на том, что различные используемые для модуляции эффекты, наиболее ярко выраженные при резонансе, являются в то же время функцией разности населенностей уровней, определяющих резонансную частоту.
Для модуляции светового потока используют квантовую систему, состоящую из атомов щелочных металлов, процессирующих под действием модулирующего магнитного поля. При этом возникает амплитудная модуляция с частотой процессии атомов.
Описаны однополосные амплитудные модуляторы оптического диапазона, работающие по фазовому методу. Эти модуляторы позволяют сузить рабочий диапазон частот при, сохранении объема передаваемой информации.
1.2.2 Амплитудные модуляторы для внутренней модуляции.
В простейшем случае внутренняя AM осуществляется путем изменения энергии накачки. Например, в газовом лазере внутреннюю модуляцию можно осуществить, изменяя величину тока разряда через трубку. Недостатком такого метода AM является узкополосность. Значительно большей рабочей полосой частот обладают твердотельные лазеры с модулируемой накачкой.
Для осуществления внутренней амплитудной модуляции используют электрооптическую ячейку, помещаемую внутрь резонатора.
Управление коэффициентом усиления активной среды можно осуществить с помощью эффектов Зеемана и Штарка, обусловленных соответственно действием магнитного и электрических полей.
Коэффициент усиления изменяется при расщеплении энергетических уровней из-за деформации электронных орбит атомов. Предложены амплитудные модуляторы для внутренней модуляции с использованием эффекта Зеемана. Для модуляции можно использовать как продольный, так и поперечный эффект Зеемана. Недостаток модуляторов, использующих эффекты Зеемана и Фарадея, в трудности получения большого магнитного поля в широком диапазоне частот модулирующего сигнала.
Для получения амплитудной модуляции может быть использоанна ультразвуковая ячейка, помещенная внутри резонатора лазера. Ультразвуковая ячейка, также как и в случае внешней модуляции, используется в сочетании с диафрагмой, выделяющей требуемый тип колебаний. Модулирующий сигнал используется для создания бегущей волны в ультразвуковой ячейке.
Особенно эффективна внутренняя модуляция для резкого изменения добротности резонатора, что широко используется для получения «гигантских» импульсов излучения.
Для получения «гигантских» импульсов цепь обратной связи включается и выключается с помощью «оптических затворов». Работа таких затворов основана на использовании электрических, магнитных, ультразвуковых эффектов и т. д. В качестве электрооптического затвора предложено использовать особое стекло. Предложен оптический «рефракционный затвор», основанный на отклонении светового луча при помощи ультразвуковой ячейки.
1.2.3 Методы частотной модуляции лазеров.
Частоту световой несущей можно регулировать за счет изменения резонансной частоты интерферометра Фабри—Перо. Это можно делать, например, с помощью пьезоэлементов, изменяющих оптическую длину резонатора. Это изменение в такт с изменением модулирующего сигнала приводит к перемещению максимума прозрачности резонатора по спектру и, следовательно, к генерированию света с той или иной длиной волны.
Частотная модуляция света может быть осуществлена на основе эффектов Зеемана и Штарка. Следует заметить, что модуляция с использованием этих эффектов обладает определенными недостатками. Прежде всего, для осуществления широкополосной модуляции требуются, очень сильные магнитные или электрические поля.
Для частотной модуляции может применяться ультразвуковая ячейка, помещенная внутрь резонатора лазера. Конструкция модулирующей ячейки аналогична конструкции амплитудного модулятора для внутренней AM.
Существует два метода приема оптического излучения: когерентный и некогерентный.
Когерентный метод приема осуществляется за счет использования дополнительного ОКГ, называемого гетеродинным или опорным ОКГ. При когерентном методе используются супергетеродинные, балансные и другие схемы приемных устройств. Некогерентный метод основан на приеме оптических сигналов без их предварительной обработки до детектора.
