Рассмотрим схемы устройств приема оптических сигналов, применяемых в обоих методах.
Основная схема при некогерентном методе приема — схема прямого усиления. При этом сигнал усиливается до детектора или без усиления сразу подается на фотодетектор.
Для усиления луча используется оптический квантовый усилитель (ОКУ).
При когерентном методе приема оптический сигнал подвергается дополнительной обработке до фото детектора. Когерентный метод приема отличается высокой чувствительностью и малыми шумами. При использовании этого метода облегчается задача фильтрации, поскольку она осуществляется на микроволновых, а не на оптических частотах. В том случае, когда в схемах когерентного метода приема используется местный гетеродинный ОКГ, предъявляются жесткие требования к юстировке гетеродина и стабильности его частоты. Более того, при одновременной подаче на фоточувствительную поверхность двух когерентных оптических сигналов одинаковой поляризации фронты двух световых лучей должны иметь одинаковую относительную фазу вдоль всего катода.
Блок-схема входной части супергетеродинного приемного устройства показана на рисунке 1.5. Устройство состоит из собирательной линзы 1 для приема излучения лазера, местного гетеродинного ОКГ 2, полупрозрачного зеркала 3, фотодетектора 4 и радиотракта 5.
Рисунок 1.5 - Супергетеродинный приемник оптического диапазона
Приемлемое требование для степени не параллельности двух пучков света, падающих на детектор, может быть записано в виде
где — угол расхождения между двумя световыми пучками, — длина волны несущих колебаний, D — апертура собирающей оптики детектора.
Основным недостатком супергетеродинного приема является возможность приема помехи на зеркальной частоте, отличающейся от несущей на удвоенную промежуточную частоту.
Предлагается устройство для супергетеродинного приема оптического сигнала, содержащего, кроме несущей частоты, две боковые частоты — верхнюю и нижнюю, в которых и заключена полезная информация. Таким образом, по зеркальному каналу вместо помехи приемник может принять одновременно два полезных сигнала. Блок-схема устройства показана на рисунке 1.6.
Рисунок 1.6 - Супергетеродинный приемник со вспомогательными поднесущими
Устройство состоит из местного гетеродина - лазера 1, поляроидов 2, плоскость поляризации которых показана штриховкой, расщепителя луча 3 с полупрозрачным зеркалом 4, двух фотодетекторов 5, фазосдвигающей цепочки 6, выходного сумматора 7 и четвертьволновой пластинки 8, на которой стрелкой показано направление поляризации, соответствующей наибольшей скорости распространения волны. Входной луч через первый поляроид 2 попадает на смеситель 3.
На другую грань смесителя через второй поляризатор с плоскостью поляризации, повернутой на 90° относительно первого, падает луч лазера гетеродина 1. На выходе смесителя получают два луча, каждый из которых содержит две компоненты, соответствующие входному и гетеродинному сигналам. Первый луч проходит через третий поляризатор, поворачивающий плоскость поляризации по часовой стрелке на 45°, и затем на свой фотодетектор 5, а второй через четвертый поляризатор и дополнительно через четвертьволновую пластинку 4 также на свой фотодетектор 5. После фотодетектирования на выходе каждого фотоэлемента получают сигнал промежуточной частоты, содержащий верхнюю и нижнюю боковые частоты. Если электрический сигнал от второго фотоэлемента подать на фазосдвигающую цепь (90°), то на выходе сумматора будут выделены два напряжения: на одной клемме напряжение, пропорциональное сумме обоих сигналов, а на второй — пропорциональное разности. В другом варианте приемника четвертьволновая пластинка ставится на пути лазера-гетеродина; после смесителя и поляризаторов лучи с помощью призм полного внутреннего отражения попадают на разные точки фотокатода одного фотоэлемента.
Данная схема позволяет принимать полезную информацию, передаваемую по основному и зеркальному каналам.
В приемниках с ЧМ особое значение приобретает стабилизация местного гетеродина по частоте. Поскольку в настоящее время отсутствуют устройства для оптических частот аналогичные – частотным дискриминаторам на радиочастотах, то выделение информации из ЧМ – сигнала осуществляется за счет биений, возникающих на нелинейном элементе при подаче на него ЧМ – сигнала и немодулированного и слегка сдвинутого по частоте сигнала лазера. Предложен новый способ извлечения информации из частотно-модулированного оптического сигнала без применения гетеродинного метода приема. В такой системе вспомогательный немодулированный луч, частота которого сдвинута на некоторую величину, образуется при расщеплении луча лазера – передатчика (рисунок 1.7).
На рисунке 1.7, а показана блок-схема передающей части системы, на рисунке 1.7, б — то же, приемной. Передающая часть системы содержит лазер-передатчик 1, ячейку Керра 2, сдвигающую частоту излучения; собирательную линзу 3; генератор вспомогательной частоты 4; модулятор на ячейке Керра 5 и источник информации 6. В приемную часть системы входят: собирательные линзы (антенны) 1, ФЭУ 2, сумматор 3, ограничитель 4, дискриминатор 5 и устройство воспроизведения 6. В месте приема информации оба луча совмещаются, и сложный луч направляется в приемник, где он попадает на нелинейный элемент. На выходе нелинейного элемента возникают сигналы со средней частотой, равной разности частот основного и вспомогательного лучей. Отклонение же от средней частоты определяется модулирующим сигналом.
Рисунок 1.7 – Приемник ЧМ – сигналов оптического диапазона
В результате все флуктуации исходного источника света и наложенные на сложный луч во время движения его к приемнику оказываются скомпенсированными.
Качество приема может быть значительно улучшено благодаря предварительному усилению света при помощи оптических квантовых усилителей (ОКУ). Из всех типов ОКУ наиболее перспективными считаются ОКУ бегущей волны, обладающие высоким коэффициентом усиления и широкой полосой. Однако в настоящее время ОКУ работают еще не на всех освоенных частотах оптического диапазона.
Один из недостатков ОКУ бегущей волны — нестабильность коэффициента усиления. В обычных ОКУ прямая и обратная бегущие волны имеют одинаковые частоты и при соответствующей длине активного вещества усилителя обе волны могут оказаться в фазе, что приведет к возникновению колебаний внутри усилителя. Для устранения этого нежелательного эффекта предложена новая конструкция ОКУ бегущей волны. Принцип работы нового ОКУ заключается в том, что в активном веществе усилителя возбуждаются акустические бегущие волны, которые представляют собой для электромагнитной волны большое число перемещающихся неоднородностей. В результате прямая и обратная волны несколько отличаются по частоте, а ОКУ стабилизируется по коэффициенту усиления.
На оптических частотах применяются также устройства для параметрического усиления световых волн с помощью нелинейного кристалла, размещенного в резонаторе. С целью получения эффекта усиления требуется соблюдение параллельности лучей сигнала и накачки, так как сигнал и накачка взаимодействуют во всем объеме нелинейного материала. Это условие не всегда выполнимо. Кроме того, возникает проблема выделения усиленного сигнала из луча. Предложена структура для усиления световой волны, в которой волны сигнала и накачки падают на нелинейный кристалл под различными углами и взаимодействуют лишь в ограниченном объеме. Блок-схема усилителя изображена на рисунке 1.8.
Рисунок 1.8 – Параметрический усилитель оптического диапазона
Параметрический усилитель состоит из источника сигнала (лазера) 1, резонаторов 2 и 3, настроенных на частоту входного сигнала, диэлектрических рефлекторов 4 частично пропускающих свет для ввода и вывода сигнала и концентрации его в объеме, где проявляется эффект усиления, устройства для оптической накачж 5 и выходного каскада 6.
Для увеличения напряжения на выходе на фотоприемнике концентрируют световой поток возможно большей площади. Для этого целесообразно использовать длиннофокусные линзы. Для снижения потерь толщина линз выбирается минимальной. Изготовление таких линз связано со значительными технологическими трудностями. В качестве тонких длиннофокусных линз применяют плоские стеклянные пластины, подвергающиеся механическому воздействию, в результате которого их поверхность приобретает форму поверхности синусоидального цилиндра. При использовании в системе оптической связи совокупности таких пластин, ориентированных друг относительно друга под углом Брюстера, потери на отражение практически исключаются и поглощение света из-за малой толщины пластин будет крайне незначительным. С технологической точки зрения изготовление таких пластин не представляет серьезных трудностей.
1.3.1 Детекторы оптического диапазона
Все детекторы можно подразделить на тепловые, реагирующие на суммарную мощность падающего излучения и фотонные.
Тепловые детекторы в системах связи использовать нельзя, поскольку они реагируют на суммарную падающую мощность и не могут выделить информацию из модулированного потока излучения.
К фотонным детекторам относятся фотодетекторы с внешним и внутренним фотоэффектами. К детекторам с внешним фотоэффектом относятся электростатические фотоэлектронные умножители (ФЭУ), динамические ФЭУ со скрещенными полями, вакуумные фотоэлементы, фото – клистроны, фото – ЛБВ.
Большой интерес представляют фотодетекторы ЛБВ, в которых фотоэлемент совмещен с усилителем бегущей волны. Эти приборы имеют широкую полосу и представляют собой весьма перспективные демодуляторы оптических сигналов. Чувствительность их значительно выше, чем у других высокочастотных фотоэмиссионных приемников. Поэтому большинство работ по фотоэмиссионным приемникам посвящено именно фото – ЛБВ. Например, предлагается использовать фото – ЛБВ для когерентного приема оптических сигналов. Схема приемного устройства показана на рисунке 1.9.
Рисунок 1.9 – Приемник оптического диапазона с ЛЬВ
Устройство содержит источник входного сигнала 1, фильтры 2, отверстия 3 для ввода излучения на фотокатод 4, замедляющую систему 5, нагрузку фотоприемника 6, местный гетеродин оптического диапазона 7 и источники питания 8. Особенностью этого приемника является устройство фотокатода, выполненного в виде оптического резонатора. Фотокатод подвергается воздействию модулированного сигнала, приходящего от внешнего источника, и сигнала местного гетеродина оптического диапазона. Поскольку характеристика фотокатода нелинейная, фототок содержит компоненты с комбинационными частотами, из которых в дальнейшем используются только компоненты разностной частоты. Фототок с помощью электронно-оптического устройства направляется во вторую секцию прибора, которая представляет собою обычную ЛБВ СВЧ – диапазона, где происходит усиление сигнала разностной частоты.
