Описана схема оптического фотоприемника, предназначенного для приема светового сигнала, модулированного сигналом СВЧ. Он представляет собой настраиваемый волноводный резонатор, состоящий из прямоугольного волновода. С одной стороны волновода помещен подвижной короткозамыкатель, а с другой — неподвижная стенка с отверстием связи, через которое в резонатор подается сигнал от генератора СВЧ. Внутри резонатора в пучности электрического поля находится фотоэлемент с внешним фотоэффектом, питаемый от источника входного сигнала. Устройство просто и надежно.
К детекторам с внутренним фотоэффектом относятся фотосопротивления, фотодиоды, фототриоды и детекторы с фотоэлектромагнитным эффектом.
Особенность детекторов с внутренним фотоэффектом в том, что в них нет «красной» границы спектральной чувствительности. В инфракрасном диапазоне (ИК) частот могут работать фотодетекторы с p – n – переходами, поскольку существуют материалы с узкой запрещенной зоной. Фотодетекторы с р — n – переходами рассчитаны на прием слабых сигналов, в то время как фотосопротивления способны работать при больших мощностях падающего излучения. С другой стороны, постоянная времени фотосопротивления велика, а фотодиоды и фототриоды могут принимать световой сигнал, модулированный СВЧ поднесущей, с частотой порядка нескольких мегагерц. В то же время постоянная времени фотодиодов меньше, чем фототриодов.
Для усиления слабых сигналов вместо фотодиодов можно применять фототриоды с внутренним усилением по току, но как было сказано выше, постоянная времени фототриодов больше, чем у фотодиодов. Это ограничивает применение фототриодов в системах связи.
Предлагаются различные фоточувствительные приборы, способные детектировать сигналы ИК – диапазона (вплоть до сантиметрового). Эти фотоприемники используют пленки сверхпроводящих материалов, например Sn, Pb, A1 и пр. Детекторы представляют собой две тонкие пленки сверхпроводящего материала, разделенные тонким слоем диэлектрика (6 – 200 ангстрем). Детектирование осуществляется за счет генерации неравновесных носителей заряда, туннелирующих сквозь слой диэлектрика между пластинками и разделяющихся потенциальными барьерами.
При приеме слабых сигналов после фотодетектора необходимо ставить малошумящие усилители с большим коэффициентом усиления, например параметрические. Параметрические усилители на полупроводниковых диодах имеют ценные качества, которые позволяют успешно использовать их в системах связи. В последнее время получили дальнейшее развитие параметрические усилители, применяемые в оптических линиях связи. В этих усилителях полупроводниковый диод одновременно является и фотодетектором, и нелинейным реактивным элементом. Параметрические усилители с фотодиодом получили название фотопараметрических.
Развитие техники связи в оптическом диапазоне привело к созданию новых устройств для усиления слабых сигналов радиочастоты. Это новое устройство названо разером.
Подобно мазерам и лазерам в разере для получения эффекта усиления используется взаимодействие между электронами атомов и внешним магнитным полем. Однако в разере дополнительно происходит взаимодействие спинов атомных ядер с магнитным полем. В этом случае энергетические уровни располагаются достаточно близко друг от друга, что дает возможность усиливать радиосигналы. Разер состоит из проводящей цилиндрической полости, в которой находится активный парамагнитный кристалл формы цилиндра. В качестве подобного кристалла может применяться парамагнитная соль La2Mg(N03)12*24H20, в которой 1% атомов лантана замещен атомами изотопов неодима. Кристалл вставлен в индуктивную катушку, расположенную в полости. Для снижения уровня шумов усилителя полость погружена в гелиевый сосуд Дьюара. На определенной частоте в полость через волновод от генератора СВЧ подается мощность накачки. В результате получают инверсию населенностей энергетических уровней спинов протонов. Усиливаемый сигнал подводится к катушке, которая настраивается в резонанс с помощью переменного конденсатора, размещенного в сосуде Дьюара. Катушка может быть сделана из сверхпроводника. Это снижает собственные шумы усилителя. Такой может непрерывно перестраиваться по частоте в очень широком диапазоне.
Одним из важных параметров системы оптической связи является отношение сигнал/шум. На оптических частотах большое значение приобретают радиационные шумы внешней среды. В зависимости от времени суток и погоды величина шумов меняется. Большое влияние на связь оказывает излучение солнца и звезд. Особенно заметно это влияние в локационных и навигационных системах, использующих сигналы оптических квантовых генераторов.
Описывается автоматическая регулировка для приемника световых импульсов низкой частоты. Эта система предназначена для слежения за облачным покровом и применяется в системе наблюдения за метеорологической обстановкой в районе аэродромов.
Основная идея изобретения заключается в том, что амплитуда помехи на выходе усилителя приемника поддерживается постоянной. В этом случае при различной посторонней засветке на входе приемника амплитуда шумов на выходе постоянна и приемник будет срабатывать только от световых импульсов лазера, отраженных от облаков, так как амплитуда импульсов превосходит по величине постороннюю засветку.
В то же время днем, в хорошую погоду, приемник выключается, поскольку отраженных импульсов нет, а «чистая» засветка может быть принята за облака. Принцип работы приемника световых импульсов заключается в том, что в нем применяется интегратор, регулирующий усиление приемника. Этот интегратор выдает сигнал, пропорциональный внешним радиационным шумам. Блок-схема приемника и диаграммы сигнала с шумами показаны на рисунке 1.10.
Приемник содержит собирательную линзу-антенну 1, фотоэлемент 2. усилители 3, 4, 5, детектор 6. Цепь автоматической регулировки усиления образована усилителем 5 и детектором. В случае прихода сигнала 1, показанного на рисунке, с большими радиационными шумами, усиление приемника снижается и сигнал 3 на выходе получается примерно таким же, как и в отсутствие шумов. Таким образом, в этой системе при помощи автоматической регулировки удается повысить отношение сигнал/шум при различных метеорологических условиях.
Рисунок 1.10 – Приемник импульсных сигналов с АРУ
Оптические линии связи, в которых луч лазера между передатчиком и приемником распространяется в окружающем их пространстве, имеют ряд недостатков: значительное ослабление луча, сильное влияние окружающей среды на работу линии связи, ограничение дальности расстоянием прямой видимости. Для устранения этих недостатков в системах связи применяют оптические волноводы - световоды.
Волноводы можно разделить на два класса. К первому относятся волноводы, в которых электромагнитные волны распространяются благодаря многократным отражениям между двумя проводящими поверхностями, ко второму — те, в которых распространение происходит благодаря многократному отражению на границах диэлектрической среды, обусловленному изменением коэффициента преломления. Конфокальные линзовые и зеркальные системы не являются волноводами в указанном смысле, однако мы рассмотрим их, называя в дальнейшем «лучеводами».
1.4.1 Основные типы световодов
В волноводах первого класса лучи многократно отражаются от металлических стенок волновода, следуя по зигзагообразной траектории. Волновод обычно заполняется инертным газом с малыми потерями. Затухание определяется неполным отражением от стенок и зависит от состояния металлических стенок, поляризации и угла скольжения. Для достижения наименьших потерь вектор электрического поля должен быть тангенциален к отражающей поверхности, а угол скольжения — мал.
При определении угла скольжения образуется, поле волны соответствующего типа (мода). На оптических частотах эти моды не могут быть разделены, так как они связаны друг с другом по случайному закону из-за наличия малых неоднородностей на стенках волновода. Это явление ведет к искажению сигнала и накладывает определенные ограничения на характеристики волноводов.
В зависимости от допусков на точность механического изготовления устанавливают пределы применимости волноводов. Чем выше частота, тем жестче должны быть допуски. Во всех случаях при уменьшении диаметра волновода искажение сигнала из-за преобразования мод несколько уменьшается, но при этом сильно увеличиваются дисперсионные искажения и затухание.
Второй класс волноводов включает в себя диэлектрический стержень и его варианты. В этих волноводах лучи также идут по зигзагообразному пути в результате многократного отражения от границы диэлектрика с воздухом. В случае применения обычных диэлектриков потери на отражение при падении под некоторым углом значительно больше, чем в волноводах первого класса. Но при углах скольжения , меньше критического угла для этого диэлектрика, происходит полное внутреннее отражение. Именно такое распространение и рассматривается в волноводах второго класса. Затухание волн здесь происходит из-за потерь в самом диэлектрике.
В диэлектрическом стержне, так же как и в волноводах первого класса, возможно одномодовое и многомодовое распространение сигнала. Многомодовое распространение наблюдается тогда, когда величина диаметра волновода составляет несколько длин волн. Уменьшение диаметра приводит к одномодовому режиму передачи.
Световые лучеводы можно разделить на три типа, показанные на рисунке 1.11. На рисунке 1.11, а показана общая структура лучевода: 1 — источник; 2 — коллиматор; 3 — фазовые корректоры (на рисунке 1.11, б — диафрагменные лучеводы; на 1.11, в — линзовые лучеводы; на 1.11, г — зеркальные лучеводы). Принцип работы всех этих лучеводов почти одинаков, поэтому достаточно рассмотреть линзовый лучевод, который исследован лучше других. Линзы производят преобразование фазы пучка лучей, корректируя форму фазового фронта. Эта функция выполняется и диафрагмами (1.11, б) и соответствующими зеркалами (1.11, г).
Рисунок 1.11 – Основные типы лучеводов
В лучеводной системе может распространяться большое число различных волновых пучков мод, каждый из которых характеризуется своей структурой распределения поля в поперечном сечении пучка.
Потери в лучеводах значительно меньше, чем в световодах. При применении фазовых корректоров лучеводы могут использоваться во всем диапазоне от видимого света до миллиметровых волн. Но в миллиметровом диапазоне они применяются ограничено, так как для достижения малых дифракционных потерь в этом случае требуются большие апертуры и малые расстояния между корректорами. Наименьший диаметр апертуры линз приблизительно равен среднему геометрическому от длины волны и расстояния между корректорами.
