Применение лазеров в связи и локации

Ослабление энергии излучения обусловлено рассеянием из-за оптических неоднородностей. В результате наблюдаются преломле­ние, отражение и дифракция оптических волн. Кроме того, газы и взвешенные частицы сами могут быть источниками излучения, что приводит к увеличению уровня шума. Существенное ослабление энергии излучения лазера происходит также из-за поглощения. Поглощение электромагнитных волн имеет избирательный характер. При этом даже в области прозрачности в отдельных участках спектра наблюдается значительное поглощение.

Известный метод повышения устойчивости оптических линий связи против метеорологических условий — дублирование переда­чи по нескольким направлениям. Эффективным методом борьбы с влиянием избирательного поглощения является одновременное использование для передачи информации лазерного излучения с раз­личными длинами волн, лежащих в «окнах» прозрачности атмос­феры. Для уменьшения избирательных поглощений, обусловленных тонкой структурой спектра, можно использовать близкие по часто­те световые несущие в пределах полосы частот «окна» прозрач­ности.

Весьма перспективно использование оптических линий связи в космосе.

При оптической связи на небольшие расстояния не обязательно расположение передатчика и приемника строго на одной линии. Это возможно при расширении апертуры луча. С этой целью в предлагаемой системе использован пассивный рефлектор-моду­лятор, который делает установку некритичной к направлению при­хода светового луча, т. е. позволяет устанавливать связь между двумя подвижными точками. Эта система связи устраняет возмож­ность перехвата сообщения и воздействия на него нежелательным абонентом и является надежным средством оперативной и аварий­ной связи.

Рассматриваемая система, изображенная на рисунке 1.3, состоит из блока линз 1, лазера 2, расположенного в их фокальной плос­кости, рефлектора 3, модулирующего световой луч и отражающего его в обратном направлении, а также большого собирающего зер­кала 4 концентрирующего принятый луч на фотодетекторе 5. Реф­лектор представляет собой пассивный модулятор и состоит из трехгранного уголкового отражателя с зеркальными внутренними поверхностями, одна (или более) из которых является оптически отражающей подвижной диафрагмой. Деформация этой диафраг­мы под воздействием звуковых волн создает соответствующую модуляцию отражённого светового луча, благодаря которой модулирующий сигнал после усиления усилителем 6 выделяется на приёмной стороне приёмником 7.

Рисунок 1.3 - Оптическая система связи на малые расстояния

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.

1	2	3	4	5	6	7	8