Использование лазеров в информационных технологиях

Развитие в этой области в последние годы происходило интенсивно и привело к тому, что в настоящее время уже существует большое число линий с лазером в качестве источника света. Оптические системы передачи информации работают с несущими частотами 1013 - 1015 Гц, соответствующими длинам волн l=33¸0,33 мкм. Применяемая длина волны из этого диапазона для передачи информации зависит от:

-     постановки задачи по передаче информации (требуемая полоса частот модуляции, расстояние, передающая среда);

-     источники света, имеющегося в распоряжении (в основном полупроводниковые инжекционные лазеры и светодиоды, в отдельных случаях миниатюрные твердотельные лазеры, СО2 лазеры);

-     модуляционной способности;

-     системы передачи (через вакуум, воздух, специальные газы, стекловолокно);

-     возможности демодуляции.

Принципиально система для оптической передачи информации состоит из шести компонентов (рис. 7).

Рис. 7. Схема системы для оптической передачи информации:

1 - источник света; 2 - модулятор света; 3 - линия передач; 4 - фотоприемник; 5 - сигнал.

При использовании полупроводниковых лазеров в качестве источников света внешний модулятор может быть исключен (напосредственная модуляция лазера с помощью возбуждающего тока в этом случае имеет преимущество).

Задача оптической передачи информации является передача излучения от передатчика к приемнику, и тем самым решающее значение приобретает среда распространения сигнала. Свойства среды в основном определяют конструкцию и размеры всей системы передачи, включая выбор источника света и приемника.

Передающие среды

Следует различать передачу информации в следующих средах: земной атмосфере, линзовых световодах, оптических волноводах.

Передача информации в земной атмосфере. Из-за геометрических потерь, обусловленных расходимостью излучения, при оптической передаче сигнала в вакууме принимаемая мощность на расстоянии R на длине волны l равна:

где PS и PE - излучаемая и принимаемая мощность; АS и АЕ  - апертуры передающей и приемной систем.

Соответствующие потери называются потерями свободного пространства. К этим потерям следует добавить потери при распространении излучения через атмосферу за счет поглощения, рассеяния, рефракции.

При распространении светового пучка в передающей среде происходит уменьшение интенсивности I0 светового пучка. На расстоянии R имеем

,

где d - коэффициент затухания:

d = d1 + d2 + d3.

d1 характеризует молекулярное поглощение, в оптической спектральной области в основном определяется парами воды, диоксидом углерода и озоном (рис. 8)

Рис. 8. Молекулярное поглощение в оптической области спектра.

d2 характеризует потери, обусловленные рассеянием на молекулах, частицах дыма и пыли, испарениях, тумане, дожде и снеге.

d3 обуславливает сильно флуктуирующие во времени потери при передаче сигнала, что может привести к ограниченному во времени срыву передачи. Соответствующие потери можно уменьшить путем определенного выбора оптической системы, в частности с помощью расширения светового пучка.

Для определения суммарных потерь на затухание для выбранной линии передач необходимы обширные измерения в течение больших промежутков времени при самых разнообразных атмосферных условиях при использовании источников света различных длин волн (рис. 9)

Рис. 9. Частота занижения затухания света для определенного измеряемого участка (2,5 км) в атмосфере.

Оптическая передача информации в земной атмосфере рассматривается только для относительно коротких расстояний, при этом должны допускаться определенные кратковременные сбои при передаче информации: надежность линии передачи не более 99%.

Линзовые световоды. Возможность исключения мешающего влияния атмосферы на распространение лазерного пучка состоит в том, чтобы провести свет в определенной атмосфере (газ  с малым поглощением) внутри трубы, при этом необходимы линзовые и зеркальные системы для подфокусировки и отклонения излучения.

В качестве линз применяются стеклянные или даже газовые линзы.

Преимущество: малые потери на поглощение и рассеяние.

Недостаток: необходима весьма точная юстировка многих оптических элементов, что трудно достигнуть при колебаниях температуры и вибрациях для больших промежутков времени; кроме того, прокладка линзовых световодов с большими длинами требует больших затрат.

Оптические волноводы. Оптический волновод - это стекловолокно, состоящее из сердцевины и оболочки, причем сердцевина имеет более высокий показатель преломления (nK) по сравнению с показателем преломления оболочки (nM). Вследствие полного внутреннего отражения свет распространяется в пределах сердцевины волокна, при этом необходимо использовать стекла с малым затуханием и дисперсией.

В зависимости от структуры световода рассматривают различные механизмы распространения (рис.10).

1. Многомодовые световоды со ступенчатым профилем показателя преломления. Полное внутреннее отражение имеет место, если излучение падает на границу под углом меньшим, чем 2amax (угол ввода световых лучей в волновод).

2. Одномодовые световоды со ступенчатым профилем показателя преломления. Диаметр сердцевины 5-10 мкм обусловливает распространение только одной моды, при этом теоретически ширина полосы передачи В>100 ГГц. Изготовление крайне малого диаметра сердцевины требует очень большой точности, при этом возникает проблема ввода излучения в оптическое волокно.

3. Многомодовые световоды с градиентным профилем показателя преломления. Показатель преломления в области сердцевины непрерывно уменьшается от середины к краю. Излучение за счет преломления волнообразно распространяется около оси оптического волокна. Поскольку все лучи имеют примерно одинаковые времена распространения, то градиентные волокна имеют очень большую ширину пропускания.

Существенными требованиями к оптическому световоду являются необходимость слабого затухания и большой ширины полосы пропускания.

Затухание в оптических волокнах обусловлено поглощением и рассеянием, в частности, на примесях. Дополнительные потери возникают из-за неоднородностей в поперечном сечении волокна и из-за его кривизны. Само затухание зависит от применяемого стекла для сердцевины и оболочки, от различных примесей, а также от длины волны (рис. 11).

Рис. 10. Некоторые типы световодов:

а - ступенчатый профиль показателя преломления; б - градиентный профиль показателя преломления; в - одномодовый световод.

Световые лучи, распространяющиеся под различными углами к оси стекловолокна (моды), проходят различные длины путей, что приводит к различным временам распространения. Разброс во времени распространения приводит за счет межмодовой дисперсии к ограничению ширины полосы пропускания. Для конечной ширины спектра Dl источников света дисперсия материала световода приводит также к дополнительному ограничению ширины полосы передачи (рис. 12).

Рис. 11. Спектральная характеристика затухания кварцевого волокна, слабо легированного  Ge.

Вследствие высокой несущей частоты светового пучка можно использовать для модуляции практически очень высокие частоты. Используемую для передачи информации полосу частот называют шириной полосы частот сигнала, она может достигать несколько гигагерц. Тем самым возможна одновременная передача очень большого объема информации.

Для достижения хороших характеристик передачи оптического волновода существенными являются:

-     малые изменения геометрических размеров, а также хорошая центровка сердцевины;

-     малые изменения профиля показателя преломления.

Рис. 12. Затухание и дисперсия одномодового стандартного световода.

Для применения в оптических системах передачи информации световоды должны быть выполнены в виде оптических кабелей. Существует большое количество конструкций кабеля.

ИстоЧники света длЯ волоконно-оптиЧеских систем свЯзи

Для оптической передачи информации в диапазоне длин волн от 0,4 до 30 мкм в качестве источников света применяют светодиоды, лазеры во всем диапазоне длин волн.

Для выбора источника света главный критерий - длина волны, на которой получается минимальное затухание. В качестве источников света применяются

Источники света для оптической связи в свободном пространстве.

He-Ne-лазер, l=0,63 мкм - излучение лежит в видимом оптическом диапазоне, что сильно облегчает юстировку линии передачи;

CO2- лазер, l=10,6 мкм - пригоден для более протяженных линий передач, поскольку с помощью этих лазеров достигаются более высокие выходные мощности в непрерывном режиме (10-15 Вт).

Недостатками обоих лазеров являются их низкий КПД, а также их большие размеры.

Nd-ИАГ- лазер, l=1,06 мкм, и его вторая гармоника, l=0,53 мкм - этот лазер используется преимущественно для передачи информации между наземными станциями и спутниками.

Источники света для оптической связи по световодам. Эти источники должны удовлетворять следующим условиям:

-     длина волны излучения должна лежать в диапазоне минимального затухания;

-     излучающая поверхность должна соответствовать примерно диаметру световода для хорошего согласования источника света и световода без фокусирующих элементов.

Эти требования выполняются с помощью полупроводниковых элементов. Поэтому в качестве источников света служат:

-     светодиоды

-     полупроводниковые инжекционные лазеры, работающие в непрерывном и импульсном режимах

Из-за малого затухания в световоде на длине волны l-1,3 мкм и l=1,55 мкм разработаны специально для этих длин волн лазеры на двойной гетероструктуре InGaAsP/InP, причем достигается выходная мощность 15 мВт.

Для протяженных линий связи в качестве источников света используются лазеры. Они имеют, правда, также некоторые существенные недостатки по сравнению со светодиодами. К ним относятся:

-     более сильная зависимость от температуры частоты излучения;

-     более низкий срок службы;

-     более высокая стоимость.

МодулЯциЯ

Модуляция - это изменение параметров светового луча в зависимости от управляющего (модулирующего) сигнала, несущего информацию, при этом различают две основные формы модуляции: внешнюю и прямую.

При внешней модуляции поляризованный световой луч проходит вне источника света в модулятор, в котором в такте передаваемого сигнала изменяется амплитуда или фаза излучения. Модулятор работает, в общем, на основе электрооптического эффекта (рис.  13).

Рис.13. Принцип действия электрооптического модулятора:

1 - световой луч; 2 - поляризатор; 3 - электрооптический кристалл; 4 - анализатор; 5 - линейно поляризованный, модулированный свет.

Рис. 14. Схема управления полупроводниковым инжекционным лазером:

1 - цифровой сигнал; 2 - кодирование; 3 - возбудитель; 4 - лазер; 5 - штекерное соединение; 6 - световод; 7 - PIN-фотодиод; 8 - ступень регулирования.

При прямой модуляции излучение модулируется непосредственно за счет возбуждения источника света, т.е. источник света сам излучает модулированный свет (рис. 14). Прямая модуляция может быть реализована только в светодиодах и инжекционных лазерах, что достигается путем модуляции тока накачки.

Аналоговая модуляция имеет недостаток в сравнении с другими различными возможностями импульсной модуляции, включая и КИМ.

Отношение сигнал/ шум на приемнике, необходимое для неискаженного обнаружения сигнала, должно быть более высоким по сравнению с импульсно-кодовой модуляцией на 20 дБ.

В оптических системах передачи информации особенно выгодны системы с ИКМ.

Приемники

Обнаружение модулированного излучения при одновременной демодуляции, т.е. воспроизведение передаваемой информации, осуществляется с помощью оптоэлектронных приемников (детекторов).

Применяемые фотодетекторы должны иметь следующие характеристики:

-     высокую чувствительность в спектральном диапазоне применяемого источника света;

1	2	3