Проектирование системы атмосферной оптической связи

В настоящее время на мировом рынке САОС прочно заняли определенную нишу, так как эта технология является вполне достойным конкурентом стационарной радиосвязи в корпоративных сетях передачи данных.

В большинстве подобных систем доминирующим источником оптического излучения является полупроводниковый лазер. Но когда речь идет о решении специальных задач, в которых оптическая связь должна поддерживаться на больших расстояниях и иметь повышенную скрытность, применение СО₂-лазера неоспоримо.

Влияние атмосферы сказывается в ослаблении луча метеорологическими факторами. Это дождь, снег, туман, песчаная буря, а также техногенные аэрозоли. Дополнительными факторами уменьшения мощности излучения в плоскости приема служат турбулентные образования в атмосфере и их взаимодействие с когерентным излучением лазера. Это приводит к «дрожанию» луча и к его «пятнистости» в плоскости приема. Птицы практически не пересекают трассу луча, так как они хорошо видят в этом диапазоне спектра. Основным параметром, описывающим процесс взаимодействия оптического излучения с атмосферой, является метеорологическая дальность видимости (МДВ).

Специфическими помехами являются естественные (влияние атмосферы, турбулентность, и т. п.), искусственные (распыленные аэрозоли на пути распространения луча, дым от котельных, заводов и т. п.), внутренние (собственные шумы приемника).

Целью дипломной работы является задача расчета системы атмосферной оптической связи на основе СО₂-лазера с быстрой перестройкой рабочей длины волны излучения.

Патентный поиск

В ходе этой работы был произведен патентный поиск, систем атмосферной оптической связи на основе СО₂-лазера с быстрой перестройкой рабочей длины волны излучения. В ходе патентного поиска не было найдено подобных свидетельств, что указывает на то, что использование быстрой перестройки является нововведением. Цель работы — расчёт системы атмосферной оптической связи.

1. Система атмосферной оптической связи

1.1 Структурная схема АОЛС

Обобщенная структурная схема оптической линии связи, позволяющая выявить особенности ее работы, приведена на рисунке 1. Как видно из схемы, структурный состав элементов по своему функциональному назначению почти аналогичен структурному составу классической системы радиосвязи.

В состав ОЛС входят: источники информации; оптический передатчик, состоящий из лазера и оптического модулятора; оптические антенны передатчика и приемника; оптический узкополосный фильтр; оптический приемник; декодирующее устройство, структура которого определяется методом приема (при посимвольном приеме это — пороговое устройство и схема принятия решения, при приеме в целом — набор корреляторов или согласованных фильтров и схемы принятия решения), и другие элементы, назначение которых следует из их наименований. Отдельные элементы схемы, показанные пунктиром, не являются обязательными и могут быть опущены в зависимости от назначения ОЛС, метода приема, числа передаваемых каналов и т. д.

Рассмотрим более подробно структуру оптического приемника. В настоящее время в практике проектирования, как правило, используются две основные схемы оптических приемников: прямого детектирования и супергетеродинная (гетеродинная и гомодинная).

Оптический приемник прямого детектирования состоит из оптического — полосового фильтра, предназначенного для ослабления фонового излучения, фотодетектора (ФД) и электрического фильтра. В принципе, «отклик» ФД в рабочем диапазоне спектра не зависит от частоты, фазы и поляризации несущей. Поэтому приемник, прямого детектирования принимает сигналы только с модуляцией по амплитуде (AM) или по интенсивности (ИМ). Для приема сигналов с другими видами модуляции перед приемником прямого детектирования устанавливается преобразователь модуляции, преобразующий любой вид модуляции в модуляцию амплитуды или интенсивности оптического сигнала.

а) передающего устройства; б) приемного устройства:

1 — лазер; 2 — оптический фильтр; 3 — полуволновая пластинка;

4 — оптическая антенная система; 5 — генератор накачки;

6 — подмодулятор; 7 — система программного управления;

8 — источник литания; 9 — источники аналоговой информации; 10 — электрические модуляторы; 11 — кодирующее устройство;

12 — источник цифровой информации; 13 — генератор поднесущей частоты; 14 — генератор кода; 15 — система поиска и автосопровождения;

16 — оптический фильтр, 17 — оптический квантовый усилитель;

18 — оптический приемник; 19 — радиоприемник,

20 — декодирующее устройство.

Обобщенная структурная схема ОЛС Одной из важнейших особенностей оптического диапазона волн является то, что при очень слабых оптических полях, действующих на АОЛС, ФД может работать в режиме счета числа фотонов (фотоэлектронов). Эта особенность практически проявляется при s, где s — среднее число фотоэлектронов, покидающих фотокатод в течение времени разрешения ФД:

где — полоса пропускания ФД.

Оптический гетеродинный приемник состоит из полосового оптического фильтра, полупрозрачного зеркала, предназначенного для пространственного комбинирования сигналов оптической несущей и оптического гетеродина, частота которого отличается от несущей на требуемое значение промежуточной частоты, ФД смесителя и электрического полосового фильтра, настроенного на промежуточную частоту. Полученный после фильтра сигнал промежуточной частоты обрабатывается в дальнейшем обычными радиотехническими устройствами. Гетеродинный приемник обеспечивает высокую чувствительность и позволяет принимать сигналы с амплитудной, частотной и фазовой модуляцией.

Выбор типа оптического приемника в основном определяется видом модуляции передаваемого сигнала, характером и уровнем помех, действующих на ОЛС, назначением, условиями работы и конкретными требованиями, предъявляемыми к ОЛС.

Анализ помехоустойчивости при различных способах передачи и приема сигналов позволит сравнить АОЛС между собой, а также сравнить реальные системы или субоптимальные с оптимальными с целью их дальнейшего усовершенствования.

Информационный сигнал в кодирующем устройстве преобразуется в вид, удобный для модуляции, затем поступает в подмодулятор-усилитель и далее — в цепь возбуждения модулятора. С помощью внешнего или внутреннего модулятора осуществляется модуляция лазерного излучения по амплитуде, интенсивности, частоте, фазе или поляризации. Модулированный лазерный луч коллимируется оптической антенной передатчика. С помощью оптической приемной антенны сигнал фокусируется на оптический приемник. Выходным сигналом оптического приемника является электрический сигнал. Последующие электрические цепи образуют радиоприемник; в нем осуществляются операции по выделению информационного сигнала. В гетеродинной системе связи и в системе связи на поднесущей частоте в радиоприемнике должно осуществляться также частное преобразование или «перенос» сигнала в низкочастотную область.

Соотношение между переданной и принятой энергией сигнала описывается уравнением дальности действия системы связи. Это уравнение характеризует распространение излучения в канале связи, потери за счет естественного расхождения луча в свободном космическом пространстве и ослабление сигнала при прохождении в отдельных трактах и компонентах (составных элементах) системы связи.

Потери энергии несущей в модуляторе и оптической антенне передатчика характеризуются коэффициентом передачи передающей системы:

где P_L — мощность лазера и — мощность на выходе передающей системы. Такое определение коэффициента характеризует любые потери энергии, луча в модуляторе или в антенне передатчика.

1.2 Особенности функционирования (географический район, окна прозрачности, вид модуляции, способ приема, взаимонаведение)

Рассмотрим особенности функционирования системы связи.

Лазерная линия связи состоит из двух идентичных станций, устанавливаемых соосно напротив друг друга в пределах прямой видимости — на крышах или стенах домов или на других высоких подставках. При установке станций для успешной работы необходимо учитывать следующие рекомендации:

— на пути луча не должно быть препятствий, причем с учетом сезонных изменений (провисания проводов в теплое время года или при обледенении, появления на деревьях лиственного покрова, рост деревьев, снежные заносы зимой и т. д.);

— не следует устанавливать блоки АЛС на лифтовых шахтах, около вытяжных вентиляторов, обслуживающих здания машин, колебания которых могут вызывать отклонение луча;

— не следует монтировать блоки АЛС на консольных конструкциях, металлических надстройках и других сооружениях, которые могут изгибаться под действием тепловых и ветровых нагрузок;

— не следует располагать блоки АЛС вблизи локальных источников тепла, находящихся в створе проложенной линии (вентиляционных выходов, систем кондиционирования воздуха, труб промышленных предприятий и т. п.);

— при ориентации системы по направлению запад — восток необходимо учитывать возможные нарушения в работе АЛС в результате засветки приемника при восходе или заходе солнца;

— следует избегать установки систем АЛС в непосредственной близости от мест скопления птиц, которые также могут создавать помехи для связи;

— необходимо учитывать сильное влияние тумана на надежность АЛС и прокладывать линию на возможно большей высоте, где густота тумана меньше.

Построение всех станций АОЛС практически одинаково: интерфейсный модуль, модулятор, лазер, оптическая система передатчика, оптическая система приемника, демодулятор и интерфейсный модуль приемника. Передаваемый поток данных от аппаратуры пользователя поступает на интерфейсный модуль и затем на модулятор излучателя. Затем сигнал преобразуется высокоэффективным инжекционным лазером в оптическое излучение ближнего ИК-диапазона (0,81…0,86 мкм), оптикой формируется в узкий пучок

(2…4 мрад) и передается через атмосферу к приемнику. На противоположном пункте принимаемое оптическое излучение фокусируется приемным объективом на площадку высокочувствительного быстродействующего фотоприемника (лавинные или pin-фотодиоды), где детектируется. После дальнейшего усиления и обработки сигнал поступает на интерфейс приемника, а оттуда на аппаратуру пользователя. Аналогичным образом в дуплексном режиме одновременно и независимо идет встречный поток данных. Кроме указанных основных узлов станция АЛС может быть снабжена монокуляром-целеуказателем и устройством автоматизированной юстировки. Наряду с этим могут быть предусмотрены системы термостабилизации, самодиагностики, индикации рабочих параметров и др.

Нарушения в работе систем АЛС, как отмечалось выше, могут быть связаны с неблагоприятными погодными условиями (сильный туман или снегопад) и сильной турбулентностью атмосферы (замирания). Радует, что эти два фактора не совпадают по времени: замирания отсутствуют при тумане и снегопаде, однако характерны для ясной, солнечной погоды. Поэтому, оценивая надежность связи, не нужно складывать ослабления сигнала из-за этих двух факторов. К атмосферным потерям следует добавить еще так называемые геометрические потери сигнала, зависящие от протяженности линии и угловой расходимости излучения. Например, при расходимости луча в 4 мрад, расстоянии 250 м и диаметре объектива приемника 10 см геометрические потери составляют 20 дБ, то есть улавливается всего 1% мощности лазера. С увеличением расстояния в два раза потеря мощности сигнала на фотоприемнике увеличивается в 4 раза. Уменьшение угловой расходимости может привести к росту потерь из-за турбулентности атмосферы.

Доступность линии АЛС зависит от допустимого ослабления мощности сигнала между передатчиком и приемником на заданном расстоянии между терминалами и от статистики распределения метеорологической дальности видимости (МДВ) в месте установки линии. Чем больше запас мощности системы, тем меньше погодные условия влияют на работоспособность линии.

Что касается работы системы атмосферной оптической связи в различных географических районах, то при разработке системы связи необходимо учитывать этот факт, ориентируясь на те, наиболее вероятные, погодные условия в которых предстоит работать системе.

Атмосфера представляет собой механическую смесь из газов, паров, капель жидкости и твердых частиц. В ней всегда в переменном количестве присутствуют пыль, дым, кристаллики льда. Поэтому атмосфера является аэрозолем, состав которого непрерывно изменяется из-за перемешивания. Говоря об аэрозольном рассеянии в общем, имеют в виду аэрозольное ослабление, обусловленное не только рассеянием, но и поглощением излучения частицами аэрозоля. В атмосфере существуют так называемые «окна прозрачности», проходя через которые излучение подвергается ослаблению в меньшей степени, чем вне «окон», поэтому следует выбирать те рабочие длины волн, которые испытывают наименьшее ослабление при распространении.

Процесс модуляции оптического излучения сводится к изменению амплитуды, интенсивности, частоты, фазы или поляризации колебания несущей частоты в соответствии с информационным сигналом, предназначенным для передачи по связному каналу. Оптический канал связи вследствие высокой несущей частоты обладает большой информативностью. Это свойство позволяет реализовать передачу сверхширокополосной информации. В видимом и ближнем инфракрасном участках оптического диапазона (10¹⁴ — 8*10¹⁴ Гц) принципиально возможны полосы частот модуляции с верхним пределом 10¹¹…10¹² Гц. Для передачи больших объемов информации необходимы широкополосные оптические модуляторы.

Метод модуляции светового сигнала выбирается в каждом конкретном случае в зависимости от вида передаваемой информации и требований, предъявляемых к интенсивности светового потока, мощности модулирующего сигнала, коэффициенту модуляции, импульсному или непрерывному режиму работы и т. д. К оптическим модуляторам предъявляются следующие основные требования: широкополосность, линейность модуляционной характеристики, большой динамический диапазон, отсутствие нелинейных искажений и экономичность в потреблении энергии.

Методы модуляции излучения оптических квантовых генераторов делятся на два класса: методы внутренней модуляции и методы внешней модуляции. Под внутренней модуляцией подразумевается воздействие на когерентный сигнал в процессе его генерирования, т. е. внутренняя модуляция воздействует на сигнал несущей частоты в самом генераторе. При внешней модуляции излученный свет подвергается воздействию вне лазера. Чаще всего сигналы, несущие информацию, влияют тем или иным образом на вещество, через которое проходит выходящий из лазера луч.

Методы модуляции обычно классифицируются по изменяемому параметру модулируемого сигнала. В оптических системах возможны амплитудная, частотная, фазовая и поляризационная модуляции. Модуляция интенсивности излучения может рассматриваться как частный случай амплитудной. В оптических системах связи применяются два режима модуляции: без поднесущей и с поднесущей. В первом режиме несущая (собственно излучение лазера) модулируется непосредственно информационным сигналом. Во втором режиме информационным сигналом модулируется СВЧ поднесущая, а затем последняя модулирует оптическую несущую.

В оптическом диапазоне волн, как и в радиодиапазоне, широко используются аналоговая, импульсная и цифровая модуляции. При аналоговой модуляции непрерывному изменению амплитуды информационного сигнала соответствует плавное изменение амплитуды, частоты, фазы или интенсивности колебания несущей частоты (аналоговые AM, ЧМ, ФМ, МИ). Аналоговая поляризационная модуляция (аналоговая ПМ) может быть двух видов: линейная и круговая (циркулярная). При линейной ПМ угол вектора поляризации линейно-поляризованного колебания по отношению к опорному направлению пропорционален амплитуде информационного сигнала; при круговой ПМ отношение интенсивностей несущего колебания правого и левого круговых поляризованных состояний пропорционально амплитуде информационного сигнала.

При импульсной модуляции амплитуда, частота несущей или интенсивность оптических импульсов изменяются пропорционально отсчету амплитуды информационного сигнала (АИМ, ЧИМ, ИМИ). Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) характеризуется изменением длительности оптического импульса в соответствии с изменением отсчета амплитуды информационного сигнала (начало импульса соответствует моменту отсчета). Позиционно-импульсная модуляция (ПИМ) характеризуется временной задержкой сигнального оптического импульса относительно опорного, пропорциональной отсчету амплитуды информационного сигнала. При счетно-импульсной модуляции (СИМ) число оптических импульсов короткой длительности, укладывающихся в эталонный временной интервал, пропорционально отсчету амплитуды информационного сигнала.

При цифровой модуляции каждому квантованному по времени и амплитуде отсчету информационного сигнала сопоставляется дискретная группа символов или код. Обычно кодовый набор представляет собой двоичную последовательность (единицы и нули), соответствующую определенной цифре, равной квантованному значению амплитуды информационного отсчета. Такое кодирование информации называется кодово-импульсной модуляцией (КИМ). При двоичной КИМ сигналы двоичной последовательности различаются по амплитуде (интенсивности), частоте, фазе или поляризации. Так, КИМ-МИ (КИМ-AM) при передаче единицы или нуля кодового набора характеризуется различными значениями интенсивности (амплитуды) оптического колебания (например, при передаче единицы интенсивность максимальна, при передаче нуля — минимальна). При КИМ-ЧМ единице кодового набора соответствует одно значение частоты несущего оптического колебания, нулю — другое значение. При кодово-импульсной фазовой модуляции (манипуляции) КИМ-ФМ фаза несущего оптического колебания манипулируется по отношению к опорной фазе на фазовый угол, равный нулю или я рад в соответствии с единицей или нулем кодового набора. Кодово-импульсную поляризационную модуляцию (манипуляцию) КИМ-ПМ можно осуществить в двух вариантах: линейно-ортогональном и циркулярно-ортогональном. В первом случае единицы или нули различаются линейными ортогональными поляризациями оптического излучения (например, вертикальная поляризация соответствует единице, горизонтальная — нулю). Во втором случае единице соответствует правая круговая поляризация, а нулю левая. Ниже показана классификация методов оптической модуляции.

Классификация методов оптической модуляции

В оптическом диапазоне указанные методы модуляции реализуются на основе различных физических принципов. Для модуляции интенсивности и амплитуды излучения используются электрооптический, пьезоэлектрический и акустооптический эффекты, а также эффект фотоупругости. Кроме того, вариации поглощения в средах и изменения мощности накачки лазеров (особенно полупроводниковых) также приводят к модуляции интенсивности оптического излучения. Частотную модуляцию оптического колебания можно получить при помощи эффектов Зеемана и Штарка, при вариациях длины резонатора лазера, а также при помощи пьезоэлектрического, акустооптического, магнитооптического и электрооптического эффектов. Для реализации фазовой и поляризационной модуляций используют магнитооптический и электрооптический эффекты.

Определенными достоинствами обладает внутренняя модуляция лазеров, при которой модулирующий элемент помещается внутрь резонатора лазера. При этом изменяются оптическая длина резонатора или его потери, что приводит к частотной или амплитудной модуляции света, генерируемого лазера. При совпадении частот модуляции и межмодовых биений генерируются либо короткие импульсы, либо частотно-модулированный сигнал с большой девиацией частоты.

Далее рассматриваются принципы модуляции и некоторые конструктивные варианты модуляторов, нашедшие наиболее широкое применение в оптических системах связи.

На рисунке 2 показана типовая конфигурация оптической антенной системы передатчика, которая формирует в пространстве коллимированный пучок кругового сечения. Вследствие явления дифракции расхождение луча в дальней зоне обратно пропорционально диаметру апертуры оптической антенны передатчика. На больших расстояниях от передатчика диаметр сечения идеально коллимированного луча пренебрежимо мал по сравнению с размером сечения дифрагированного луча.

Схемотехническое изображение типовой оптической антенны.

Взаимонаведение систем связи может осуществляться как вручную (юстировка, установка приемо-передающих блоков соосно друг другу), так и автоматически (автоматизированная система наведения).

1.3 Выбор основных функциональных блоков

Функциональная схема состоит из следующих блоков [3]:

— блок обработки принимает сигналы от различных стандартных устройств (телефона, факса, цифровой АТС, локальной компьютерной сети) и преобразует их в приемлемую для передачи лазерным модемом форму;

— преобразованный сигнал передается электронно-оптическим блоком в виде инфракрасного излучения;

— на приемной стороне собранный оптической системой свет падает на фотоприемник, где преобразуется обратно в электрические сигналы;

— усиленный и обработанный электрический сигнал поступает на блок обработки сигналов, где восстанавливается в первоначальном виде.

1, 11 — телефон; 2, 12 — факс; 3,13 — цифровая АТС;

4, 14 — локальная компьютерная сеть; 5, 10 — блок обработки сигналов; 6 — электронно-оптический блок; 7 — фотоприемник;

8 — преобразователь; 9 — усилитель Функциональная схема системы связи Передача и прием осуществляются каждым из парных модемов одновременно и независимо друг от друга. Лазерные модемы устанавливаются таким образом, чтобы оптические оси приемопередатчиков совпадали. Основную сложность представляет собой юстировка направления оптических осей приемопередатчиков. Угол расходимости луча передатчика составляет у разных моделей от нескольких угловых минут до 0,5^o, и точность юстировки должна соответствовать этим значениям.

После установки приемопередающих блоков необходимо подключить их к кабельным сетям в обоих зданиях. Существует множество моделей устройств с самыми разнообразными интерфейсами, однако, в отличие от поставщиков оборудования для радиосвязи, производители систем беспроводной оптики придерживаются следующей общей идеологии подключения: линия лазерной связи представляет собой эмуляцию отрезка кабеля (две витые пары или две жилы оптического кабеля). Таким образом, для всех устройств, используемых в кабельной сети связываемых зданий, эта линия не видна; она не накладывает каких-либо ограничений на оборудование, не требует дополнительных протоколов связи или изменений / дополнений к таким протоколам. Передача сигналов по беспроводному оптическому соединению осуществляется так же, как по оптическому волокну. Различаются лишь среды, в которых распространяется луч.

Связанные при помощи беспроводной оптики локальные сети функционируют так, как если бы их соединили выделенным кабелем. Некоторые модели лазерных модемов имеют совмещенные интерфейсы к сети Ethernet и потокам Е1. В результате одна атмосферная линия связи может соединить LAN и телефонные сети зданий без использования мультиплексора.

Важнейшее свойство беспроводной оптической связи — высокая степень защищенности канала от несанкционированного доступа. Это является следствием самой природы лазерной передачи сигнала, а не обеспечивается какими-либо специальными методами. Осуществить перехват канала технически весьма трудно — в силу острой направленности луча и применения уникального для каждой модели метода кодирования информации импульсами излучения. Тем не менее для обнаружения попыток несанкционированного доступа разработан ряд мер, основанных на разнообразных принципах — обращения волнового фронта, анализа изменения принимаемого сигнала и др., что еще больше повышает защищенность канала связи.

Рабочая длина волны, скорость передачи информации и другие особенности работы системы связи (такие, например, как место расположения передатчика или приемника — на Земле или на борту космического аппарата) определяют природу функциональных зависимостей между главными параметрами системы и расходами на компоненты системы. На практике эти зависимости моделируются степенными рядами, что облегчает выкладки и вычисления.

Антенна передатчика. Вес и стоимость изготовления оптической антенной системы передатчика зависят от диаметра антенны. Обычно антенна передатчика проектируется так, чтобы расходимость луча определялась дифракционным пределом. Этим самым достигается максимальная пространственная плотность мощности на приемнике. Для малых передающих антенн вес их пропорционален площади и, следовательно, пропорционален квадрату диаметра. Для больших антенн, если последние снабжены оборудованием, обеспечивающим необходимую жесткость конструкции для работы на дифракционном пределе, вес пропорционален объему.

Приемная антенна. Вес и стоимость изготовления оптической системы приемника зависят от диаметра антенны. Поскольку приемная антенна не всегда проектируется для условий работы на дифракционном пределе, ее конструкция и точность поддерживающей механической структуры не так жестко и напряженно связаны, как для передающей антенны.

Система нацеливания антенны передатчика. Типичная система нацеливания состоит из блока карданова подвеса, на который монтируется антенна передатчика, и соответствующей системы управления, которая нацеливает антенну в сторону приемника. Вес системы нацеливания антенны передатчика относительно слабо зависит от точности нацеливания; ее вес пропорционален весу антенны передатчика, который, в свою очередь, зависит от диаметра антенны передатчика. Стоимость изготовления оборудования нацеливания обратно пропорциональна ошибке нацеливания передатчика. Ошибка нацеливания обычно определяется в процентах от ширины луча передатчика. Так как антенна передатчика изготавливается, исходя из условий работы на дифракционном пределе, то стоимость изготовления оборудования нацеливания пропорциональна диаметру апертуры передатчика. Требуемая электрическая мощность для системы нацеливания антенны передатчика в основном зависит от веса антенны.

Система нацеливания антенны приемника. Вес системы нацеливания приемника слабо зависит от точности нацеливания приемника; ее вес пропорционален весу антенны приемника, который, в свою очередь, зависит от диаметра приемной антенны. Стоимость изготовления оборудования нацеливания приемника обратно пропорциональна величине ошибки нацеливания приемника. Последняя определяется в процентах от поля зрения приемника. Величина мощности, требуемой для обеспечения функционирования системы нацеливания приемника, в основном зависит от веса приемной антенны.

Передатчик. Для данной длины волны излучения (в определенных пределах) вес и стоимость лазерного передатчика зависят от мощности передатчика. Требуемая электрическая входная мощность прямо пропорциональна выходной мощности передатчика.

Система энергообеспечения передатчика. Стоимость изготовления и вес системы электрического энергообеспечения и аппаратуры преобразования энергии в передатчике зависят от потребляемой электрической мощности системы нацеливания антенны, передатчика и модулятора.

Система энергообеспечения приемника. Стоимость изготовления и вес системы электрического энергообеспечения и аппаратуры преобразования зависят от требуемых мощностей системы нацеливания и аппаратуры связного приемника.

Анализ канала связи. Влияние фонового излучения. Уровень фонового излучения характеризуется спектральной плотностью мощности, приходящейся на единицу частоты и на единицу телесного угла. Мощность фонового излучения на входе оптического приемника находится интегрированием фоновой спектральной облученности по полосе входного фильтра и по полю зрения приемника.

Влияние атмосферы. При распространении оптических сигналов в атмосфере наблюдаются потери, обусловленные поглощением и рассеянием излучения частицами атмосферы. Эти потери количественно характеризуются коэффициентом пропускания атмосферы т_а, значение которого зависит от рабочей длины волны. В случае использования гетеродинного или гомодинного оптического приемника необходимо помнить, что турбулентность атмосферы накладывает предел на размер приемной апертуры.

Оценка системы связи. Вероятность ошибочного приема. Для каждого типа приемника вероятность ошибочного приема может быть выражена в зависимости от мощности лазерного передатчика, диаметра антенны передатчика, диаметра антенны приемника, поля зрения приемника, параметров приемника, уровня фонового излучения, температуры приемника, полосы пропускания приемника, характеристик трассы канала, рабочей длины волны и дальности связи.

2. Оптический передатчик на основе СО₂-лазера

2.1 Высокочастотное возбуждение активной среды

Газовый лазер — лазер с активной средой в виде газов, паров или их смесей. Как и всякий лазер, газовый лазер содержит активную среду, обладающую усилением на одной или нескольких линиях в оптическом диапазоне спектра, и оптический резонатор (в простейшем случае состоящий из двух зеркал, между которыми помещена активная среда).

Особенности газового лазера определяются свойствами активной среды, плотность которой меняется в широких пределах (давление от 10^-3 мм рт. ст. до десятков атмосфер), однако она значительно меньше, чем в конденсированных средах. По этой причине газовая активная среда в большинстве случаев прозрачна в широкой области спектра и обладает узкими линиями поглощения и излучения. Газовые лазеры могут генерировать узкие линии излучения, лежащие в широкой области спектра, в т. ч. и в далекой коротковолновой (где нет прозрачных конденсированных сред). Газовые лазеры позволяют получать предельно узкие и стабильные линии генерации. Малая плотность активной среды определяет малость температурных изменений показателя преломления. Это позволяет сравнительно легко получать с газовым лазером предельно малую (дифракционную) расходимость излучения. Многообразие физических процессов, приводящих к образованию инверсии населенностей, создает большое разнообразие типов, характеристик и режимов работы газового лазера. Возможность быстрой прокачки газовой активной среды через оптический резонатор позволила в газовом лазере достичь рекордно больших средних мощностей излучения.

Газовые лазеры, работающие в непрерывном и импульсном режимах, существенно различаются как конструктивно, так и по характеристикам. Для непрерывной генерации требуется, чтобы механизм накачки обеспечивал стационарную во времени инверсию населенностей уровней рабочего перехода. Для этого необходимо эффективное возбуждение верхнего и возможно быстрый распад (опустошение) нижнего уровней. В импульсном режиме можно обеспечить высокую скорость накачки и легче избежать перегрева активной среды.

По характеру возбуждения активной среды газовые лазеры принято подразделять на следующие классы: газоразрядные лазеры, газовые лазеры с оптическим возбуждением, газовые лазеры с возбуждением заряженными частицами, газодинамические лазеры, химические лазеры. По типу переходов, на которых возбуждается генерация газового лазера, различают газовые лазеры на атомных переходах, ионные лазеры, молекулярные лазеры на электронных, колебательных и вращательных переходах молекул и эксимерные лазеры.

По механизмам образования инверсии населенностей выделяют газовые лазеры с возбуждением электронным ударом, с передачей возбуждения от частиц вспомогательных газов, рекомбинационные газовые лазеры, газовые лазеры с прямым оптическим возбуждением, фотодиссоциационные газовые лазеры и др. В ряде случаев реализуются комбинированное возбуждение и сложные механизмы инверсии. С газового лазера получена генерация на более чем 6000 отдельных линиях в очень широкой области спектра от вакуумного УФ до субмиллиметровых волн. Газовому лазеру посвящается примерно половина научных публикаций по лазерам, из них более 60% - газоразрядным лазерам. Конструктивные особенности, мощность генерации, кпд и др. характеристики газового лазера меняются в очень широких пределах. Большое число газовых лазеров различных типов выпускается серийно.

Лазерным источником излучения, который легко можно изготовить в виде, пригодном для использования в оптической связи, является четырехуровневый газовый лазер на углекислом газе, работающий на длине волны 10,6 мкм. Как и в большинстве газовых лазеров, верхний лазерный уровень заселяется прямо или косвенно за счет электронного возбуждения в газовом разряде. При низких давлениях, скажем, приблизительно 1/10 атмосферы (или 104 Па), может использоваться либо разряд, возбуждаемый постоянным током, либо радиочастотный тлеющий разряд. Самое важное заключается в том, чтобы получить однородный и непрерывный разряд во всем объеме активной среды. Для получения очень коротких лазерных импульсов (менее 1 нс) были разработаны сложные методы накачки, связанные с использованием разрядов высокой мощности, а для получения очень высокой мощности в непрерывном режиме (более 100 кВт) — методы непрерывной накачки газового потока. В качестве источника излучения для целей связи самым подходящим оказалось компактное отпаянное устройство, способное давать от нескольких ватт до нескольких десятков ватт мощности в непрерывном режиме излучения в легко модулируемой форме. С этой целью был специально разработан конкретный тип волноводного лазера. Перед рассмотрением некоторых особенностей этой конструкции остановимся на физических основах работы лазера на углекислом газе.

В большинстве лазеров на СО₂ используется смесь углекислого газа, азота и гелия в пропорции приблизительно 1:2:3 соответственно. Существенную роль, которую играет азот в эффективном возбуждении верхнего лазерного уровня, можно видеть на упрощенной диаграмме электронных энергетических уровней. Колебательные уровни азота являются метастабильными, в результате чего наиболее вероятный способ снятия возбуждения состоит в резонансной передаче при столкновении с находящейся в основном состоянии молекулой СО₂, которая, таким образом, возбуждается до уровня 00° 1. Следует отметить, что с каждым колебательным уровнем связано большое количество близко расположенных, высокоэнергетических вращательных состояний. В результате могут возбуждаться многие лазерные переходы в области 10,6 и 9,6 мкм, а также на близлежащих длинах волн. Близость лазерного энергетического уровня к основному наряду с высокой вероятностью возбуждения уровня 00°1 делают СО₂-лазер очень эффективным, причем вполне достижим общий КПД свыше 10%. Однако это является причиной ограничения выходной мощности, так как при нагревании газа уровень 01⁰1 становится термически заселенным, что препятствует снятию возбуждения с нижнего лазерного уровня. Здесь более предпочтительным является гелий, так как за счет хорошей теплопроводности он способствует охлаждению разряда, а благодаря снятию возбуждения в результате столкновения молекул населенность нижнего лазерного уровня уменьшается быстрее. Достоинством гелия является еще и то, что путем изменения его давления можно осуществлять некоторое управление распределением энергии электронов в разряде, а это может использоваться для получения максимальной скорости возбуждения на верхний энергетический уровень.

Прикладываемое к модулятору напряжение изменяет плоскость поляризации излучения в резонаторе, а следовательно, и пропорциональную часть выводимой с помощью дифракционной решетки выходной мощности. Более эффективно использовать внутрирезонаторную, а не внешнюю модуляцию, которая требует меньших модулирующих напряжений.

Принцип генерации когерентных «оптических колебаний квантовыми генераторами основан на явлении вынужденного или индуцированного излучения. Именно «вынужденность» излучения обусловливает высокую степень когерентности генерируемых колебаний, направленность и большую спектральную плотность мощности. Механизм вынужденного излучения квантовыми системами можно строго объяснить с позиций квантовой электродинамики. Упрощённое объяснение основано на методе определения коэффициентов вынужденного и спонтанного излучения, разработанном первые Альбертом Эйнштейном. Ниже на основе последнего метода выводятся соотношения инверсной населенности, а также условия самовозбуждения и генерации оптического квантового генератора (ОКГ).

Рассмотрим систему частиц (атомов, молекул или ионов), находящихся в состоянии термодинамического равновесия. Обозначим общее число частиц, составляющих систему, через N₀. Пусть система характеризуется, среди прочих других, двумя энергетическими уровнями E₁ и Е₂. Населенность этих энергетических уровней обозначим через N₁ и N₂ (населенность энергетического уровня равна числу частиц с данной энергией в единице объема). Согласно закону Больцмана населенности этих энергетических уровней при термодинамическом равновесии выражаются как

где Т — абсолютная температура, К; k — постоянная Больцмана.

Эти формулы не учитывают степени вырождения уровней. Соотношение населенностей имеет вид:

где .

Температура, выраженная через отношение населенностей уровней, определяется:

.

Согласно этому (соотношению на более высоком энергетическом уровне (например, Е₂) при термодинамическом равновесии всегда находится меньшее число частиц (т.е. <). Такое состояние характеризуется положительной температурой Т > 0 К. Если система частиц подверглась внешнему воздействию и частицы перераспределились так, что на верхнем энергетическом уровне их число стало больше, чем на нижнем, т. е. >состояние системы характеризуется «отрицательной» температурой Т < 0 К.

Разумеется, в природе отрицательных температур не существует, и такое определение является чисто условным. Состояние системы частиц с условно отрицательной температурой называется состоянием с инверсной (обратной) населенностью.

Спонтанные и вынужденные переходы.

Особенности квантовых переходов частиц между энергетическими уровнями легче всего рассмотреть на примере простейшей двухуровневой системы, помещенной в резонансную полость.

а) резонансное поглощение; б) спонтанное излучение; в) вынужденное излучение.

Типы квантовых переходов При переходе частицы на более высокий энергетический уровень ее энергия возрастает; соответственно на такую же величину уменьшается энергия внешнего поля. Этот квантовый переход называется переходом с резонансным поглощением.

Интенсивность резонансных переходов, очевидно, должна зависеть от плотности энергии внешнего поля, числа частиц на нижнем уровне и специфических свойств частиц, участвующих в переходах. Тогда число переходов из состояния Е₁ в состояние Е₂ за время dt составит:

Здесь — спектральная плотность энергии в полости, B₁₂ — коэффициент Эйнштейна вынужденного (резонансного) поглощения для отдельной частицы.

В отсутствие внешнего поля частицы могут переходить с более высокого уровня на более низкий спонтанно. При этом генерируется спонтанное излучение. Число спонтанных переходов за время dt определяется выражением:

где А₂₁ — коэффициент Эйнштейна для спонтанного излучения (вероятность спонтанного перехода в единицу времени для отдельной частицы). Среднее время жизни частицы в возбужденном состоянии обратно пропорционально вероятности перехода:

Спонтанное излучение является некогерентным.

Внешнее электромагнитное поле индуцирует переходы частиц с высшего энергетического уровня на низший. Эти так называемые вынужденные переходы сопровождаются испусканием квантов. Особенностью вынужденных переходов является то, что внешнее поле «навязывает» испускаемым квантам свою частоту, направление распространения и поляризацию. В свою очередь, испускаемые кванты «поддерживают» (усиливают) внешнее поле. Этот взаимосвязанный процесс обусловливает генерирование когерентного излучения. Число вынужденных переходов в течение времени dt также зависит от плотности внешнего поля, числа частиц на верхнем уровне и коэффициента Эйнштейна вынужденного испускания кванта:

Полное число излучательных переходов составляет:

Следовательно, под воздействием внешнего электромагнитного поля генерируется излучение, состоящее из спонтанного и вынужденного излучений; последнее является когерентным. В равновесном состоянии системы интенсивности переход «ввepx» и «вниз» (12) равны:, поэтому:

.

Откуда получим:

Сравнивая последнее выражение с соотношением населенностей по закону Больцмана, получаем выражение для плотности энергии:

Из физических соображений следует, что при. Тогда, полагая знаменатель последнего выражения равным нулю, находим .

При статистическом равновесии излучение внутри полости характеризуется спектральной плотностью энергии, которая определяется формулой Планка:

где Т — температура стенок полости.

Сравнивая выражения для плотностей энергии, получаем:

Коэффициент Эйнштейна А₂₁ для конкретных веществ можно определить экспериментально. Зависимость между коэффициентами Эйнштейна для вынужденных и спонтанных переходов В₂₁ и А₂₁ дает количественное соотношение интенсивностей вынужденного и спонтанного излучений и является основой теории когерентной генерации оптических квантовых генераторов.

2.2 Выбор конструкции излучателя

В лазерах применяется открытый оптический резонатор. Резонатор состоит из двух отражающих поверхностей между которыми помещается активное вещество. В качестве отражающих поверхностей используют зеркала различной формы — плоские, сферические и др. Расстояние между зеркалами может составлять от десятых долей миллиметра (полупроводниковые лазеры) до десятков метров (газовые лазеры на двуокиси углерода). Наибольшее распространение получили следующие оптические резонаторы: плоскопараллельный, с большим радиусом кривизны, конфокальный, сферический, вогнуто-выпуклый, полусферический и полуконфокальный. Тип оптического резонатора определяет частотный спектр и пространственное распределение поля выходящей из резонатора волны.

Для вывода энергии из резонатора применяют частично отражающие зеркала. Высокодобротные резонаторы характеризуются коэффициентом отражения зеркал более 99%. Главной функцией оптического резонатора в лазере является то, что он осуществляет положительную обратную связь. Часть распространяющегося внутри резонатора излучения отражается зеркалами и возвращается обратно в активную среду, что приводит к дополнительному усилению излучения. Положительная обратная связь, а следовательно, и режим генерации определяются соответствующей фазировкой отраженной волны. Кроме того, для генерации необходимо, чтобы усиление в активной среде компенсировало потери излучения.

Такие свойства генерируемого излучения как когерентность и направленность определяется в основном резонатором. Оптический резонатор является селектирующим устройством. Бегущие в противоположных направлениях волны образуют стоячую волну. Именно благодаря образованию стоячих волн в резонаторе, размер которого во много раз превышает длину волны излучения, генерация осуществляется только на определенных частотах. Следовательно, из контура усиления активного вещества выделяются волны определенной длины. Условие образования стоячих волн можно зависать в виде:

где q — целое число (обычно от 10⁵ до 10⁶); - длина волны излучения внутри резонатора; L — расстояние между зеркалами. Таким образом, расстояние между зеркалами должно быть равно целому числу полуволн.

Условие резонанса может выполняться и для волн распространяющихся под некоторыми дискретными углами к оси резонатора:

где — угол между направлением распространения колебаний и осью резонатора. Частота резонансов осевых (продольных) типов колебаний (мод) определяется выражением:

.

По мере увеличения угла наклона распространения волны по отношению к осевому направлению возрастают потери для данного типа колебаний. Условие генерации для этих колебаний выполняется все хуже, интенсивность их мала. Здесь показаны кривая усиления, резонансные частоты и моды резонатора, на которых осуществляется генерация.

а) схема регенеративного генератора света; б) многоходовая структура лазерного излучения: 1 — зеркало с высоким отражением; 2 — среда; 3 — полупрозрачное зеркало; 4 — выходное излучение лазера; 5 — усиление за один проход; 6 — неоднородная ширина; 7, 8, 9 — потери на модах ТЕМ₂₀, ТЕМ₁₀, ТЕМ₀₀ соответственно; 10, 11 — продольные моды ТЕМ₀₀, ТЕМ₁₀ соответственно; 12 — интенсивность выходного излучения лазера; 13, 14 — пространственное распределение моды ТЕМ₀₀, ТЕМ₁₀.

Лазер-генератор Как уже отмечалось, прирост мощности внутри резонатора за одно прохождение луча должен быть больше полных потерь в нем. Уровень полных потерь определяет пороговые значения мощности накачки, три которых возникает генерация, и уровень излучаемой мощности «во время генерации.

Основными потерями в резонаторе являются следующие:

— потери, обусловленные рассеянием на неоднородностях активной среды и посторонних включениях;

— потери в зеркалах резонатора, обусловленные частичным рассеянием и поглощением излучения (излучение, прошедшее через зеркало и далее используемое как полезный сигнал, является потерей для резонатора);

— дифракционные, обусловленные конечностью размеров зеркал (часть энергии излучения при отражениях теряется).

Кроме перечисленных, в резонаторе существуют и другие виды потерь: излучение через боковые стенки резонатора; потери на торцах активной среды; потери, обусловленные параллельностью зеркал, потери из-за дефектов отражающей. поверхности зеркал и др.

Добротность оптического резонатора выражается:

где — коэффициент полных потерь за одно прохождение волны в резонаторе. Расстояние, между резонансными частотами

.

Ширина резонансного пика резонатора зависит от добротности:

Теоретическая ширина спектральной линии излучения определяется предельной формулой Таунса:

где Р — мощность излучения на данной линии.

Предельная ширина спектральной линии при Р = 1 мВт, Гц и

= 0,63 мкм, = Гц. Однако практически такую ширину спектральной линии получить невозможно. Механические нестабильности, акустические вибрации, тепловой дрейф и ряд других причин приводят к изменениям длины резонатора, что существенно увеличивает ширину линии излучения.

На рисунке. 6 изображен спектр излучения газового ОКГ. Здесь — естественная ширина кривой усиления активного вещества при учете допплеровского уширения; v_q — частоты мод резонатора (аксиальные моды); - реальная ширина линии излучения, обусловленная резонансными явлениями в генераторе (гораздо больше теоретической ширины линии генерации); - расстояние между резонансами резонатора Фабри — Перо; v_p — ширина резонансного пика резонатора.

Спектр излучения газового ОКГ В реальном оптическом резонаторе, представляющем собой открытую резонансную систему с зеркалами конечного размера распределение поля является сложным. Пространственное распределение поля на зеркалах зависит от формы последних и конфигурации резонатора. Строгий метод нахождения распределений полей основан на решении уравнений Максвелла с нулевыми начальными данными и граничными условиями на зеркалах. Для расчета стационарных распределений амплитуды и фазы на поверхности зеркал А. Фокс и Т. Ли применили метод последовательных итераций. Сущность метода состоит в нахождении распределений поля после многократных прохождений излучения внутри резонатора. Если задаться произвольным распределением поля на зеркалах, то после значительного числа прохождений (более 300) распределение становится стабильным (стационарным) и полностью определяется конфигурацией резонатора.

В резонаторе существует несколько различных видов распределений, называемых нормальными типами колебаний (модами). Моды характеризуются определенным распределением амплитуд и фаз по поверхности зеркал и определенным набором частот. Каждой частоте соответствует определённое число полуволн, укладывающихся по длине резонатора. Моды принято обозначать как TEM_mnq, где т и п — целые числа, равные 0, 1, 2… и обозначающие число изменений знака поля на поверхностях зеркал; q — число полуволн, укладывающихся на длине резонатора. Индексы т и п называют поперечными, а q — продольным или аксиальным. Моды, характеризующиеся одними и теми же индексами т и п, но разными q, объединяются под общим названием поперечной моды. При этом фиксированному значению q соответствует определенное колебание, называемое продольной или аксиальной модой, относящейся к данной поперечной моде. Индекс q в обозначениях мод часто опускается.

Конфигурация поля нормальных типов колебаний для квадратных и круглых зеркал приведена на рисунке 7.

В оптическом резонаторе условия возбуждения «различных мод различны. В первую очередь возбуждаются моды с наименьшими потерями, т. е. моды для которых распределение амплитуды достигает максимума в центре и наиболее круто спадает к краям зеркал (с минимальными дифракционными потерями). Эти моды называются основными и обозначаются ТЕМ_оо.

а) первые девять мод резонатора с квадратными зеркалами (поляризация света указана стрелками; изменение интенсивности вдоль зеркала показана сбоку; с увеличением индекса моды тп дифракционные потери возрастают); б) первые девять мод (резонатора с круглыми зеркалами (индексы характеризуют радиальное и угловое распределения поля).

Конфигурация полей на зеркалах оптических резонаторов

2.3 Модуляция излучения

Процесс модуляции состоит в изменении амплитуды, интенсивности, частоты, фазы пли поляризации колебания несущей частоты в соответствии с информационным сигналом.

Методы модуляции колебаний оптических частот отличаются от соответствующих методов для колебаний частот радиодиапазона, прежде всего, из-за характеристик и ограничений устройств, используемых для осуществления процесса модуляции. Многие модуляторы оптического диапазона осуществляют модуляцию оптической несущей по интенсивности (квадрат амплитуды электрического поля. Далее, так как оптические детекторы реагируют на интенсивность оптического колебания, аналоговая амплитудная модуляция находит ограниченное применение вследствие существенной нелинейной зависимости между модулирующим сигналом и сигналом на выходе детектора. В оптическом диапазоне существуют фазовые модуляторы, однако, их применение сильно ограничивается возможностями демодуляции; последнее обстоятельство обусловлено частотными нестабильностями, как передающего устройства, так и местного гетеродинного генератора приемника. В оптическом диапазоне легко осуществим способ поляризационной модуляции.