Стр. 1 Лазеры в технике связи 1

Содержание
Стр.

Введение 1
1 Лазеры в технике связи 1
1.1 Системы связи оптического диапазона 1
1.2 Модуляционные устройства для оптической связи 7
1.2.1 Амплитудные модуляторы для внешней модуляции 7
1.2.2 Амплитудные модуляторы для внутренней модуляции. 11
1.2.3 Методы частотной модуляции лазеров. 12
1.3 Приёмники излучения 13
1.3.1 Детекторы оптического диапазона 19
1.4 Световодные линии связи 24
1.4.1 Основные типы световодов 25
1.4.2 Световые лучеводы 26
1.4.3 Волоконные волноводы 27
1.4.4 Газовые волноводы 28
1.4.5 Оптические микроволноводы 29
2 Применение лазеров в радиолокационных системах 30
Список использованных источников 35

Введение

1 Лазеры в технике связи

1.1 Системы связи оптического диапазона

В общем виде структурные схемы систем связи оптического диапазона и радиодиапазонов аналогичны. Как показано на рисунке 1.1, генератор оптического диапазона 1 вместе с модулятором 2 и генератором накачки 3 выполняет функции передатчика радиодиапазона. Излучатель 4 на передающей стороне и коллектор 5 на приемной служат передающей и приемной антеннами. Оптический квантовый усилитель 6, преобразователь световых колебаний в электрические сигналы информации 7 (модулирующий сигнал) и усилители этих сигналов 8 образуют приемник. Устройства точного нацеливания 9 служат для, совмещения оптической оси всех элементов линии. Источник передаваемой информации 10 и оконечное устройство 11, стоящее на выходе приёмника, могут быть любого типа. В оптических линиях связи могут применяться помехоустойчивые виды модуляции. Может быть построена и аппаратура уплотнения нескольких телевизионных каналов [1].

Рисунок 1.1 - Оптическая система связи
Недостаток оптической системы связи с амплитудной модуляцией световой несущей состоит в значительных нелинейных искажениях, вызываемых работой оптического модулятора. Эти, искажения обусловлены нелинейностью модуляционных характеристик оптических модуляторов и практически неустранимы.
Предложена система связи с частотно-модулированной поднесущей, которая позволяет почти полностью избавиться от нелинейных искажений оптического модулятора. В этой системе связи используется частотная модуляция (ЧМ) передаваемым сигналом вспомогательной поднесущей. Частота поднесущей выбирается в районе радиодиапазона или диапазона СВЧ. Полученный ЧМ - сигнал используется для амплитудной модуляции излучения лазера при помощи стандартного оптического модулятора.
На приемной стороне передаваемый сигнал детектируется фотодетектором, и после усиления подается на амплитудный ограничитель для устранения паразитной амплитудной модуляции. Далее полученный сигнал поступает на частотный детектор, на выходе которого получается исходный сигнал. Нелинейность характеристики оптического модулятора практически не вызывает нелинейных искажений передаваемого сигнала при применении ограничителя.
Для передачи информации на большие расстояния с целью уменьшения ослабления сигнала используют ретрансляторы. Ретранслятор представляет собой фотоприемник, усилитель-ограничитель и лазер, излучение которого модулируется сигналом с выхода усилителя-ограничителя. Ретрансляторы повышают дальность оптической связи. Другой эффективный способ повышения дальности оптических линий связи — использование световодов.
Перспективными системами связи оптического диапазона являются системы с импульсной модуляцией и импульсным режимом работы оптического квантового генератора. Такие системы позволяют с чрезвычайно высокой скоростью передавать информацию во время излучения каждого импульса. В рассматриваемой системе информация, подлежащая передаче, регистрируется в запоминающем входном устройстве и подводится к модулятору света, размещенному на пути светового пучка лазера и обеспечивающему импульсно-кодовую модуляцию. При этом соответствующие схемы синхронизируют передачу информации запоминающим устройством от световых импульсов лазера.
Световые импульсы доходят до приемного устройства, детектируются фотодетектором и передаются демодулятору, который преобразует их в электрические сигналы, соответствующие сигналам, зарегистрированным в запоминающем устройстве. Это устройство соединено со схемой синхронизации, а также читающими устройствами.



Рисунок 1.2 - Оптическая система связи с импульсной модуляцией

Блок-схема системы связи с импульсной модуляцией показана на рисунке 1.2. Подлежащая передаче информация, представленная в виде звуковых или кодированных сигналов, преобразуется на передающей станции в электрические импульсы, используемые для модуляции импульсов когерентного света, излучаемых лазером, с помощью модулятора 2.

Конечная аппаратура передающей и приемной станций укомплектована стандартными кодирующими быстродействующими устройствами, поэтому промежуточные регистрирующие устройства 3 и преобразователи 4 могут использоваться при передаче и приеме. Блок 5 служит демодулятором.
В разработанной системе применялся рубиновый лазер с продолжительностью генерируемых импульсов приблизительно 0,0001 сек. Расхождение луча лазера составляет 0,05 град. Это позволяет установить устойчивую связь на большие расстояния между пунктами, расположенными на поверхности земли.
Импульсная оптическая система связи может применяться не только на расстоянии в пределах прямой видимости. Узкий световой пучок отражается облаками с хорошо определенными контурами, сооружениями и спутниками при связи за пределами прямой видимости.
С помощью такой системы оптической связи можно установить связь и через газовую плазму, в то время как через нее электромагнитные волны радиочастотного диапазона не проходят.
Система лазерной связи может так же использоваться для передачи информации через поверхность раздела воздух - море. Состояние поверхности моря, переменчивое из-за волн, характеризуется составляющими, частота которых находится в диапазоне волн радиосвязи. Поэтому трудно передавать сигналы, используя в качестве несущей электромагнитную волну, так как отношение сигнал/шум передачи сильно уменьшается.
При использовании в качестве источников световой несущей рубиновых лазеров следует учитывать, что они имеют значительно больший уровень шумов, чем газовые лазеры непрерывного действия. Достоинство рассматриваемой системы в том, что благодаря использованию помехоустойчивой импульсно-кодовой модуляции она допускает значительно больший уровень шума как в передающем, так и в приемном устройстве.
Как уже отмечалось, на работу наземных оптических линий связи значительное влияние оказывают атмосферные условия, ухудшающие параметры оптических линий. Воздействие атмосферы приводит к ослаблению энергии излучения и искажениям оптических сигналов при передаче информации. Это выражается во флуктуациях амплитуды и фазы, искажениях фронта волны, изменениях поляризации и т. д.
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