Стр. 1 Лазеры в технике связи 1

1.3.1 Детекторы оптического диапазона


Все детекторы можно подразделить на тепловые, реагирующие на суммарную мощность падающего излучения и фотонные.
Тепловые детекторы в системах связи использовать нельзя, поскольку они реагируют на суммарную падающую мощность и не могут выделить информацию из модулированного потока излучения.
К фотонным детекторам относятся фотодетекторы с внешним и внутренним фотоэффектами. К детекторам с внешним фотоэффектом относятся электростатические фотоэлектронные умножители (ФЭУ), динамические ФЭУ со скрещенными полями, вакуумные фотоэлементы, фото – клистроны, фото – ЛБВ.
Большой интерес представляют фотодетекторы ЛБВ, в которых фотоэлемент совмещен с усилителем бегущей волны. Эти приборы имеют широкую полосу и представляют собой весьма перспективные демодуляторы оптических сигналов. Чувствительность их значительно выше, чем у других высокочастотных фотоэмиссионных приемников. Поэтому большинство работ по фотоэмиссионным приемникам посвящено именно фото – ЛБВ. Например, предлагается использовать фото – ЛБВ для когерентного приема оптических сигналов. Схема приемного устройства показана на рисунке 1.9.

Рисунок 1.9 – Приемник оптического диапазона с ЛЬВ

Устройство содержит источник входного сигнала 1, фильтры 2, отверстия 3 для ввода излучения на фотокатод 4, замедляющую систему 5, нагрузку фотоприемника 6, местный гетеродин оптического диапазона 7 и источники питания 8. Особенностью этого приемника является устройство фотокатода, выполненного в виде оптического резонатора. Фотокатод подвергается воздействию модулированного сигнала, приходящего от внешнего источника, и сигнала местного гетеродина оптического диапазона. Поскольку характеристика фотокатода нелинейная, фототок содержит компоненты с комбинационными частотами, из которых в дальнейшем используются только компоненты разностной частоты. Фототок с помощью электронно-оптического устройства направляется во вторую секцию прибора, которая представляет собою обычную ЛБВ СВЧ – диапазона, где происходит усиление сигнала разностной частоты.

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