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