книги из ГПНТБ / Применения лазеров

На фиг. 1 приведено семейство линий, изображающих зависимость дифракционной расходимости оптического из­ лучения от длины волны для разных апертур передатчика. Более высокое усиление антенны в оптическом диапазоне не приводит, однако, непосредственно к соответствующему улучшению системы в целом. Причина этого лежит в раз­ личии характеров шума на оптических частотах и в радио­ диапазоне. Это различие, как показано ниже, приводит также к различию в способах формирования оптического и радиочастотного сигналов.

Второе преимущество лазерной связи — широкополосность — в настоящее время реализуется двумя путями: использованием коротких (субнаносекундных) импульсов и аналоговой непрерывной модуляцией излучения. Полоса частот при импульсной модуляции настолько широка, что в ней уложился бы весь спектр СВЧ; при этом не возникает никаких проблем, связанных с взаимными помехами, поскольку в оптическом диапазоне принципиально дости­ жимы и намного более широкие полосы. Даже многоканаль­ ные высокоинформативные лазерные системы связи, кото­

между ортогональными составляющими поля при круговой поляризации света.

В системах гетеродинного типа принимаемые лазерные сигналы смешиваются с излучением местного генератора (гетеродина). Возникающие при этом биения между несу­ щей частотой сигнала и частотой гетеродина приводят к колебаниям интенсивности суммарного светового потока с разностной (промежуточной) частотой. Фотодетектор

A

а

преобразует эти колебания в соответствующие электричес­ кие сигналы промежуточной частоты, которые после про­ хождения через УПЧ поступают на второй (теперь уже обыч­ ный радиотехнический) детектор. Из сигнала с этого детек­ тора извлекают полезную информацию.

В приемных устройствах систем второго типа с помощью фотодетекторов осуществляется прямое детектирование при­

324 Монт Росс

оптических и радиотехнических приемных устройств, относительная значимость в них усилителей, детекторов и гетеродинных преобразователей изменилась с привнесе­ нием квантовых эффектов при переходе из радиодиапазона в оптический. Вследствие этого закономерности и выводы, важные для радиотехники, не обязательно должны быть важными для оптических средств связи.

Целесообразно сначала рассмотреть прямое фотодетек­ тирование, поскольку до недавних пор это был единственно возможный способ приема. Данный способ заключается в детектировании падающей энергии в пределах спектраль­ ного диапазона чувствительности детектора. При этом ре­ зультирующий выходной сигнал отображает обусловлен­ ные модуляцией изменения мощности принимаемого излу­ чения. При прямом фотодетектировании вся информация об оптической частоте и фазе утрачивается. Детектор не реагирует на частотную или фазовую модуляцию оптичес­ кой несущей; он воспроизводит только амплитудные изме­ нения падающей мощности и то лишь при условии, что период этих изменений превышает его постоянную вре­ мени.

При прямом фотодетектировании в приемнике не раз­ личаются сигнальные и фоновые фотоны в пределах отно­ сительно широкого спектрального диапазона чувствитель­ ности приемника. Не возникает также никаких специальных требований к углу падения принимаемого излучения — лишь бы это излучение попадало на фоточувствительную площадку. Из сказанного следует, что для обеспечения спектральной избирательности «фотодетекторного» прием­ ника необходимо применять узкополосные светофильтры; а если требуется осуществить пространственную селекцию падающего излучения, то необходимо уменьшать поле зре­ ния приемной оптической системы.

Узость.спектральной линии лазерного излучения обес­ печивает возможность когерентного сложения оптических

теродинный или гомодинный приемник. (Прием назы­ вается гомодинным, если местный гетеродин работает на той же оптической частоте, что и передатчик.) На фиг. 3

326 Монт Росс

Обычно членами высших порядков можно пренебречь и получить хорошее приближение, положив е0= ае^, т. е. допустив, что выпрямитель является квадратичным детек­ тором. Большинство фотодетекторов — идеальные квадра­ тичные приборы, для которых члены высшего порядка в разложении (2) отсутствуют.

Было показано [45], что требования к пространственной ориентации волновых фронтов при фотосмешении являют-

Ф и г. 4. Совмещение фронтов принимаемого сигнала и сигнала гетеродина при фотосмешении.

ся гораздо более жесткими, чем при смешении в СВЧ-диа- пазоне. Основная причина этого заключается в том, что длина световой волны намного меньше размеров фоточув­ ствительной области, на которой осуществляется фотосме­ шение. Сигнал от местного гетеродина (фиг. 4) и принимае­ мый сигнал должны быть когерентны на всей чувствитель­ ной площадке фотоприемника. Если они не когерентны, то токи, обусловленные биениями, не будут синфазными

угол между фронтами гетеродинного и сигнального лучей должен быть не более IO“4 рад, в противном случае значи­

тельно ослабляется составляющая фототока, содержащая

разностную частоту.

Отмеченные выше жесткие требования к пространствен­ ной ориентации волновых фронтов, характерные для фото­ смешения, приводят к серьезным практическим проблемам при построении приемной системы, которые существенно отличаются от проблем, связанных с использованием фото­ смешения в качестве экспериментального лабораторного метода. В частности, например, искажения фазового фрон­ та, возникающие при прохождении лазерного излучения (в особенности видимого) через приземные слои атмосферы, вызывают наибольшие трудности для осуществления гете­

родинного приема.

Очевидно, что при решении вопроса о том, какой из двух способов приема более эффективен для практических применений, необходимо в каждом конкретном случае принимать во внимание множество факторов. Тем не ме­ нее представляется полезным провести некое обобщенное сопоставление этих способов, сознавая при этом, что любое конкретное суждение должно зависеть от того, в какой мере данное сопоставление применимо к практическим за­

Основное различие рассматриваемых способов приема состоит прежде всего в том, что для фотосмешения требует­ ся гетеродинный лазер. В некоторых системах локацион­ ного типа, у которых передатчик и приемник находятся

водном месте, можно использовать один и тот же генератор

ив качестве передатчика и в качестве гетеродина. Но в системах связи, очевидно, для гетеродинного приемного устройства требуется свой лазер, в то время как при прямом детектировании такой необходимости нет. Лазер, исполь­ зуемый в качестве гетеродина, как уже отмечалось выше, должен быть высокостабильным, узкополосным источ­ ником, для того чтобы исключить возникновение допол­ нительных шумов и нежелательных интерференционных

явлений.

Другое требование, существенное для фотосмешения, но не имеющее значения для прямого фотодетектирования, заключается, как уже говорилось, в том, что излучение гетеродина при попадании на поверхность фотоприемника

Таблица 1

Сопоставление методов фотосмешения и прямого фотодетектирования

Фотосмешение Фотодетектиров ание

должно быть пространственно сфазировано с излучением сигнала. Это требование в свою очередь ограничивает до­ пустимые размеры приемной апертуры, т. е. размеры вход­ ной линзы или параболического зеркала. Размеры линзы или зеркала лимитируются также и техническими возмож­

ностями создания больших оптических элементов, у кото­ рых фазовая дисторсия еще не заметна. Когда разность оп­ тических путей от разных точек собирающей поверхности до чувствительной площадки фотодетектора становится сравнимой с длиной световой волны, пространственная ко­ герентность сигнала с гетеродинным потоком утрачивается, а это приводит к резкому снижению эффективности фото­ смешения. Следовательно, в системах, допускающих при­ менение больших приемных объективов, фотодетектиро­ вание обеспечивает сбор большего количества эффективных сигнальных фотонов, чем фотосмешение.

Возможный значительный допплеровский сдвиг опти­ ческих частот при установлении связи с подвижными объек­ тами может создать серьезные проблемы в системе с фото­ смешением из-за больших изменений разностной частоты. При изменении радиальной составляющей скорости соот­ ветственно изменяется допплеровский сдвиг частоты, а следовательно, и разностная частота. Вследствие этого в некоторых случаях полоса усилителя промежуточных частот должна быть либо чрезвычайно широкой, либо пе­ рестраиваемой в широком диапазоне, либо же должен быть перестраиваемым в требуемом диапазоне сам гетеро­ динный лазер. Обычно подстройка лазерного гетеродина бывает сопряжена со многими осложнениями и труднос­ тями.

Отношение сигнал/шум в случае непрерывной моду­ ляции при оптическом гетеродинировании в два раза боль­ ше, чем при прямом фотодетектировании в режиме наивыс­ шей чувствительности (при так называемом фотонном огра­ ничении) [39].

Свойства системы с прямым фотодетектированием могут быть существенно улучшены при работе с короткими лазер­ ными импульсами. Этот вопрос изучался теоретически и экспериментально; ниже мы рассмотрим некоторые из полученных результатов, относящиеся к сопоставлению возможных форм кодирования информации и определению частоты следования ошибок. Обсуждение цифрового коди­ рования удобнее и корректнее вести с использованием понятия частоты следования ошибок, а не отношения сигнал/шум.