книги из ГПНТБ / Применения лазеров

390 Монт Росс

мами, вес, энергопотребление и размеры бортовых лазерных передатчиков должны быть минимальными. Для достиже­ ния этих целей требуется совершенствовать технику ко­ дирования, разрабатывать эффективные способы модуля­ ции и создавать новые концепции построения систем.

С02-лазер должен быть исключительно стабилен по частоте, поскольку свойства гетеродинной системы зави­ сят от того, насколько точно поддерживаются заданные значения частоты гетеродина и несущей частоты сигнала. Для обеспечения большей дальности связи необходимо сформировать узкий слаборасходящийся пучок; для этого излучение лазера должно быть одномодовым с расхо­ димостью, обусловленной только дифракционными эф­ фектами. Полезные размеры приемной апертуры при гете­ родинном детектировании в наземных условиях ограни­ чиваются влиянием атмосферы. Ограничения на число со­ бираемых сигнальных фотонов, обусловленные фазовыми искажениями волны при прохождении ее через атмосферу, являются серьзным недостатком для систем дальней кос­ мической связи, ибо принимаемый сигнал будет, очевидно, очень слабым, а поэтому приемная апертура должна быть как можно больше.

Системы с прямым детектированием не подвержены влия­ нию фазовых искажений в атмосфере, поскольку в них фаза оптического сигнала не играет существенной роли. Благодаря этому размеры приемной апертуры в системах с прямым детектированием не ограничиваются размерами зоны когерентности, как это имеет место в гетеродинных системах. Входные оптические устройства с большой эф­ фективной площадью, применяемые в системах с прямым детектированием, в литературе получили название «кол­ лекторы». Это название подчеркивает, что речь идет по существу о «фотонной ловушке», осуществляющей адди­ тивный сбор сигнальных фотонов независимо от их фазы. Недостатки этих устройств сказываются при таких разме­ рах приемной апертуры, которые намного превышают раз­ меры апертуры, допустимые при когерентном приеме. Вход­

переходе от видимого излучения к десятимикронному до­

пустимые размеры • входной апертуры когерентного прием­ ника возрастают в 20 раз — соответственно отношению длин волн 121]. Апертуры приемников некогерентных сиг­ налов в настоящее время могут превышать 15 м.

12. КОСМИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ БЛИЖНЕГО ДЕЙСТВИЯ

К середине 70-х годов и позднее основной задачей спут­ ников Земли будет ретрансляция больших объемов инфор­ мации, главным образом передача изображений. Обычные радиотехнические средства связи могут оказаться менее пригодными, чем лазерные, для передачи потоков инфор­ мации со спутников. В течение 70—80-х годов будут созда­ ны спутники, у которых объем информации возрастет до нескольких телевизионных каналов, транслируемых в ре­ альном масштабе времени. При скоростях передачи выше ІО8 бит/с даже новейшие радиотехнические средства, такие, как устройства миллиметрового диапазона и твердотельные генераторы, не смогут конкурировать с лазерными систе­ мами по весу и энергопотреблению, характерным для бор­ товой космической аппаратуры.

Для осуществления связи через спутники с низкими орбитами и синхронные спутники пригодны лазерные сис­ темы гетеродинного типа и с прямым фотодектированием, работающие в видимом и ближнем ИК-диапазонах. Выбор системы связи зависит от конкретного назначения, тре­ буемой скорости передачи, а также от технологической и экспериментальной проработки.

Система связи на С02-лазере (10,6 мкм) должна была пройти проверку на синхронном спутнике ATS-F в 1973 г. [33]. Планируемый эксперимент состоял в том, что один спутник, получив видеосигнал с полосой 5 МГц от другого спутника по радиочастотному каналу, ретранслирует этот сигнал на Землю по лазерной линии. Предполагалось, что эта система связи на С02-лазере для спутника ATS-F будет иметь одномодовый непрерывный передатчик мощ­ ностью 400 мВт, а диаметр приемной и передающей апертур на обоих концах линии составит около 15 см. К сожалению, технические трудности не позволили пока провести этот эксперимент.

Хотя С02-лазер имеет высокий к. и. д. и дает высоко­ когерентное излучение, для его применения в линии связи необходимы фотосмешение и использование охлаждаемого фотодетектора; в противном случае нельзя обеспечить вы­ сокую чувствительность приема. Это создает потребность

врадиационных холодильниках, работающих в открытом космосе. Такие холодильники были бы вполне достаточны

вприемных устройствах на синхронных спутниках, однако их применение на спутниках с низкими орбитами связано

снекоторыми осложнениями. Серьезную проблему для гетеродинных систем создает также допплеровский сдвиг частот. Вычисления показывают, что для излучения с дли­ ной волны 10,6 мкм он может достигать 675 МГц. Потен­ циальные возможности линий связи, работающих на длине волны 10,6 мкм, были показаны экспериментально при

наземных испытаниях [19].

При переходе к информационным полосам порядка 50— 100 МГц возникает проблема создания модулятора, обла­ дающего необходимыми свойствами. Хотя в данной области и были достигнуты некоторые успехи, удовлетворительного решения задачи модуляции десятимикронного излучения с частотой 100 МГц пока еще не найдено. Как уже отме­ чалось в разд. 7, при размещении модуляционных элемен­ тов внутри резонатора в лучшем случае может быть полу­ чена удельная ширина полосы модуляции 2,0 МГц/Вт (при использовании теллурида кадмия). Частота внутрен­ ней модуляции, ограничиваемая шириной линии С02, не превышает 50 МГц. Для работы на более высоких частотах придется применять внешнюю модуляцию, которая требует более высокой мощности.

Для систем с прямым фотодетектированием, работаю­ щих в видимом и ближнем ИК-диапазонах, как уже отме­ чалось выше, весьма перспективны лазеры с синхрониза­ цией мод, генерирующие короткие импульсы при низком коэффициенте заполнения и высокой частоте повторения. Наиболее подходящей для передачи информации со ско­ ростями выше 108 бит/с оказалась импульсная лазерная система связи, названная бинарной системой с импульсным стробированием (БСИС). В этой системе лазерный пере­ датчик состоит из ИАГ—Ыс13-лазера в режиме синхрониза­ ции мод с удвоителем частоты; накачка в нем может осу­

ществляться либо излучением твердотельного источника света, либо прямо солнечным излучением. Работая в ре­ жиме синхронизации мод, лазер генерирует импульсы излу­ чения с длиной волны 1,06 мкм и длительностью 30 пс, частота следования которых равна 2 -ІО8— 109 имп/с. Точное значение частоты следования импульсов опреде­ ляется длиной лазерного резонатора.

Другой оптический элемент передатчика, называемый удвоителем частоты, преобразует большую часть энергии инфракрасного излучения лазера в излучение с вдвое мень­ шей длиной волны (0,53 мкм). Это преобразование частоты обусловлено стремлением перенести лазерную несущую в спектральную область наибольшей чувствительности фо­ тоэлектронных умножителей, обычно используемых в прием­ ных устройствах лазерных линий. Весьма вероятно, что по мере совершенствования фотодетекторов, чувствитель­ ных к излучению с длиной волны 1,06 мкм, необходимость такого преобразования отпадает. Наконец еще один электро­

зерных импульсов. При цифровом бинарном кодировании посылка импульса означает 1, а отсутствие импульса — 0.

В приемном устройстве сигнальные фотоны должны быть собраны и продетектированы, несмотря на помехи, создаваемые фоновой засветкой, которая поступает от облаков, неба и земли. Прямое детектирование позволяет вместо астрономической оптики с дифракционным разре­ шением, необходимым при когерентном приеме, использо­ вать облегченные оптические устройства сравнительно невысокого качества.

Как уже говорилось выше, теоретические выводы о ха­ рактеристиках импульсных лазерных систем связи были проверены экспериментально в лабораторных испытаниях оптической линии. Были изучены различные варианты применения таких систем в ближнем космосе. В частности, исследовалась возможность создания высокоинформатив­ ных лазерных линий связи «спутник с низкой орбитой — синхронный спутник», «синхронный спутник — синхрон­ ный спутник», «синхронный спутник — Земля», «спутник с низкой орбитой — Земля». При этом подробно проана­ лизированы ограничения и требования к таким линиям. Най­

394 Монт Росс

дены специфические структурные решения для систем, позволяющие наилучшим образом использовать импуль­ сные лазерные линии в рамках сформулированных огра­ ничений [49].

Возможные параметры передатчика и приемника для БСИС в линии связи «спутник с низкой орбитой — син­

а бортовой маяк, находящийся на синхронном спутнике, работает на основной длине волны ИАГ—Ш 3-лазера.

Размеры приемной оптики, мощность передатчика и расходимость луча передатчика связаны между собой. Оп­ тимальный выбор параметров системы зависит от ее кон­ кретного назначения, а также от конструкции и возможнос­ тей спутника. Можно создать много широкополосных сис­

1 Вт, расходимости пучков 10—100 мкрад и размерах облег­ ченных некогерентных оптических рефлекторов 10—100 см. Современная техника модуляции позволяет достичь ско-

роста передачи 2 -ІО8 бит/с; прямым умножением числа каналов можно получить значения скорости ІО9 бит/с и больше. Для расширения информационной полосы отдель­ ного канала до значений выше нескольких сотен мегабит в секунду необходимо дальнейшее совершенствование мо­ дуляторов и повышение быстродействия электронных ус­ тройств, используемых в линии.

Для систем с прямым детектированием были также раз­ работаны широкополосные аналоговые модуляторы. Ин-

Ф и г. 29. Блок-схема системы связи с частотной модуляцией поднесущей, преобразуемой в амплитудную модуляцию несущей, и прямым детектированием.

тересна система с передачей информации посредством час­ тотной модуляции поднесущей, которая создает в свою оче­ редь амплитудную модуляцию несущей [20]. Блок-схема этой системы показана на фиг. 29. В аналоговых системах исключается преобразование аналоговых данных в циф­ ровые и цифровых в аналоговые; поэтому аналоговая пере­ дача может иметь большое значение в тех случаях, когда требуемая информационная полоса превышает возможности технических средств, применяемых для аналого-цифровых преобразований. Однако в оптических линиях эффектив­ ность методов передачи с использованием поднесущей низ­ ка, поэтому возникает необходимость в повышении мощ­ ности лазера по сравнению с мощностью, требующейся

396 Мот Росс

в эквивалентных по скорости передачи цифровых данных линиях с видеомодуляцией.

Переход от аналоговой ширины полосы (МГц) к цифро­ вой скорости передачи (Мбит/с) зависит от ряда факторов, но обычно принимается, что соотношение между ними ме­ няется от 1 до 12. Поскольку к. п. д. лазеров, работающих в видимом и ближнем ИК-диапазонах, относительно не­ велик, то повышение мощности лазера означает существен­ ное увеличение потребляемой мощности; это имеет перво­ степенное значение для бортовых космических систем, но не так важно для наземных систем.

Эффективным методом широкополосной передачи инфор­ мации могло бы стать применение позиционно-импульсной модуляции (ПИМ) лазера в режиме синхронизации мод. Трудности создания электрически управляемой временной задержки одного импульса относительно другого препят­ ствуют пока развитию этого метода, однако уже к настоя­ щему времени продемонстрирована высокая информацион­ ная эффективность ЛІ-значных систем (таких, как система с ПИМ). При позиционно-импульсной модуляции анало­ говая полоса по крайней мере вдвое меньше частоты следо­ вания импульсов, т. е. излучение лазера в режиме синхро­ низации мод длительностью 30 пс и частотой следования 2 ГГц теоретически может быть использовано для пере­ дачи аналоговой полосы в 1 ГГц без аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразований.

В настоящее время серьезный интерес к линиям связи на ИАГ—Ш 3-лазерах с объемом передаваемой инфор­ мации около 1 Гбит/с проявляют ВВС США; при этом ста­ вится задача проведения экспериментов в космосе в 1975 г. NASA планирует эксперимент по лазерной связи с помощью спутника ATS-G также в 1975 г. Экспериментальная про­ грамма лаборатории Линкольна по работе со спутниками предусматривает испытания линии с малой скоростью передачи (1 МГц) в 1973 г.

13. СИСТЕМЫ ДАЛЬНЕЙ КОСМИЧЕСКОЙ СВЯЗИ

Для связи в ближнем космосе пригодны как С02-ла- зеры, так и лазеры, работающие в видимом и ближнем ИК-диапазонах. Применению С02-лазеров в системах даль­

ней космической связи, как показывает анализ проблемы, препятствуют два обстоятельства: ограниченная когерент­ ная апертура наземного приемника и большая длина волны (поэтому требуются более громоздкие и более тяжелые опти­ ческие устройства для получения такой же малой расхо­ димости пучка, что и при работе с лазерами в видимом диа­ пазоне). Ограничения на допустимые размеры рефлектора и вес бортовой аппаратуры настолько усиливают требо­ вания к мощности лазера, что система дальней космичес­ кой связи на С02-лазере перестает быть конкурентоспособ­ ной по отношению к другим возможным системам аналогич­ ного назначения.

Для дальнего космоса наведение луча и слежение за абонентом приобретают еще более важное значение, чем для ближнего космоса из-за больших времен прохождения сигнала и из-за больших (по сравнению с расходимостью луча) необходимых угловых упреждений. Например, уп­ реждение может составить 70 мкрад при ширине луча

10мкрад.

Возможность решения проблемы наведения была пока­

зана экспериментально при работе с действующими моде­ лями в лабораторных условиях и при испытаниях теле­ скопических систем на борту орбитальной астрономичес­ кой станции. Если нет ограничений по весу и стоимости системы, то можно достичь точности наведения и сопро­ вождения ~0,1". Для систем дальней космической связи выгодно, чтобы лазерное пятно покрывало всю Землю. Это значительно упрощает проблему, так как отпадает вопрос об ориентации передатчика относительно наземных прием­ ных станций или о переводе его с одной станции на другую при изменении погодных условий. Все наземные станции могут принимать сигнал. На фиг. 30 показаны размеры лазерного пятна на Земле при размещении передатчика на разных планетах в зависимости от угловой ширины пучка.

Без использования короткоимпульсной модуляции это упрощение требований к точности наведения (т. е. уширение пучка) приведет к необходимости размещения на кос­ мическом аппарате чрезвычайно мощного лазерного пере­ датчика. Однако применение техники импульсной моду­ ляции (например, ПИМ) позволяет использовать лазеры

Расстояние до Зем ли, астроном, ед.

Ф и г . 30. Размеры светового пятна на Земле в зависимости от удаленности передатчика и от расходимости лазерного луча.

с умеренными значениями средней мощности для обеспе­ чения связью дальних космических путешествий. В табл. 6 приведены параметры дальней космической ПИМ-линии, которая была бы пригодна для связи с Нептуном, отстоящим

и твердотельные лазеры открывают возможность достиже­ ния таких высоких скоростей передачи информации из дальнего космоса, которые не могут быть получены ника­ кими другими средствами при разумных требованиях к

Параметры ПИМ-линии дальней космической связи «Нептун—Земля»

сидеальной системой)

1Сюда входят эффективность лазерного передатчика, оптические потери в передатчике и приемнике и квантовый выход фотодетектора.

размерам космического аппарата, весу и стоимости системы. В последующие 20 лет успехи в совершенствовании систем связи приведут к существенному повышению объе­ мов передаваемой информации, приходящихся на единицу затрат, и значительно расширят наши знания о солнечной системе. Результативность, а вероятно, даже и возможность путешествий на иные планеты в будущем будут зависеть от состояния техники связи. Короткоимпульсные лазерные системы обеспечивают достижение высоких скоростей пе­ редачи при больших объемах передаваемой информации, приходящихся на единицу веса аппаратуры. Такие систе­ мы позволяют использовать менее мощные стартовые раке­ ты, снижают стоимость космических экспериментов и уве­ личивают объем информации, передаваемой из космоса. Помимо этого, короткоимпульсные системы благодаря их высокой информативной емкости и быстродействию позволяют осуществлять дистанционное управление кос­ мическими аппаратами и увеличивать количество устанав­ ливаемых на них чувствительных датчиков, что в значитель­ ной мере способствует успешному осуществлению косми­ ческих путешествий.