183

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждЕние высшего профессионального образования

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ

РАДИОТЕХНИКИ, ЭЛЕКТРОНИКИ И АВТОМАТИКИ

(ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

В.Ш. Берикашвили э.А. Засовин а.К.Черепанов

Оптоэлектронные и радиооптические устройства и системы

Монография

Москва 2010

УДК 535.2 621.383.8

ББК 32.86 Б 48

Индекс 1604050000

Составители: В.Ш. Берикашвили

Э.А. Засовин

А.К. Черепанов

Редактор: Э.А. Засовин

Монография посвящена основным вопросам когерентной оптики, оптоэлектроники, оптических и радиооптических устройств и систем. Затрагиваются также вопросы, относящиеся к интегральной оптике.

В первой части достаточно подробно рассматриваются вопросы формирования оптических пучков как на передающей стороне, так и на приемной. Изучаются электрооптические эффекты и устройства, основанные на этих эффектах. Много внимания уделено устройствам на жидких кристаллах.

Конкретные приложения приведенного материала отражены в разделе, посвященном оптической обработке информации, аналого-цифровым преобразователям различного вида: оптическим, акустооптическим, оптоэлектронным и т.д.

Во второй части монографии описываются источники и приемники оптического излучения, радио-оптические системы наблюдения и визуализации, оптико-локационные системы и методы измерения дальности и скорости, определения координат объектов.

Для самостоятельного контроля и полноты усвоения пройденного материала предложены вопросы для самопроверки.

Монография предназначена для аспирантов, специалистов и студентов старших курсов по специальностям 210301, 210304.

Печатается по решению редакционно–издательского совета университета.

Рецензенты: Кузяков Б.А.

Воробьев С.А.

– МИРЭА, 2010 г.

Введение

Настоящее время характеризуется бурным развитием информационных технологий, которые включают как развитие вычислительной техники и систем обработки информации, так и системы сбора и передачи информации. Последние называют часто телекоммуникационными системами и их развитие тесно связано с развитием и эффективностью работы крупных вычислительных комплексов и сетей, обеспечивающих передачу больших объемов информации на большие расстояния. В последние годы бурно развиваются как специализированные системы обмена информации (банковские, таможенные, правоохранительные системы), так и общедоступная международная сеть «Интернет», открывшая широкий доступ к библиотечной, художественной, учебной, научной и технической информации.

Современная эпоха характеризуется все более и более высоким спросом на большие объемы визуальной информации, по этому требуются и большие скорости передачи информации. В связи с этим возникает потребность как в предварительной обработке, так и в «сжатии» информации. Известно, что увеличение несущей радиочастоты позволяет увеличить скорость передачи информации. Поэтому в современных радиотехнических системах передачи информации перешли к дециметровым и сантиметровым длинам волн. С появлением оптических квантовых генераторов их начали применять в системах передачи информации в открытых каналах связи в зонах прямой видимости. Это дает значительный рост частоты и рабочей полосы сигнала. Действительно, радиочастотный диапазон охватывает частоты 10³ Гц…3·10¹² Гц (длины волн 10^-4 м…10⁵ м), а частоты оптического излучения занимают диапазон 3·10¹² Гц…3·10¹⁵ Гц (длины волн 10^-7м…10^-4 м или 100 нм…100 мкм). Поэтому наибольшая рабочая полоса (1% от несущей частоты) в радиодиапазоне составляет 10¹⁰ Гц а в оптическом диапазоне – 10¹⁴ Гц. Следовательно в оптическом диапазоне доступная для передачи полоса частот в 10⁴ раз больше, чем в радиодиапазоне.

Например, гелий-неоновый лазер с рабочей длиной волны λ=0,63 мкм (f = 4,7 · 10¹⁴ Гц), использующийся в атмосферной системе связи, обеспечивает полосу пропускания 4,7 · 10¹² Гц = 4700 ГГц. В этой полосе можно одновременно передать около миллиона телевизионных каналов (частотная полоса одного канала – Δf = 5,5 МГц).

Использование оптического диапазона позволяет значительно уменьшить размеры передающих и приёмных антенн.

В радиорелейных линиях связи, работающих на частоте 10 ГГц (λ=3см) используются передающие антенны диаметром 2 м.

Вычисляя угол расходимости луча в вертикальной плоскости, (без учета размеров раскрыва антенны по другой координате прямоугольной системы координат, связанной с плоскостью раскрыва), по формуле

,

где – диаметр излучающего раскрыва антенны в вертикальной плоскости, получимθ = 0,03 рад.

На расстоянии L = 100 км диаметр луча увеличится до

D = 3 км, следовательно, на приёмную антенну диаметром 3 м попадает доля излученной мощности пропорциональная отношению , т.е. миллионная часть этой мощности.

Для увеличения мощности принимаемого сигнала можно использовать два пути:

 существенно увеличивать диаметр приёмной антенны.

 уменьшать расстояние L от передатчика до приёмника.

Первый вариант связан с большими техническими трудностями, второй – при необходимости передавать информацию на большие расстояния, приводит к увеличению количества промежуточных приёмников и передатчиков и к удорожанию системы.

Более эффективный путь – переход в оптический диапазон, например, на излучение с длиной волны λ=1 мкм. Для излучения на такой волне с помощью выходной линзы с объективом диаметром 10 см можно обеспечить расходимость луча 2·10^-5 рад. На расстоянии 100 км диаметр луча составит 2 м. Изготовление приёмной оптической антенны диаметром 2 м технически возможно. Таким образом, можно получить выигрыш по мощности в 10⁶ раз (60 дБ).

Начиная с середины семидесятых годов, достижения в области волоконной оптики позволили получить оптические волокна с затуханием менее 3 дБ/км. Это позволило создавать линии связи без ретрансляторов длиной до 20 км. Одновременно, успешное развитие электроники позволило получать малогабаритные и экономичные источники излучения (светодиоды и полупроводниковые лазеры), а также высокочувствительные фотоприемные устройства на основе фотодиодных структур.

Сейчас серийно производятся оптические волокна и кабели с затуханием 0,2 дБ/км, что позволяет создавать линии связи длиной до 300 км без ретрансляторов. Современные системы передачи информации, как правило, многоканальные и имеют скорости передачи информации до 20 Гбит/с, длину участков без ретрансляторов до 200 км и общую длину до 10000 км. По стоимости такие линии связи конкурируют со спутниковыми линиями связи, обладая высокой помехоустойчивостью и недоступностью для прослушивания.

Одновременно с развитием волоконно-оптических систем связи начали развиваться волоконно-оптические системы сбора информации. При этом развивается несколько успешных направлений: использование волокна для транспортировки излучения к чувствительному элементу, использование участка волокна в качестве чувствительного элемента и использование волокна в качестве распределенного чувствительного элемента по всей его длине.

Основной причиной обращения к оптическим длинам волн является то, что радиотехнические системы передачи информации и электромеханические датчики и измерительные приборы перестали удовлетворять многим запросам информационных технологий. В первую очередь это требование резкого увеличения объемов собираемой информации и скорости её передачи.

Современные вычислительные машины находятся на пределе быстродействия, поэтому разрабатываются вычислительные машины с параллельной обработкой информации. Оптические процессоры позволяют производить операции с двумерными массивами и изображениями. Кроме того, они в отличие от электрических цепей не имеют ограничений по быстродействию, обусловленных индуктивностью и емкостью.

В настоящее время появилось новое направление электроники – функциональная электроника. Её использование связано с тем, что обработка быстропротекающих процессов в радиотехнике оказалась эффективной при одновременном использовании полей разной физической природы. Примером является акустооптический спектроанализатор, позволяющий обрабатывать радиосигналы с частотой до 1 ГГц.

В монографии приводятся основные сведения по фотометрии, различные оптические устройства, квантовые когерентные источники, оптоэлектронные устройства, являющиеся базовыми элементами оптических систем обработки информации и оптических процессоров. Рассмотрены также оптоэлектронные устройства, в частности, оптические и волоконно-оптические интерферометры, модуляторы оптоволоконные, на оптических волноводах и жидкокристаллические, а также оптические и акустооптические процессоры.

В монографии также рассмотрены радио-оптические системы, использующие оптические и оптоэлектронные приборы и устройства в комплексе с радиотехническими приборами и устройствами, предназначенные для исследования, поиска и распознавания различных объектов и параметров их движения – дальности и скорости.