Глава 6. Системы связи оптического диапазона

6.1.Особенности оптической связи

Возможность осуществления связи в оптическом диапазоне была показана еще в 1952 году отечественным учеными Н.Г. Басовым и А.М. Прохоровым, а также американским ученым Таунсом. Ими был открыт новый вид индукционного излучения в квантовых приборах.

Оптический диапазон лежит в пределах 3·10¹⁵-10¹¹ Гц (0,1 – 1000 мкм), что существенно превышает всю частотную емкость уже освоенного в настоящее время радиодиапазона.

Для волн оптического диапазона характерны специфические особенности:

• хорошая способность фокусироваться в узкий луч, что позволяет получить большой коэффициент усиления антенны при ее незначительных размерах;

• возможность использования в качестве передающих и приемных антенн объективов, зеркал и т.п.;

• зависимость их поглощения от метеоусловий.

Интересно отметить, что показатели систем радиосвязи миллиметровых волн, не говоря уже о сантиметровых, имеют намного худшие характеристики по сравнению с системами связи оптического диапазона. Так, например, в системах СВЧ, работающих на волне 3 см, для получения наибольшего выигрыша необходима антенна с диаметром 300 см, что позволяет получить угол расходимости лучей рад или примерно 0,6⁰.

В системах же оптического диапазона при длине волны 0,1 мкм потребуется диаметр антенны 10 см. При этом угол расходимости лучей составит рад, что соответствует приблизительно 0,0006⁰.

Известно, что угол расходимости лучей характеризует коэффициент усиления антенны, а следовательно, и мощность передатчика. В работе [14] показано, что за счет направленности антенн можно получить выигрыш в мощности передатчика, равный

.

Итак, для того, чтобы мощности в точке приема от передатчика СВЧ диапазона и передатчика оптического диапазона были равны, необходимо превышение Р_СВЧ по сравнению Р_ОПТ на передающей стороне в миллион раз.

На практике наиболее освоен диапазон частот от 10¹⁴ Гц до 10¹⁵ Гц, но даже он в десятки тысяч раз превышает емкость частотного диапазона, используемого в настоящее время в системах радиосвязи.

Оптические волны, подобно ультракоротким волнам, распространяют-ся лишь в пределах прямой видимости. Все преграды на пути оптического луча существенно влияют на устойчивость связи. Потери сигнала происходят даже в атмосфере. Величина потерь зависит не только от состава атмосферы, но и от длины волны. Взвешенные частицы рассеива-ют, а водяные пары поглощают энергию сигнала.

Таким образом, атмосфера является избирательной средой и для повышения надежности связи необходимо знать зависимость коэффициента ее прозрачности от длины рабочей волны.

На рис. 6.1 приведен график зависимости коэффициента прозрачности атмосферы при изменении длины волны от 0,5 до 14 мкм. Полосы поглощения объясняются потерями энергии волны в парах воды и различных газах.

Рис. 6.1

Для реализации связи в оптическом диапазоне необходимо выбирать рабочие частоты в интервалах «окон» прозрачности. В случае тумана, дождя, снега, дыма или пыли связь может стать неэффективной даже на благоприятных частотах. Поэтому оптическую связь целесообразно ис-пользовать в наземных линиях связи при высокой прозрачности атмосферы или в космических линиях между летательными объектами.

Одним из способов обеспечения качественной оптической связи в наземных линиях может быть использование волоконных световодов, состоящих из стеклянных или пластмассовых нитей-волокон, изолирован-ных друг от друга с целью исключения взаимных помех.

Частотная емкость волоконных световодов такова, что при помощи только одной нити-волокна можно передавать десятки телевизионных кана-лов.

К особенностям систем связи оптического диапазона следует отнести генерирование колебаний с пространственной и временной когерентностью при помощи лазеров оптических квантовых генераторов. По сравнению со спектром естественных и искусственных источников света ширина спектральной линии лазеров при временной когерентности генерируемых колебаний достаточно узкая. Она лежит в пределах от сотен до тысяч мегагерц.

Для сужения спектра излучаемых частот применяют оптические резонаторы (зеркала), но они порождают всевозможные колебания, так называемые моды. Ширина спектра каждой моды зависит от добротности резонатора. Практически достижимая добротность позволяет получить ширину спектра моды порядка нескольких килогерц. В целом же ширина спектра излучения зависит от вида лазера и может достигать несколько тысяч мегагерц.

Еще одной особенностью систем связи оптического диапазона является специфика действия тепловых и квантовых шумов, которые порождаются самим лазерным источником излучения.

В [14] показано, что в оптическом диапазоне мощностью тепловых шумов можно пренебречь и следует учитывать только мощность кванто-вых шумов в пределах полосы частот .

Она определяется по формуле

, (6.1)

где f – частота излучения;

h – постоянная Планка.

Из выражения (6.1) следует, что мощность шумов от источника излучения равна мощности квантовых шумов и прямо пропорциональна величине рабочей частоты.

Кроме рассмотренных внутренних квантовых шумов в системе опти-ческой связи действуют внешние квантовые шумы, порожденные светом Солнца, Луны, звезд, свечением неба и облаков и т.д. Шумы от внешних источников называются фоновыми шумами. Они имеют очень широкую полосу частот. Уменьшить фоновые шумы можно путем применения узкополосных фильтров и узконаправленных приемных антенн в виде телескопов с малым углом зрения.

Таким образом, в передаваемом оптическом сигнале всегда присутствуют квантовые шумы лазера и фоновые шумы. На приемном конце к этим шумам добавляются шумы фотоприемных устройств и, в частности, шумы фотодетектора, ламп и сопротивлений первых каскадов. Уровень этих шумов характеризуется пороговой чувствительностью фотодетектора, под которой понимается минимальная мощность излучения, создающего на нагрузке приемника сигнал, равный напряжению шумов. Это обстоятельство предъявляет определенные требования к выбору фото-детекторов при разработке конкретных систем связи в оптическом диапа-зоне.