Материал: Элементы оптических систем связи

а

б

Рис. 29

При малых размерах апертур для конструирования антенн передатчика целесообразно использовать линзы. Две возможных конфигурации линзовых антенн (на рефракционной оптике) показаны слева на рис. 29. Для апертур с диаметром свыше нескольких сантиметров целесообразно использовать отражающую оптику Ньютона (а) или Кассегрена (б) (это обусловлено стоимостными и весовыми ограничениями). На рис. 29 справа приведены варианты таких антенн.

Кроме рассмотренных выше элементов в лазерных системах связи (на передающей стороне) широко используются фазовые пластинки, призмы, поляризаторы, анализаторы и оптические фильтры.

Фазовые пластинки. С помощью фазовой пластинки вводится точно фиксированный фазовый сдвиг между ортогональными составляющими электрического поля оптической волны. Фазовые пластинки применяются для преобразования линейной поляризации луча в круговую или наоборот и для компенсации нежелательного фазового сдвига в оптических элементах. Фазовые пластинки часто изготовляют из одноосных кристаллов. Для волны, распространяющейся вдоль направления, перпендикулярного к оптической оси, эти кристаллы характеризуются коэффициентом преломления n₀ (коэффициент преломления обыкновенной волны) для компонент волны с одной поляризацией и коэффициентом преломления n_е (коэффициент преломления необыкновенной волны) для компоненты волны ортогональной поляризации (рис. 30, геометрия фазовой пластины).

Рис. 30

В результате эффекта двулучепреломления ортогональные составляющие волны, распространяются с различными скоростями и между ними возникает фазовый сдвиг. Кристаллографическая ось, ортогональная оптической оси, обеспечивающая минимальную задержку распространяющейся через кристалл волны, называется «быстрой» осью, другая ось называется «медленной» осью. Если оптическое излучение с длиной волны l_с линейно поляризовано под углом 45° по отношению к «быстрой» оси, то фазовая задержка в кристалле длиной Н_с будет равна

Г = 2p(n_e - n₀)H_C/l_c (62)

Если Г = p, то кристалл называется полуволновой пластиной, если Г = p/2, - четвертьволновой. В одноосных кристаллах, таких, как кальцит, при толщине кристалла 1 мм фазовая задержка равна суммарному числу длин волн плюс Г.

Призмы. Обычные стеклянные призмы часто используются в лазерных линиях связи для отклонения направления светового луча. Например, в оптическом гетеродинном приемнике часто применяется лучерасщепляющая призма. Она используется для того, чтобы скомбинировать ортогонально распространяющиеся сигнал и луч местного генератора в единый параллельный пучок. Важным элементом оптического приемника, выделяющего модулированный по поляризации сигнал, является оптический элемент, называемый призмой Волластона. Эта призма состоит из двух призм, изготовленных из биаксиальных кристаллов, которые coединены вместе, причем их оптические оси ориентированы, как показано на рис. 31. При падении на призму вертикально поляризованный луч отклоняется в одном направлении, горизонтально поляризованный луч отклоняется на тот же угол в противоположном направлении. Угол расхождения лучей зависит от конструкции призмы и составляет величину от нескольких градусов до 30^о.

Призма Волластона может быть также использована для комбинирования сигнала несущей и колебания местного гетеродина в оптической гетеродинной системе.

Рис. 31                                                      Рис. 32

Преимущество использования призмы Волластона состоит в том, что в приемном устройстве потери энергии несущей отсутствуют, чего нельзя сказать для случая, когда используется лучерасщепляющая призма или зеркало.

Поляризаторы и анализаторы. Поляризаторы и анализаторы осуществляют одно и то же физическое преобразование и различаются по способу их применения. Поляризатор преобразует неполяризованный световой луч в линейно поляризованный свет вдоль поляризованной оси, а анализатор пропускает составляющую вектора электрического поля только вдоль своей оси. Если линейно поляризованное излучение с амплитудой электрической составляющей, равной А, падает на поляризатор (анализатор) (рис. 32, где 1 - линейно поляризованный луч, 2 - оси анализатора) и плоскость поляризации повернута на угол q относительно оси поляризатора (анализатора), то амплитуда выходящего луча будет равна Acosq.

Широко используется в поляризаторах (анализаторах) поляроидная пленка, которая состоит из кристаллов аппатита, введенных в пластик. Кристаллы поглощают составляющую ЭП одного направления и пропускают ортогональную составляющую. Другим широко используемым типом поляризатора (анализатора) является призма Николя. Она изготовляется из двух кальцитовых или кварцевых призм, склеенных вместе канадским бальзамом, который имеет показатель преломления, промежуточный между показателями преломления для «обыкновенного» и «необыкновенного» лучей (рис. 33). Неполяризованное излучение (1) расщепляется на вертикально поляризованный (2) необыкновенный луч и горизонтально поляризованный (3) обыкновенный луч. Обыкновенный луч, отклоненный на большой угол, полностью внутренне отражается на границе связывающего вещества и попадает па грань кристалла, где он поглощается.

Рис. 33

Необыкновенный луч попадает на связывающее вещество под угом, большим критического для полного внутреннего отражения, и проходит через кристалл.

Поставщики. Крупными поставщиками передатчиков являются фирмы: Epitaxx Inc., Ericsson Components Ab, Fujitsu Microelectronics Inc., Hamamatsu Corp., Hewlett-Packard, Hitachi, Lasertron Inc., Laser Diode Inc., NEC Electronics Inc., OKI Semiconductors, Optek Technology Inc., Optical Communication Product Inc., Ortel Corp., Siemens Corp. и др. [5].

7. Приемные оптоэлектронные устройства

волоконный оптический лазерный гетеродинный

Фотоприемники и приемные оптоэлектронные модули (ПРОМ) являются важными элементами оптических систем. Их функция - преобразование оптического сигнала, принятого из свободного пространства или волокна, в электрический. Последний обрабатывается далее электронными устройствами.

Основными функциональными элементами фотоприемников и ПРОМ являются:

- фотоэлемент, преобразующий полученный оптический сигнал в электрическую форму;

- каскад электрических усилителей, усиливающих сигнал и преобразующих его в форму, пригодную к обработке;

- демодулятор, воспроизводящий первоначальную форму сигнала.

На практике функциональные элементы могут несколько отличаться у разных фотоприемников и ПPOM. Например, детектор типа лавинный фотодиод обеспечивает внутреннее усиление, в результате чего собственные шумы последующего усилителя становятся не столь значимыми, могут также отсутствовать демодулятор, или цепь принятия решения, поскольку электрический сигнал с выхода каскада усилителей приемлем для непосредственной обработки последующими устройствами, а могут для эффективной работы фотоприемника перед детектором устанавливается оптический усилитель, но все они получают сигнал от ВОЛС либо приемной оптической антенны.

Приемные антенны, как и передающие, могут быть отражательного или рефракционного типа. Как правило, в приемных устройствах нет необходимости коллимировать луч на входе детектора, поэтому фотодетектор может быть просто помещен в фокальную точку отражательной или рефракционной приемной антенны, как показано на рис. 34 (а - линзовая система, б - оптика Ньютона, в - оптика Кассегрена). Для оптических приемных систем с прямым детектированием желательно выбирать диаметр приемной антенны как можно большим. Это позволит обеспечить максимум сигнальной энергии на входе детектора. Знание фазы не является обязательным при прямом детектировании, поэтому аберрации оптической системы, такие, как дисторсия и астигматизм не имеют большого значения до тех пор, пока размер сфокусированной точки приемной антенны не превышает площади фотодетектора. Для гетеродинных и гомодинных оптических приемников размеры оптической антенны ограничены площадью когерентности принимаемого луча. Более подробно этот вопрос рассмотрен в следующих разделах.

На рис. 35 приведены функциональные элементы аналогового (а) и цифрового (б) фотоприемников. Аналоговые фотоприемники принимают аналоговый оптический сигнал и на выходе формируют аналоговый электрический сигнал. К аналоговым приемникам предъявляются требования высокой линейности преобразования и усиления сигнала при минимуме вносимых шумов - в противном случае возрастают искажения сигнала.

а

б

в

Рис. 34

На протяженных линиях с большим количеством приемо-передающих узлов искажения и шумы накапливаются, что снижает эффективность аналоговых многоретрансляционных линий связи.

При цифровой передаче не требуется очень точная ретрансляция форм импульсов. Цифровой приемник должен включать узел принятия решения или дискриминатор, имеющий установленные пороги на принятие сигналов 0 и 1, который распознает, какой сигнал пришел, устраняет шумы и восстанавливает необходимую амплитуду сигнала. Правильное выделение нужного сигнала может происходить при большом уровне шумов.

Различают синхронные и асинхронные режимы приема-передачи цифрового сигнала [6|.

При синхронном режиме битовый поток между приемником и передатчиком носит непрерывный характер.

При асинхронном режиме данные передаются в виде битовых последовательностей - пакетов. В промежутках между пакетами линия молчит - сигнала нет.

а

б

Рис. 35

При синхронном режиме приема-передачи таймер приемника выделяет в приходящей битовой последовательности специальные сигналы - синхроимпульсы, на основании которых приемник регулирует свои часы.

При асинхронном режиме приема-передачи у приемника работает свой независимый таймер. Принимая преамбулу, таймер настраивает узел принятия решения так, чтобы определение приходящего бита выполнялось на его середине. Электрический сигнал, который выдает узел принятия решения, идет на частоте таймера. Так как есть погрешность у разных таймеров, то, по мере принятия последующих битов пакета, момент определения приходящего бита плавно смещается в одну из сторон относительно середины приходящего бита. Для правильной идентификации всех битов пакета важно, чтобы смещение за время принятия пакета не превысило 0,5 бита. Это приводит к ограничению на максимальную длину пакета. Чем меньше погрешность таймеров, тем большая длина пакета может использоваться для передачи.

Принципы работы фотоприемника

Следует отметить, что для ослабления фонового излучения особенно в ЛАСС, перед фотодетектором устанавливаются оптические фильтры. Наибольшее применение находят следующие оптические фильтры: поглощающие, рассеивающее поляризационные и интерференционные. Поглощающие фильтры изготовляют из материалов, которые поглощают падающую энергию в определенных участках оптического спектра. На рис. 36 приведены кривые прозрачности некоторых материалов.

Поглощающие фильтры характеризуются относительно широкими полосами пропускания. Рассеивающие фильтры изготовляются из оптически прозрачных материалов, которые хорошо измельчены и взвешены в прозрачной среде с тем же самым показателем преломления на центральной длине волны фильтра. На центральной длине волны фильтр однородный, на всех других длинах волн частицы рассеивают излучение.

Рис. 36

Полоса пропускания и центральная частота фильтра зависят от показателей преломления материалов, размеров частиц и толщины фильтра. В инфракрасном диапазоне с помощью рассеивающих фильтров может быть получена полоса около одного микрона. Если поляризация оптического излучения, падающего на оптический приемник, известна, то можно использовать поляризационный фильтр. Поляризатор, настроенный на плоскость поляризации оптической несущей, помещается перед двулучепреломляющей кристаллической пластиной, вносящей фазовый сдвиг. Кристалл вносит фазовый сдвиг между обыкновенным и необыкновенным лучами; фазовый сдвиг пропорционален оптической частоте. Длина кристалла выбирается таким образом, чтобы разность фаз была кратна 2p радианам на центральной частоте. На всех других частотах буде подавление излучения (интерференция). На рис. 37 показан фильтр - Лайота (Lyot), выполненный в виде каскадной конструкции из нескольких поляризаторов и фазосдвигающих кристаллических пластин. Каждая последующая кристаллическая пластина сделана вдвое толще чем предыдущая, поэтому у нее будет вдвое болыше максимумов и минимумов прозрачности в данном интервале длин волн.

иc. 37

На рисунке приведены характеристики пропускания каждой комбинации фазовых пластин-поляризаторов и общая характеристика фильтра. Используя данную конструкцию, можно изготовить фильтры с полосой пропускания 50×10^-8 м.

Интерференционные фильтры обеспечивают самую узкую полосу пропускания и могут быть выполнены для широкой области центральных частот. На рис. 38а показан один из видов интерференционных фильтров, изготовленный из полуотражающих металлических слоев, нанесенных на прозрачный диэлектрик. Металлические покрытия образуют интерферометр Фабри-Перо, имеющий узкую полосу пропускания, определяемую коэффициентами отражения металлических покрытий, показателем преломления диэлектрика и толщиной фильтра. Другой вид интерференционного фильтра - многослойный диэлектрический фильтр, показан на рис. 38б.