Элементы оптических систем связи

При приложении магнитного поля (МП) к определенным твердым или газообразным материалам, через которые проходит луч лазера, происходит расщепление спектральной составляющей несущей частоты на составляющие, отличные от несущей на разностную частоту. Значение разностной частоты пропорционально интенсивности поля. Этот эффект называется эффектом Зеемана, и математически он выражается в виде

(15)

где m - масса электрона и Н - напряженность МП в Эрст.

Расщепление частоты излучения лазера также происходит, когда луч лазера проходит через некоторые газообразные или твердые вещества, находящиеся под действием ЭП (эффект Штарка). Сдвиг частоты в этом случае равен

(16)

где Е -- напряженность электрического поля (В/см).

Для получения значительных частотных сдвигов требуются большие МП и ЭП. Ширина модуляционной полосы ограничивается скоростью изменения полей. Наиболее целесообразно использовать эффекты Зеемана или Штарка для медленной перестройки колебаний лазера в методе приема с гетеродинированием.

Оптико-механическая модуляция. В некоторых кристаллах и жидкостях наблюдается изменение коэффициента преломления вещества при механических деформациях. Изменение коэффициента преломления при приложении механических напряжений называется эффектом фотоупругости. Изменение коэффициента преломления может происходить также за счет пьезоэлектрического эффекта, в этом случае ЭП, приложенное к материалу, вызывает его механическую деформацию. Акустооптический эффект состоит в том, что три прохождении в веществе ультразвуковых колебаний в нем появляются области с механическими напряжениями, это приводит к изменению коэффициента преломления среды. Вызванные механическим путем изменения коэффициента преломления среды образуют центры дифракции для падающего света. Интенсивность и частота дифрагированного света пропорциональна механическому напряжению, которое, в свою очередь, пропорционально модулирующему сигналу. Модуляторы, основанные на эффекте фотоупругости и пьезоэлектрическом эффекте, имеют ограниченную полосу пропускания, что обусловлено механической инерционностью материала модулятора. Граничная частота акустооптического модулятора определяется временем прохождения ультразвуковой волны через сечение светового луча. Фокусируя луч лазера, можно обеспечить большую ширину полосы модуляции. Акустооптический модулятор представляет значительный интерес, так как в лазерных системах связи он может найти применение для перестройки частоты лазерного гетеродина.

На рис. 19 показана основная конфигурация акустооптического модулятора (где 1 - лазер; 2 - поглотитель ультразвуковых колебаний; 3 - луч +1-го дифракционного порядка f_c + f_m; 4 - луч нулевого дифракционного порядка f_c; 5 - луч 1-го дифракционного порядка f_c - f_m;fi', 6 - ультразвуковой преобразователь; 7 - амплитудно-модулированное колебание ультразвуковой частотой f_m; 8 - подмодулятор (возбудитель); 9- информационный сигнал; 10 - коллимированный луч f_с).

Рис. 19

Рис. 20

При распространении немодулированной ультразвуковой волны в среде (которой может быть кварц, сульфид кадмия, ниобат лития или просто вода) синусоидальные изменения коэффициента преломления n происходит с длиной волны, равной длине волны ультразвукового колебания, _s. Луч света, сколлимированный в узкий пучок, проходит через среду и рассеивается, образуя так называемые лучи первого дифракционного порядка. Лучи более высоких дифракционных порядков также образуются, но их интенсивности незначительны. Частота луча нулевого дифракционного порядка та же самая, что и падающего луча f_c. Частоты лучей l порядков равны соответственно f_c + f_m и f_c - f_m. Таким образом, частотная модуляция ультразвуковой волны обусловливает частотную модуляцию дифрагированных лучей. Амплитудная модуляция ультразвуковой волны вызывает модуляцию интенсивности каждого из трех дифрагированных лучей; другие легко устраняются с помощью диафрагмы, перекрывающей соответствующие области. Однако это приводит к потере мощности, что является недостатком рассмотренного способа модуляции.

Этого недостатка лишен акустооптический модулятор с брэгговским углом падения луча. Если луч лазера падает на ультразвуковую ячейку под углом Брэгга (рис. 20, где 1 - входное излучение лазера; 2 - поглотитель ультразвуковых колебаний; 3 - луч нулевого дифракционного порядка f_с; 4 - луч -1-го дифракционного порядка f_c - f_m; 5 - ультразвуковой преобразователь; 6 - подмодулятор (возбудитель); 7 - информационный сигнал), который определяется выражением

(17)

где _с и _s - длины волн оптического и ультразвукового колебаний, то интенсивность дифрагированной волны +1-го дифракционного порядка уменьшается до нуля. Интенсивности лучей нулевого и -1-го дифракционного порядка соответственно равны:

(18)

(19)

где - параметр Рамана - Ната [4.16], равный

(20)

и _n - толщина ультразвуковой ячейки, а n - изменение коэффициента преломления среды, вызванное ультразвуковой волной. Величина n зависит от нормального коэффициента преломления, электрооптического тензора и тензора напряжения, а точная формула зависит от характеристик среды и геометрических соотношений между направлениями распространения звуковой и световой волн. При больших значениях параметра Рамана-Ната и в идеальных экспериментальных условиях около 95% интенсивности лазерного луча может быть трансформировано в луч -1-го дифракционного порядка. Параметр Рамана-Ната обратно пропорционален длине волны и, следовательно, акустооптические модуляторы не эффективны при больших длинах волн.

Брэгговский модулятор может быть использован также для частотной модуляции. Для этого необходимо энергию основного луча трансформировать в луч 1-го дифракционного порядка и затем модулировать по частоте ультразвуковую волну [4.17].

Электрооптическая и магнитооптическая модуляция. Хорошо известно, что некоторые кристаллы и жидкости становятся двулучепреломляющими в присутствии ЭП или МП. В таких средах коэффициент преломления вдоль координатных осей зависит от ЭП или МП. Если приложить МП к магнитооптической жидкости, такой, например, как нитробензол, молекулы которой обладают магнитной и оптической анизотропией, то молекулы будут ориентироваться в направлении прикладываемого поля. Это явление называется магнитооптическим эффектом Котона-Мутона. При возбуждении некоторых веществ ЭП наблюдается аналогичное явление, называемое электрооптическим эффектом Керра. Ни тот ни другой эффекты (в жидкостях) не нашли широкого применения для оптической модуляции, поскольку эти жидкости являются ядовитыми и, следовательно, сильно затрудняют обращение с ними. Кроме того, длительное воздействие интенсивных полей часто приводит к химическому разложению указанных веществ.

Очень широкое применение в оптической модуляции нашел так называемый электрооптический эффект Поккельса, наблюдаемый в кристаллах. Эффект Поккельса проявляется в таких кристаллах, как дигидрофосфат калия (КН₂Р0₄) или КДР, дигидрофосфат амония (NН₄Н₂Р0₄) или АДР, хлористая медь (CuCl), ниобат лития (LiNbO₃), которые прозрачны в видимом диапазоне волн, и арсенид галлия (GaAs), который прозрачен в области до инфракрасных частот. Характеристики электрооптических кристаллов приведены в [4.20, 4.21, 4.22].

В электрооптическом кристалле коэффициент преломления n вдоль оси кристалла может быть представлен в виде ряда

(21)

где Е - напряженность прикладываемого ЭП;

n -коэффициент преломления в отсутствии ЭП;

r - линейный электрооптический коэффициент;

R - квадратичный электрооптический коэффициент. В кристаллах, которые применяются для электрооптической модуляции, обычно используют либо линейную, либо квадратичную зависимость коэффициента преломления от приложенного поля.

Коэффициент преломления вдоль координатных осей (X, Y, Z) электрооптического кристалла в отсутствии ЭП связаны следующим уравнением оптической индикатрисы или уравнением эллипсоида коэффициентов преломления:

(X/n_X)² + (Y/n_Y)²+ (X/n_Z)² = 1. (22)

Рис. 21

На рис. 21 а показана оптическая индикатрисса электрооптического кристалла в отсутствии внешнего поля. В присутствии ЭП уравнение для эллипсоида, приведенное к кристаллографическим осям, представляется следующим образом:

(23)

где ₁X, ₂ = Y, ₃ = Z. В общем случае влияние ЭП приводит к вращению эллипсоида по отношению к кристаллографическим осям и изменению его формы. На рис.21 б показана оптическая индикатриса электрооптического кристалла в случае воздействия на кристалл ЭП. В данном случае эллипсоид просто вращается вокруг оси Z-кристалла. Известно, что индексы i, j, k и p в уравнении (23) могут быть записаны в виде таблицы 2

При такой записи существует 18 линейных и 36 квадратичных электрооптических коэффициентов. Симметрия кристалла налагает определенные условия, заключающиеся в том, что ряд электрооптических коэффициентов r_mk и R_mn равны нулю или равны друг другу.

Таблица 2, 3

В работе [4.23] приведены таблицы электрооптических коэффициентов для различных классов кристаллов. Для линейного электрооптического эффекта уравнение для эллипсоида может быть записано следующим образом:

(24)

Однако существует другая система координат (X, У, Z), оси которой совпадают с главными осями повернутого эллипсоида и в этой системе уравнение оптической индикатриссы запишется так:

(25)

Коэффициенты преломления n_X, n_Y, n_Z связаны с коэффициентами n_X, n_Y, n_Z соотношением преобразования координат через направляющие косинусы _i, _i, и _i, т.е. таблице Используя это преобразование и рассматривая только линейный электрооптический эффект, получим:

(26)

(27)

(28)

Если оптическая волна распространяется вдоль оси Z кристалла и линейно-поляризована под углом 45^о относительно оси X, то имеет место фазовый набег (задержка) Г между X- и Y- компонентами волны, равный

(29)

где Н_с - длина кристалла. Методы определения эллипсоида коэффициентов преломления и фазовой задержки электрооптического кристалла иллюстрируются следующими параметрами.

Тетрагональные кристаллы класса . Представителями этого класса кристаллов являются кристаллы КДР и АДР. Рассмотрим кристалл, в котором оптическая волна распространяется вдоль Z и ЭП приложено в том же направлении (рис.22). Совмещение направления ЭП и светового луча можно осуществить с помощью отверстий в электродах или используя оптически прозрачные электроды.

В рассматриваемых кристаллах квадратичные электрооптические коэффициенты пренебрежимо малы. Поэтому, а также благодаря симметрии кристалла единственными не нулевыми электрооптическими коэффициентами являются r₄₁ = r₅₂ и r₆ Выражение для оптической индикатрисы запишется следующим образом:

(30)



где n₀ и n_е - коэффициенты преломления обыкновенного и необыкновенного лучей. Это уравнение показывает, что оси Z и Z совпадают и что эллипсоид коэффициентов вращения на угол 45^о по отношению к кристаллографическим осям. Следовательно, в соответствии с рис.22 направляющие косинусы ₃ = 1, ₁ = ₂ = ₃ = ₃ = 0, ₁ = ₂ = cos(/4) и -₂ = ₁ = sin (45⁰). Тогда из уравнений (26) и (27) коэффициенты преломления вдоль осей X и Y равны

(31)

(32)

С хорошей степенью аппроксимации

(33)

(34)

Фазовая задержка для волны, проходящей вдоль оси Z = Z и линейно-поляризованной вдоль оси X (т.е. под углом +45^о к оси Y), равна

(35)

где V_Z = E_ZH_c - напряжение, прикладываемое к кристаллу. Следовательно, для кристаллов класса при приложенном ЭП вдоль оси Z и соответствующей ориентации фазовая задержка не зависит от длины кристалла.

Для КДР n₀ = 1,51, r₆₃ = 1,0310^-11, мВ, а напряжение, требуемое для того, чтобы задержка Г = радиан, (полуволновое напряжение), равно 11 кВ при длине волны 0,63мк. Для того чтобы понизить управляющее напряжение, кристаллы могут соединяться в виде каскадной схемы.

а б

Рис. 22

Кубические кристаллы класса . Представителям этого класса являются хлористая медь (CuCl) и сернистый цинк (ZnS). Вследствие кристаллической симметрии ненулевыми электрооптическими коэффициентами являются r₄₁ = r₅₂ = r₆ Если ЭП приложено вдоль оси Y перпендикулярно направлению распространения светового луча (рис. 23), то уравнение оптической индикатриссы имеет вид

(36)

а б

Рис. 23

Эллипсоид вращается вокруг оси Y = Y на угол 45°. Из рис. 23 следует, что направляющие косинусы равны ₂ = 1, ₂ = ₁ = ₃ = ₂ = 0, ₁ = ₃ = cos(/4) и ₃ = -₁ = sin(/4). Коэффициенты преломления вдоль осей X и Y выражаются в виде:

Если оптическая волна, линейно-поляризованная под углом +45^о, по отношению к оси Х и распространяется вдоль оси Z, то фазовая задержка равна

(37)

где D_c - толщина кристалла в направлении Y. Следовательно, фазовая задержка может быть увеличена для данного приложенного напряжения путем увеличения отношения длины кристалла к его толщине.

Гексагональные кристаллы класса 6. Для этого класса кристаллов ненулевыми электрооптическими коэффициентами являются:

r₁₂ = r₆₁ = - r₂₂,

r₂₁ = r₆₂ = - r₁₁.

Уравнение эллипсоида коэффициентов преломления в плоскости Z = 0 для полей, приложенных вдоль осей X и Y, записывается в виде

(38)

Если составляющие ЭП выражаются в виде E_X = Ecos и E_Y = sin , то эллипсоид коэффициентов преломления будет вращаться на угол

относительно оси Z = Z. Уравнение эллипсоида в плоскости Z = 0 равно

(39)

Фазовая задержка для оптической волны, распространяющейся вдоль оси Z, равна

(40)

На основании рассмотренных физических принципов модуляции можем определить и возможные методы модуляции:

- ИМ реализуется изменением мощности накачки газового, полупроводникового и твердотельного лазеров, модуляцией поглощения, эффектами фотоупругости, пьезоэлектрическим, акусто- и электрооптическим;

- ЧМ реализуется изменением длины резонатора, эффектами Зеемана и Штарка и фотоупругости, пьезо-, акустоэлектрическим, и электрооптическим;

- АМ, ФМ и ПМ реализуются эффектами магнито- и электрооптическим.

Наиболее практическими и широко используемыми принципами модуляции являются: модуляция мощности накачки полупроводниковых лазеров, акусто и электрооптическая модуляция.

Ниже будут подробно рассмотрены электрооптические модуляторы.



5. Электрооптические модуляторы

Электрооптические модуляторы нашли широкое применение в системах лазерной связи. Они характеризуются следующими положительными факторами:

- на основе электрооптического эффекта можно реализовать все рассмотренные методы модуляции;

- возможна широкополосная модуляция;

- спектральный диапазон по несущей включает весь оптический диапазон;

- электрооптические кристаллы не очень дороги, и модуляторы просты по конструкции.

Ниже приводятся примеры конструкций электрооптических модуляторов оптического излучения по интенсивности, поляризации и частоте несущей. Находятся аналитические выражения, описывающие связь между приложенным напряжением и фазовой задержкой.

Электрооптический модулятор интенсивности излучения. Схема, поясняющая принцип действия электрооптического модулятора интенсивности излучения, показана на рис. 24. Ячейка Поккельса вносит фазовую задержку (фазовый набег бег) Г, линейно-пропорциональную приложенному напряжению.

Луч лазера интенсивности I_S линейно поляризуется под углом. 45° по отношению к эллипсоиду коэффициентов преломления кристалла. Анализатор, следующий за модулятором, ориентируется ортогонально поляризации излучения лазера, Таким образом, если к кристаллу ЭП не приложено, то луч лазера полностью ослабляется модулятором. Состояние поляризации лазера, ячейка Поккельса и анализатор могут быть представлены поляризационными матрицами, отнесенными к кристаллическим осям.



Рис. 24

Матрица поляризации луча лазера имеет вид

(41)

Модулятор с полной фазовой задержкой Г характеризуется операционной матрицей

(42)

Матричный оператор анализатора

(43)

Матрица поляризации луча на выходе модулятора

(44)

Эта матрица характеризует линейно-поляризованный свет под углом -45° по отношению к оси X кристалла модулятора, Амплитуда электрического поля светового излучения пропорциональна sin (Г/2). Мнимая единица i соответствует фазовому сдвигу на 90° обоих компонент электрического поля Х и Y, входящих в модулятор, но в данном случае это обстоятельство не оказывает влияние на последующие выкладки. Интенсивность излучения на выходе модулятора

(45)

На рис. 25 графически показана зависимость между отношением выходной интенсивности излучения ко входной в модуляторе и фазовым сдвигом Г. Так как фазовая задержка пропорциональна модулирующему напряжению, то при линейной аналоговой модуляции наблюдаются значительные искажения. Искажения могут быть сведены к минимуму подачей на кристалл постоянного ЭП (электрическое смещение), которое вносит четвертьволновую фазовую задержку Г = /2 (в отсутствии модулирующего напряжения).

Рис. 25

Практически более конструктивным решением этого вопроса является применение четвертьволновой оптической пластины (оптическое смещение). Пластина устанавливается до или после ячейки Поккельса. Операционная матрица пластины, вносящей фазовую задержку в четверть длины волны (0,5) имеет вид

(46)

Тогда результирующая поляризационная матрица на выходе модулятора

(47)

Интенсивность излучения на выходе модулятора становится равной

(48)

Таким образом, при отсутствии модулирующего напряжения интенсивность излучения на выходе модулятора равна половине интенсивности излучения на входе. В электрооптических кристаллах фазовая задержка линейно зависит от приложенного напряжения. Для приложенного синусоидального модулирующего напряжения фазовая задержка Г может быть записана в виде

Г = K_mV_msin_mt, (49)

где K_m - постоянная пропорциональности;

V_m - максимальное модулирующее напряжение

_m/2 - частота модуляции.

Тогда интенсивность на выходе модулятора

(50)

Уравнение (50) может быть записано с применением функций Бесселя первого рода

(51)

Таким образом, на выходе модулятора имеем постоянную составляющую с интенсивностью, равной 0,5 интенсивности излучения на входе модулятора, гармоническую составляющую основной частоты с относительной амплитудой, равной J₁(K_mV_m), и высшие гармоники основной частоты. Высшие гармонические составляющие характеризуют искажения модуляционного процесса. Величина искажений D_i определяется отношением корня квадратного из суммы квадратов амплитуд гармоник к амплитуде основной гармоники:

(52)

Коэффициент глубины модуляции M_IM в соответствии с уравнением (2.26) определяется как

(53)

Если пренебречь искажениями, то коэффициент глубины модуляции становится равным

(54)



Если необходимо получить модуляцию, близкую к 100%, нужно учитывать, что в этом случае третья и высшие гармонические составляющие становятся больше и, следовательно, искажения увеличиваются. На рис.26 показана зависимость уровня искажений, связанных с наличием третьей гармоники, от коэффициента глубины модуляции.

Электрооптический поляризационный модулятор. В электрооптическом поляризационном модуляторе лазерный луч (интенсивностью I_S) линейно поляризуется под углом 45° но отношению к кристаллографическим осям ячейки Поккельса. Ячейка обеспечивает фазовую задержку пропорциональную приложенному напряжению.

Рис. 26 Рис. 27

На выходе модулятора поляризационная матрица имеет вид

(55)

Для четвертьволновой пластинки с «положительной» фазовой задержкой Г = /2 имеем

(56)



Следовательно, имеет место левая круговая поляризация света. Для четвертьволновой пластинки с «отрицательной» фазовой задержкой Г = -/2 получаем

(57)

Следовательно, световой луч имеет правую круговую поляризацию. Значение фазовой задержки, лежащей между Г = -/2 и Г = /2, определяют эллиптическую поляризацию со степенью эллиптичности прямо пропорциональной фазовой задержке.

Электрооптический частотный модулятор. На рис. 27 изображена схема электрооптического частотного модулятора. Ячейка Поккельса является кристаллом с тройной вращательной симметрией. Ортогонально приложенные к ячейке напряжения равны:

V_X = Vcos и V_Y = Vsin .

При этих условиях фазовая задержка Г линейно зависит от V. Эллипсоид коэффициентов преломления кристалла вращается на угол (относительно кристаллографический осей), который линейно пропорционален . Операционная матрица модулятора, отнесенная к кристаллографическим осям, получается следующим образом:

(58)

или после выполнения операции



(59)

Лазерный луч (интенсивностью I_S) линейно поляризуется под углом 45^о по отношению к осям и далее проходит через четвертьволновую пластину. Результирующий световой луч, который поступает на модулятор, имеет правую круговую поляризацию и характеризуется поляризационной матрицей

(60)

в которую включена функция времени e^it . Поляризационная матрица на выходе модулятора после некоторых тригонометрических преобразований имеет вид

(61)

Таким образом, световое излучение на выходе модулятора состоит из двух лучей. Первый луч характеризуется правой круговой поляризацией, частотой несущей и амплитудой, пропорциональной cos(Г/2); второй - левой круговой поляризацией, частотой ( - 2d/dt) и амплитудой, пропорциональной sin(Г/2).

При аналоговой ЧМ задержка Г устанавливается равной радиан для того, чтобы вся мощность лазерной-несущей была сосредоточена в составляющей с правой круговой поляризацией. Тогда ЧМ управляющего напряжения приводит к ЧМ оптической несущей. Для получения дискретной (двоичной) ЧМ необходимо установить желаемое значение (которое определяет требуемое частотное разделение между частотами передаваемых излучений) и затем манипулировать значение фазовой задержки Г (0 или ) в соответствии с передачей «единицы» или «нуля».

После рассмотрения принципов наложения информационного сигнала на когерентное оптическое излучения следует обратиться к элементам, обеспечивающих эффективное функционирование системы связи.

6. Основные элементы ПОМ

Для организации передачи оптических сигналов не достаточно иметь только источник излучения и устройства модуляции. В любой конструкции ПОМ есть ряд элементов, решающих вопросы обеспечения требуемого режима работы, диаграммы направленности излучения, предотвращение вибраций передатчика и ряд других требований (например, специальный держатель (housing), который позволяет закрепить и защитить составные элементы передатчика: источник излучения, узел электрического интерфейса и место сопряжения с волокном). Иногда требуются дополнительные внутренние элементы для оптимального подсоединения волокна. Важным элементом лазерных диодов является цепь тока накачки, и система контроля температуры. Для сложных лазерных систем добавляют выходной мониторинг оптического сигнала. Общая схема конструкции оптического передатчика, в которой не все элементы являются обязательными, показана на рис. 28 [4].

Оптические передающие антенны

Выходной луч лазерного передатчика часто необходимо коллимировать с помощью оптической антенны. Коллимирование позволяет уменьшить расходимость луча. Согласно теории дифракции расходимость луча обратно пропорциональна диаметру апертуры антенны. Следовательно, чем больше антенна, тем меньше ширина луча передатчика.

Рис. 28

Антенна передатчика всегда должна быть сконструирована так, чтобы расходимость луча достигала дифракционного предела. Это условие минимизирует размеры антенны. Однако минимальная ширина луча ограничивается точностными требованиями нацеливания и сопровождения. Эти требования приводят к тому, что минимальная ширина луча составляет около 1 микрорадиана. Для длинноволнового участка оптического спектра такая ширина луча требует предельного диаметра апертуры передатчика около 10 м, для коротковолнового участка спектра максимальный диаметр апертуры составляет приблизительно 50 см.

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 _с линейно поляризовано под углом 45° по отношению к «быстрой» оси, то фазовая задержка в кристалле длиной Н_с будет равна

Г = 2(n_e - n₀)H_C/_c (62)

Если Г = , то кристалл называется полуволновой пластиной, если Г = /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 относительно оси поляризатора (анализатора), то амплитуда выходящего луча будет равна Acos.

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 2 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.

Pиc. 37

На рисунке приведены характеристики пропускания каждой комбинации фазовых пластин-поляризаторов и общая характеристика фильтра. Используя данную конструкцию, можно изготовить фильтры с полосой пропускания 5010^-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.

а б

Рис. 38

Фильтр состоит из чередующихся слоев материалов с высоким и низким показателем преломления, нанесенных на стеклянной подложке. Оптическая толщина центрального слоя равна половине длины волны, внешних слоев - четверти длины волны каждая. Внешние HLH диэлектрические наборы слоев действуют как сильно отражающие пластины резонатора Фабри-Перо, разделенные LL диэлектрической пластиной.

Преимущество, многослойных диэлектрических фильтров по сравнению с металлическими интерференционными фильтрами состоит в том, что диэлектрические пластины имеют более высокое отражение и более низкое поглощение, чем металлические пластины. На рис. 39 приведены характеристики пропускания некоторых интерференционных фильтров.

Как было сказано выше, за фильтрами следует, определяющий основные характеристики фотоприемника элемент - фотодетектор.

Лазеры и светодиоды излучают свет, который детекторы принимают. Они размешаются в приемных устройствах и обеспечивают преобразовывать сигналы из оптической формы в электрическую.

Рис. 39

Основным элементом современных фотоприемных устройств систем связи являются различные полупроводниковые элементы на основе внутреннего фотоэффекта, при котором в результате поглощения фотонов с энергией, превышающей энергию запрещенной зоны, происходит переход электронов из валентной зоны в зону проводимости (генерация электронно-дырочных пар). При наличии электрического потенциала с появлением электронно-дырочных пар от воздействия оптического сигнала появляется электрический ток, обусловленный движением электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне. Эффективная регистрация генерируемых в полупроводнике электронно-дырочных пар обеспечивается путем разделения носителей заряда. Для этого используется конструкция с р-n-переходом, которая называется фотодиодом. Из фотоприемников, применяемых в ЛАСС и ВОСС, получили распространение р-i-n-фотодиоды, лавинные фотодиоды, фототранзисторы.

Величина тока вырабатываемого фотодетектором, зависит от свойств материала, который определяет спектральный диапазон, в пределах которого может приниматься сигнал. Кремний пригоден для детектирования света в диапазоне длин волн 400-1100 нм, что близко к свойствам арсенида галлия (400-1000 нм). При больших длинах волн (800-1600 нм) используется германий, тогда как InGaAs и InGaAsP оказываются эффективными для детектирования оптических сигналов в ближней инфракрасной области, используемой в телекоммуникационных каналах.

Важными являются и ряд других характеристики и параметров детекторов. Это время отклика, которое определяет, насколько быстро данное устройство может отслеживать поступающие сигналы или на какой частоте оно может работать и шумовые характеристики, которые могут приводить к регистрации ложных сигналов, генерируемых в результате тепловых эффектов. Учет этих факторов особенно важен при определении минимального уровня входного светового сигнала, при котором данное устройство еще способно обеспечивать нормальную работу.

Основными параметрами фотодетектора являются.

1. Чувствительность интегральная (S) и монохроматическая (S), которые определяются поглощательной способностью элемента, принимающего излучения, но при измерении зависят также от спектральной характеристики излучения и поэтому измеряются с использованием стандартных излучателей. S подразумевает чувствительность по отношению к монохроматическому потоку излучения Ф измеренному в ваттах. На практике в зависимости от необходимости пользуются понятием токовой (S_i) и вольтовой (S_U) чувствительностей:

(63)

где I и U - изменение тока через фотодетектор (ФД) и появляющееся падение напряжения на ФД в результате действия Ф и Ф, причем вместо ватт в (63) могут стоять люмены. Зависимости величины S от длины волны называются спектральными характеристиками чувствительности ФД, которые являются основными характеристиками ФД и приведены для ряда используемых для ФД материалов и p-n-переходов на рис.40, где по вертикальной оси отложен квантовый выход пропорциональный чувствительности.

2. Пороговый поток (Ф_П) и обнаружительная способность ФД (D_П = 1/Ф_П). Минимальный поток полезного излучения, который может быть обнаружен ФД, ограничивается шумами, называется пороговым потоком Ф_П и определяется величиной хаотического сигнала, появляющегося на выходе ФД в отсутствие полезного излучения.

Рис. 40

Величину флуктуаций принято оценивать дисперсией , то есть средним значением квадрата отклонения случайной величины V от ее среднего значения V₀ за временной интервал , протяженность которого значительно больше периода флуктуации.

Среднеквадратичные значения флуктуаций напряжения на нагрузке в цепи ФД и тока ФД в указанной полосе частот определяют соответственно напряжение шума U_Ш и ток шума I_Ш и являются параметрами фотоприемников.

Шумы ФД можно подразделить на собственные (внутренние) шумы ФД и на радиационный (фотонный) шум (шум из-за флуктуаций излучения).

К основным видам собственных шумов ФД относятся:

- Шум дробового эффекта, характерный для приемников, использующих фотогальванический фотоэффект. Он вызывается флуктуациями прохождения носителей заряда через p-n-переход около некоторой средней величины. Для перехода с барьером Шотки и для p-n-перехода, имеющих вольтамперную характеристику

I = I₀[exp(qU₀/kT) - 1],

среднеквадратичное значение шума дробового эффекта определяется формулой Шотки:

(64)

где q - заряд электрона; U₀ - напряжение на переходе; k -постоянная Больцмана; Т - температура диода в Кельвинах; f - эквивалентная (эффективная) полоса пропускания частот усилителя регистрирующего шумы.

На нагрузке R_н в цепи ФД этот ток создает флуктуационное напряжение, среднеквадратичное значение которого

(65)

Для случая лавинного фотодиода в формулах (64) и (65) следует заменить (I+2I₀) на I₀M²/[1 + (2f)²], где М - коэффициент умножения носителей, - время их пролета через диод, f - частота изменения света.

- Тепловой шум, обусловленный хаотическим тепловым движением носителей заряда в полупроводниках и определяемый по формуле Найквиста

(66)

здесь R - сопротивление резистора

- Генерационно-рекомбинационный шум, вызываемый флуктуациями скоростей генерации и рекомбинации носителей заряда, что приводит к флуктуациям концентрации свободных носителей заряда и, следовательно, к флуктуациям тока. Среднеквадратичное значение тока генерационно-рекомбинационного шума можно определить с учетом того, что при генерации и рекомбинации флуктуируют и электроны и дырки, давая согласно формуле Шотки суммарный дробовой шум , где q - заряд электрона, а I₀ - среднее значение тока. Но если учесть, что носители “живут” время , то лишь доля их равная /T внесет свой вклад в общий ток I₀, где Т - время движения носителей от одного электрода ФД до другого. Кроме того, из теории случайных процессов известно, что если они релаксируют с временем , то в правой части формул для должен появиться множитель 1/[1 + (2f)²], где f - средняя частота полосы f. При этом

(67)

а среднеквадратичное значение напряжения на сопротивлении R_н нагрузки

(68)

- Избыточный шум, объединяющий несколько видов шумов. Все они изменяются обратно пропорционально частоте и имеют место только при протекании тока через приемник, поэтому их называют также токовыми шумами или шумами, типа 1/f. Применительно к различным ФД этот шум в зависимости от его источника имеет специфические наименования. В фотоэмиссионных приемниках его называют шумом мерцания (фликкер-эффектом), в приемниках с внутренним фотоэффектом - модуляционным и контактным шумами. Истинная природа этого шума недостаточно ясна. Полагают, что источником избыточного шума являются поверхностные эффекты и электрические контакты. Поэтому этот вид шума связан с технологией изготовления и конструкцией прибора.

Среднеквадратичное значение тока избыточного шума

(69)

где В - коэффициент пропорциональности; и - постоянные, характеризующие конкретный ФД (в большинстве случаев величина близка к 2, а лежит в диапазоне 0,8-1,5).

Среднеквадратичное значение напряжения избыточного шума фоторезистора

(70)

где А - постоянная, определяемая для каждого типа фоторезистора; R - сопротивление фоточувствительного слоя.

Избыточный шум наблюдается у ФД всех типов. Как правило, он является преобладающим по сравнению с другими видами шума при частотах до нескольких сотен герц.

- Радиационный (фотонный) шум, возникающий вследствие флуктуации числа фотонов фона и источника излучения. Под фоном понимают излучение от окружающих предметов, оказавшихся в поле зрения ФД, не связанное с полезным, рабочим, излучением. Радиационный фоновой шум по воздействию на приемник не отличается от полезного сигнала, поэтому он подвергается такому же преобразованию со стороны ФД, как и сигнал.

На выходе ФД среднеквадратичное значение напряжения радиационного шума определяется произведением флуктуаций потока излучения на вольтовую чувствительность ФД

(71)

В ФД с внутренним усилением (лавинные фотодиоды, фототранзисторы) возникают дополнительные шумы, связанные со случайным характером механизма усиления.

Источники рассмотренных шумов статически независимы, поэтому среднеквадратичное значение напряжения полного шума равно корню квадратному из суммы средних квадратов его составляющих

(72)

Пороговым потоком называется минимальный поток излучения на входе фотоприемника, который создает на выходе электрический сигнал U_н, равный по величине среднеквадратичному значению напряжения шума

Минимальный сигнал U_н вызывается минимальным потоком излучения Ф_П, измеряемым в ваттах или люменах. Отношение этих величин является вольтовой чувствительностью фотоприемника S_u, так что можно записать

откуда

(73)

Поскольку шум ФД зависит от ширины полосы пропускания f усилителя, от этого же параметра зависит и величина порогового потока.

Поэтому для исключения зависимости порогового потока от измерительного устройства пороговый поток определяют в полосе 1 Гц:

(74)

где величина Ф_П1 имеет размерность ВтГц ^0,5 или ЛмГц^0,5.

Шумы, а значит, и пороговый поток ФД зависят от площади фоточувствительного слоя. Для учета этой зависимости и сравнения приемников различных типов и размеров служит параметр удельного порогового потока ФД Ф*_п. Это пороговый поток ФД в единичной полосе частот, отнесенный к единице площади А фоточувствительного элемента (Ф*_п измеряется в ВтГц ^0,5м^-2 или ЛмГц^0,5м^-2):

(75)

Чем меньше по абсолютной величине пороговый поток, тем лучше качество прибора. Небольшими удельными пороговыми потоками обладают малошумящие ФД с высокой вольтовой, а следовательно, и токовой чувствительностью. Величину обратную пороговому потоку, называют обнаружительной способностью D:

, (76)

а величину, обратную удельному пороговому потока. - удельной обнаружительной способностью D(Dизмеряется в Вт^-1Гц^0,5м², или

Лм¹Гц^0,5м²):

(77)

Условия определения удельной обнаружительной способности указывают отдельно. Этими условиями являются: длина волны регистрируемого монохроматического излучения или температура абсолютно черного тела, частота модуляции сигнала, полоса пропускания усилителя, телесный или плоский угол, характеризующий поле зрения на окружающий фон. Например, запись D (400К, 800, 2,2) означает, что приводится удельная обнаружительная способность, измеренная при облучении приемника излучением абсолютно черного тела с T = 400 K, при частоте модуляции сигнала 800 Гц в частотной полосе f = 2 Гц, при фоне, воздействующем на ФД в телесном угле 2.

Если параметры Ф_п, Ф*_п, D и D* измеряют по отношению к монохроматическому излучению, то в их обозначениях указывают индекс длины волны излучения , например D*.

Параметры питания. Рабочее напряжение на ФД U_p, выбираемое с запасом по отношению к пробивному напряжению. Максимально допустимое напряжение (U_max), при котором отклонения от номиналов меньше допустимых. Допустимая мощность рассеивания (Р_доп), определяется разогревом ФД. Темновое сопротивление (R_Т) и темновой ток (I_Т) ФД, определяемые при U = U_p и при отсутствии потока излучения, падающего на ФД.

4. Инерционность, переходные и частотные характеристики ФД. Процесс инерционности ФД легко проследить на примере решения уравнения кинетики фотопроводимости, когда изменение во времени концентрации избыточных носителей N имеет вид