Лазерная линия связи

 

Изобретение относится к системам открытой оптической связи и касается терминалов лазерной связи, предназначенных для организации линий связи между наземными станциями. Технический результат заключается в упрощении конструкции системы связи и повышении эффективности использования интенсивности лазерного пучка. В лазерной линии связи каждый приемопередатчик содержит электронный блок передатчика с лазером и электронный блок приемника с фотодиодом, каждый приемопередатчик содержит корпус, передняя стенка которого образована фазовой оптической голограммой, избирательно прозрачной для лучей с длиной волны λ₁ и λ₂, на противоположной стенке корпуса приемопередатчика смонтирован электронный блок передатчика с лазером и электронный блок приемника с фотодиодом, при этом выходы лазеров и входы фотодиодов расположены в соответствующих фокальных плоскостях фазовых оптических голограмм. 2 ил.

Изобретение относится к технике беспроводной связи, а именно к аппаратуре лазерной связи в свободном пространстве.

Известны лазерные приемопередатчики [1] для связи в атмосфере, состоящие из одного лазера (или нескольких лазеров), снабженные объективами для коллимирования лазерных пучков и фотоприемников с объективами для сбора и фокусировки принятых излучений на их чувствительных площадках. В качестве объективов часто используют одиночные линзы.

Анализ основных технических характеристик известных лазерных линий связи показывает, что всем им присущи следующие ограничения:

- сложность конструкции используемых приемопередатчиков, особенно механизма юстировки их оптических элементов;

- резкое несоответствие между массогабаритными характеристиками их основных элементов - полупроводникового лазера и фотодиода с массой порядка единиц граммов и оптических элементов, которые вместе с креплением имеют массу на два - три порядка больше;

- сложность изготовления и высокая стоимость оптических элементов каждого лазерного приемопередатчика;

- значительная часть лазерных излучений в линии связи проходит мимо объективов фотоприемников, так как приемная оптика в каждом приемопередатчике занимает менее 40% площади передней (рабочей) стенки конструкции;

- излучение передатчиков, рассеянное их оптическими элементами и аэрозолью атмосферы, может попадать на вход собственного приемника и вызвать паразитный шум, снижая основной показатель качества - отношение сигнал/шум.

Уменьшить количество оптических элементов можно за счет использования одного и того же оптического пути для пучков передаваемого и принимаемого излучения. Разделение указанных пучков можно производить по направлению их распространения, по длине волны, по поляризации [2-4], при этом неизбежны потери в интенсивности излучения.

Наиболее близкой к заявляемому изобретению по совокупности признаков является атмосферная линия [5] связи, принятая в качестве прототипа. Атмосферная линия связи содержит передатчики, приемники, светоизлучающие устройства, фотоприемные устройства, коллимирующие зеркала передающего тракта и фокусирующие зеркала приемного тракта. В каждом приемопередатчике известной линии зеркала выполнены концентрично на одной подложке так, что фокусирующее зеркало приемника расположено на периферии и имеет более длинное фокусное расстояние, чем фокусное расстояние коллиматорного зеркала. Кроме того, перед светоизлучающим и фотоприемным устройствами установлены взаимно ортогональные линейные поляризаторы.

Однако линия атмосферной связи, принятая в качестве прототипа, имеет сложную и громоздкую оптическую систему с разными фокусными расстояниями зеркал передающего и приемного трактов, что увеличивает габариты аппаратуры и усложняет ее электронную часть. Использование же в качестве оптических элементов вогнутых зеркал в комбинации на одной подложке возможно только при высокой точности их изготовления [6]. Применение взаимно ортогональных линейных поляризаторов неэффективно из-за потерь в них части лазерного излучения.

Заявляемое изобретение направлено на создание линии связи, содержащей два одинаковых лазерных приемопередатчиков, которые, имея меньшую массу и габариты с более простой конструкцией, чем приемопередатчик прототипа, могут существенно повысить эффективность использования интенсивности лазерного пучка передающего информацию, а также отношение сигнал/шум фотоприемника.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что лазерная линия связи выполнена на двух оптически связанных через атмосферу одинаковых приемопередатчиков, каждый из которых содержит передатчик со светоизлучающим устройством - лазером, приемник со светоприемным устройством - фотодиодом. Коллимирующий компонент передающего тракта и фокусирующий компонент приемного тракта, а также спектральные фильтры выполнены в виде одной фазовой оптической голограммы.

Благодаря использованию фазовой оптической голограммы можно получить следующие преимущества:

- собирать и/или коллимировать излучение со всей поверхности фазовой оптической голограммы из-за ее фокусирующих свойств;

- на одной фазовой оптической голограмме можно зарегистрировать N предметов при N≥2, например две линзы;

- высокую избирательность по длине волны, так как фазовая оптическая голограмма может работать как спектральный фильтр;

- отсутствие аберраций, которые ограничивают разрешающую способность стандартных оптических приборов;

- легкость изготовления - фазовую оптическую голограмму можно копировать так же, как и лазерные диски.

На фиг.1 представлена лазерная линия связи между двумя терминалами - лазерными приемопередатчиками, расположенными на противоположных концах линии оптической связи; на фиг.2 - структурная схема отдельного приемопередатчика.

Каждый приемопередатчик 1 или 2 содержит корпус 3, одна из вертикальных стенок которого образована фазовой оптической голограммой 4, а на противоположной стенке корпуса 1 смонтирован электронный блок 5 передатчика с лазером 6 и электронный блок 7 приемника с фотодиодом 8, а также стабилизированный блок 9 питания от сети переменного тока напряжением 220 В. Лазер 6 своим выходом, а фотодиод 8 - входом расположены в фокальной плоскости фазовой оптической голограммы 4. Светоизлучающий лазер 6 приемопередатчика 1 с длиной волны λ₁ расположен в фокусе голограммы 4 с длиной волны λ₁, а в приемопередатчике 2 наоборот в фокусе голограммы с длиной волны λ₂ в соответствии с излучаемой волной λ₂. Фотодиоды в каждом из взаимодействующих приемопередатчиках - в фокусах голограмм для волн λ₂ и λ₁ для первого и второго приемопередатчиков 1 и 2 соответственно. Следовательно, фотоприемники будут оптически развязаны с расположенными в одном и том же корпусе 3 светоизлучающими лазерами, а спектральная избирательность фазовых оптических голограмм 4 обеспечит защиту фотоприемников от внешней засветки, в том числе и солнечной.

Использование лазерной линии связи

Приемопередатчики 1 и 2 устанавливаются соосно напротив друг друга в пределах прямой видимости на крышах или стенах домов, причем на пути луча лазера 6 не должно быть препятствий, источников теплового излучения, скопления птиц и т.п. Взаимное положение приемопередатчиков может уточняться с помощью оптических прицелов (на чертеже не изображены) или лазерной подсветки самих приемопередатчиков 1 или 2. Как только будет достигнуто оптимальное расположение приемопередатчиков 1 и 2 относительно друг друга, последние закрепляют на выбранных площадках и могут осуществлять связь между терминалами 1 и 2 на волнах λ₁ и λ₂.

Сравнительный анализ с прототипом показал, что заявленное техническое решение отличается введением в конструкцию каждого из двух приемопередатчиков фазовой оптической голограммы, причем излучатель с длиной волны λ₁ расположен в первом приемопередатчике (терминале) в фокусе голограммы с длиной волны λ₁, а фотоприемник в фокусе голограммы с длиной волны λ₂ для второго приемопередатчика (терминала) наоборот - излучатель расположен в фокусе голограммы λ₂, а фотоприемник в фокусе голограммы λ₁, причем обе голограммы λ₁ и λ₂ выполнены на одной пластинке, которую размещают на передней стенке каждого приемопередатчика.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в существенном упрощении конструкции и уменьшении массы приемопередатчиков (терминалов) лазерной линии связи.

Кроме того, совокупность введенной в устройство фазовой оптической голограммы и ее связь с излучателем - лазером и фотоприемником позволяет поднять энергетический потенциал оптической линии связи и тем самым снизить требования к мощности излучения лазера или увеличить дальность связи, а также улучшить качество передачи информации за счет снижения отношения сигнал/шум, что практически невозможно при использовании прототипа.

Следовательно, предлагаемое техническое решение соответствует критерию новизны. Требуемый технический результат достигается вновь введенным существенным признаком, неизвестным в патентной и научно-технической литературе на дату подачи заявки, следовательно, техническое решение превышает изобретательский уровень.

Источники информации

1. Милинкис Б.М., Петров В.М. Атмосферная лазерная связь, Информост, ж. Радиоэлектроника и телекоммуникации, № 5 (18) 2001.

2. Патент ЕР № 0909048, кл. Н 04 В 10/24, 14.04.1999.

3. Патент США № 6154297, кл.359-152, 28.11.2000.

4. Патент США № 6137609, кл.359-152, 24.10.2000.

5. Патент РФ № 2120185, кл. Н 04 В 10/10, опубл. в БИ № 28, 1998 - (прототип).

6. Воробьев В.И. Оптическая локация для радиоинженеров. - М.: Радио и связь, 1983.

Формула изобретения

Лазерная линия связи между двумя приемопередатчиками, расположенными на противоположных концах линии оптической связи, причем каждый приемопередатчик содержит электронный блок передатчика с лазером и электронный блок приемника с фотодиодом, отличающаяся тем, что каждый приемопередатчик содержит корпус, передняя стенка которого образована фазовой оптической голограммой, избирательно прозрачной для лучей с длиной волны λ₁ и λ₂, на противоположной стенке корпуса одного приемопередатчика смонтирован электронный блок передатчика с лазером с длиной волны λ₁ и электронный блок приемника с фотодиодом с длиной волны λ₂, а на противоположной стенке корпуса другого приемопередатчика смонтирован электронный блок передатчика с лазером с длиной волны λ₂ и электронный блок приемника с фотодиодом с длиной волны λ₁, при этом выходы лазеров и входы фотодиодов расположены в соответствующих фокальных плоскостях фазовых оптических голограмм.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2