Оптическая линия связи
Изобретение относится к системам оптической связи и может использоваться в системах с фазовой модуляцией при гомодинном приеме. Технический результат заключается в помехоустойчивости канала связи. Для этого в линии связи, состоящей из передатчика, формирующего когерентные опорный и модулированный лучи, и приемника, в котором фазовые фронты этих лучей совмещаются, с выделением выходного информационного сигнала, формирование когерентного опорного луча осуществляют посредством источника когерентного излучения, который облучает светоделитель, при этом одна часть когерентного излучения отражается светоделителем, а другая часть попадает на фазовый модулятор отражательного типа, совмещение фазовых фронтов осуществляется на выходе оптической системы передающей части линии связи, в приемнике оптическое излучение направляется на матрицу фотоприемников, в плоскости которой формируется интерференционная картина, электрический сигнал с каждой из групп матрицы фотоприемников поступает на устройство, определяющее отношение этих сигналов, которой пропорционален модулирующему сигналу. 2 ил.
Предлагаемое изобретение относится к системам связи, использующим фазовую модуляцию передаваемого оптического сигнала и гомодинный способ его приема. Может быть использовано для построения помехоустойчивых систем связи и управления.
Известны гомодинные системы оптического диапазона [1], использующие сигнал местного гетеродина. При этом требования к когерентности, стабильности частоты и пространственному совмещению фронтов сигнального луча и луча местного гетеродина чрезвычайно высоки, что делает этот способ практически трудно выполнимым, а помехоустойчивость канала связи остается небольшой.
По совокупности признаков наиболее близким прототипом предлагаемого устройства является устройство для непрерывного динамического формирования волнового фронта гетеродина в соответствии с приходящим волновым фронтом сигнала [2], заключающийся в том, что несущая приходящего оптического сигнала или принятый опорный “пилот-сигнал” усиливаются в многомодовом узкополосном лазерном усилителе, сохраняющем волновой фронт усиливаемого сигнала, который затем используется в качестве сигнала гетеродина. Недостатком известного устройства является сложность практической реализации квантового усилителя, особенно при наличии доплеровского сдвига частоты принимаемого сигнала, а также зависимость величины выходного сигнала приемника от амплитуды и фазы входного сигнала (слабая защищенность от помех) и наличие большого количества оптических элементов на приемной стороне линии связи (используемых для выделения “пилот-сигнала” или несущей, его усиления в многомодовом усилителе с сохранением волнового фронта и совмещения с фронтом принимаемого сигнала), являющихся источником дополнительных шумов.
Задача, на решение которой направлено предлагаемое устройство, состоит в повышении помехоустойчивости линии связи и упрощении оптической схемы.
Достигаемый технический результат заключатся в том, что
- повышена устойчивость линии связи к амплитудно-фазовым возмущениям, поражающим в одинаковой степени пространственно совмещенные оптические лучи;
- упрощена оптическая схема известного устройства путем уменьшения числа ее элементов.
Указанные технические результаты достигаются тем, что принятые пространственно совмещенные когерентные лучи направляются на матрицу фотоприемников, в плоскости которых формируется интерференционная картина, не чувствительная к одинаковым приращениям фазы интерферирующих лучей, а делитель, определяющий отношение амплитуд фото - ЭДС от двух групп фотоприемников, размещенных в пределах интерференционной картины в соответствии с ее периодом, не чувствителен к одновременному изменению амплитуд входных сигналов.
Разработанное устройство формирования передаваемых опорного и информационного лучей позволило исключить часть оптических элементов, используемых в приемнике прототипа для выделения опорного луча, его усиления и совмещения с фронтом информационного луча.
Сущность предлагаемого устройства заключается в следующем. На передающей стороне линии связи формируют два когерентных пространственно совмещенных луча одинаковой амплитуды. Один из них является опорным, а второй модулируется по фазе по закону передаваемого сообщения. Пространственное совмещение опорного и информационного лучей делает их одинаково пораженными как амплитудными, так и фазовыми возмущениями на трассе распространения оптического сигнала от пункта его передачи до пункта приема.
На приемной стороне линии связи оба луча создают интерференционную картину в плоскости матрицы фотоприемников, которые разделены на две группы, отстоящие друг от друга в соответствии с пространственным периодом интерференционной картины в отсутствии модуляции. При фазовой модуляции сигнального луча происходит перераспределение энергии оптического поля в плоскости интерференционной картины, определяемое законом модуляции (вплоть до смены светлых областей на темные). Производя одновременное раздельное измерение выходных сигналов первой и второй групп фотоприемников, находят отношение измеренных величин, являющееся пропорциональным модулирующему сигналу в пределах линейного участка демодуляционной характеристики.
На приемную сторону линии связи приходят пространственно совмещенные когерентные лучи, получившие одинаковые амплитудно-фазовые возмущения, которые создают интерференционную картину в плоскости фотоприемников.
Распределение интенсивности в интерференционной картине зависит от разности фаз опорного и сигнального лучей, что приводит к устранению влияния фазовых возмущений на трассе распространения совмещенных лучей.
Процесс деления значений выходных сигналов одной группы фотоприемников на значения выходных сигналов другой группы позволяет исключить влияние амплитудных возмущений на выходной сигнал делителя.
Предложенное устройство позволяет выделять модулирующий сигнал без дополнительной обработки оптических лучей в приемном устройстве (как это имеет место в прототипе), что уменьшает число элементов его оптической схемы.
Проведенный сравнительный анализ выявил следующие отличия заявляемого устройства от устройства-прототипа:
- введена матрица фотоприемников, разделенных на две группы;
- введен измеритель отношения напряжений;
- упрощена оптическая схема устройства.
Предлагаемое устройство поясняется чертежами, где на фиг.1 приведена схема предлагаемой оптической линии связи. В ее состав входят следующие оптически связанные элементы. Источник когерентного оптического излучения 1, короткофокусная собирающая линза 2, светоделительная пластина 3, фазовый модулятор отражательного типа 4, который электрически связан с источником передаваемого сигнала 5. Далее вдоль оптической оси расположена длиннофокусная собирающая линза 6, фокус которой совмещен с фокусом короткофокусной линзы 2. Передаваемое излучение, пройдя трассу распространения, попадает в приемную оптическую систему, состоящую из расположенных вдоль ее оптической оси длиннофокусной 7 и короткофокусной 8 линз, диафрагмы пространственного фильтра 9, интерференционного фильтра 10, матрицы фотоприемников 11, электрически связанной с измерителем отношений 12. Устройство работает следующим образом. Когерентное монохроматическое излучение лазера 1 после прохождения собирающей короткофокусной линзы 2 преобразуется в расходящийся поток, часть которого отражается светоделителем 3, а вторая часть попадает на оптический фазовый модулятор отражательного типа 4 (например, на основе линейного электрооптического эффекта в кристаллах KDP или обратного пьезоэлектрического эффекта), который управляется напряжением от источника передаваемого сигнала 5. При этом изменение фазы по закону модуляции производится в пределах от 0 до 
. Светоделительная пластина 3 и фазовый модулятор 4 юстируются так, чтобы отраженные от них лучи направлялись вдоль оптической оси длиннофокусной собирающей линзы 6.
Таким образом, на выходе оптической системы передающей части линии связи (после линзы 6) формируется луч, состоящий из когерентных пространственно совмещенных опорного (немодулированного) и информационного (модулированного по фазе) лучей. Эти лучи, пройдя трассу распространения оптического сигнала, достигают приемной системы, оптическая ось которой совмещена с оптической осью передающей системы. Длиннофокусная 7 и короткофокусная 8 линзы с совмещенными фокусами составляют приемную оптическую систему. В точке совмещения фокусов линз 7 и 8 размещена диафрагма пространственного фильтра. Позади линзы 8 размещен интерференционный фильтр 10, настроенный на частоту используемого оптического излучения. После пространственной и частотной селекции принятое оптическое излучение направляется на матрицу фотоприемников 11, в плоскости которой формируется интерференционная картина в виде концентрических окружностей, являющаяся результатом сложения двух принятых когерентных пространственно совмещенных лучей - опорного и фазомодулированного. Матрица фотоприемников 11 составлена из фотодетекторов, заполняющих всю плоскость, в пределах которой сформирована основная часть интерференционной картины. Причем все фотодетекторы разделены на две группы. В первую группу объединены фотодетекторы, расположенные в светлых участках интерференционной картины, зафиксированной при отсутствии модулирующего сигнала, а во вторую - фотодетекторы, расположенные в темных участках “остановленной” интерференционной картины. Электрические сигналы от двух групп фотоприемников подаются на делитель, выходной сигнал которого, пропорциональный частному от деления фото - ЭДС первой группы фотоприемников на фото - ЭДС второй группы, и является принятым модулирующим сигналом.
На фиг.2 приведены графические зависимости экспериментально полученных сигналов на выходе первой и второй групп фотоприемников (U1 - пунктирная и U2 - штриховая линии соответственно) при изменении фазы 
информационного луча, а также график, полученный в результате нахождения отношения этих величин (U - сплошная линия), отражающая зависимость выходного сигнала приемника от фазы информационного луча, являющаяся демодуляционной характеристикой приемника. Как видно из полученной зависимости, на ней может быть выделен линейный участок для осуществления линейной аналоговой модуляции. Для передачи цифрового сигнала может быть использована фазовая манипуляция (0; ).
Предложенное устройство, сохраняя качества приведенных в описании аналогов, отличается повышенной помехоустойчивостью и упрощенной оптической схемой.
Источники информации
1. Вильям К. Пратт. Лазерные системы связи. Пер. с англ. М.: Связь, 1972, с.44.
2. Керр, Титтертон и др. Оптическая связь через атмосферу. ТИИЭР. 1970, т. 58, №10, с.318.
Формула изобретения
Оптическая линия связи, состоящая из передатчика, формирующего когерентные опорный и модулированный лучи, и приемника, в котором фазовые фронты этих лучей совмещаются, с выделением выходного информационного сигнала, отличающаяся тем, что формирование когерентного опорного луча осуществляют посредством источника когерентного излучения, который облучает светоделитель, при этом одна часть когерентного излучения отражается светоделителем, а другая часть попадает на фазовый модулятор отражательного типа, который управляется источником передаваемого сигнала, совмещение фазовых фронтов осуществляется на выходе оптической системы передающей части линии связи путем юстировки фазового модулятора, в приемнике оптическое излучение направляется на матрицу фотоприемников, в плоскости которой формируется интерференционная картина, причем элементы матрицы разделены на две группы, размещаемые в пределах интерференционной картины в соответствии с ее периодом, а электрический сигнал с каждой из групп матрицы фотоприемников поступает на устройство, определяющее отношение этих сигналов, которое является выходным информационным сигналом, который пропорционален модулирующему сигналу.
