Система открытой оптической связи
Изобретение относится к системам открытой оптической связи и может быть использовано для двусторонней передачи информации между удаленными друг от друга объектами без использования электрических проводов и/или оптических волокон, в том числе при большом числе объектов, участвующих в обмене информацией. Технический результат состоит в упрощении конструкции и увеличении числа излучателей света и фотодетекторов, работающих на одну антенну. Для этого система открытой оптической связи содержит два приемопередающих терминала, по крайней мере один из которых содержит не менее одного фотодетектора и одного излучателя, оптически связанных с общей приемопередающей оптической антенной, причем антенна первого терминала выполнена так, что она формирует функции рассеяния точек, расположенных на выходных апертурах излучателей первого терминала с их перекрытием в области, где располагается апертура приемопередающей антенны второго терминала, а формируемые антенной функции рассеяния точек, расположенных в пределах апертуры антенны второго терминала, перекрываются с приемными апертурами фотодетекторов первого терминала. 18 з.п. ф-лы, 6 ил.
Изобретение относится к системам открытой оптической связи и может быть использовано для двусторонней передачи информации между удаленными друг от друга объектами без использования электрических проводов и/или оптических волокон, в том числе при большом числе объектов, участвующих в обмене информацией.
Известна система открытой оптической связи, терминалы которой содержат источник света и оптический приемник, соединенные при помощи передающего и приемного световодов с передающим и, соответственно, приемным телескопами. Применение световодов позволяет удалить оптическую систему от источника и приемника сигналов в тех случаях, когда это необходимо (US №4960315 [1]). Недостатком известного устройства является необходимость применения отдельного телескопа для каждого источника света и оптического приемника.
Концепция соединения источников света или оптических приемников с оптическими антеннами с помощью световодов использована также в патенте US №6366723 [2]. Данному устройству присущи те же недостатки, что и описанному в [1].
В ряде случаев необходимо применение нескольких источников, например, имеющих различные длины волн (для реализации частотного умножения каналов). Реализация технических решений, предложенных в патентах US №4960315 [1] и US №6366723 [2], в этом случае потребует нескольких передающих телескопов, по числу применяемых источников света.
Возможным решением этой проблемы является организация оптической связи торца одного световода как с приемником, так и с передатчиком оптических сигналов. При этом другой торец указанного единственного световода оптически соединяется с оптической антенной, обеспечивающей передачу и прием оптических сигналов через свободное пространство. Для реализации этой концепции необходимо обеспечить разделение приемного и передающего каналов на входе световода за счет дискриминации принимаемых и передаваемых сигналов по признаку несущей частоты.
В системах волоконно-оптической связи известны устройства, позволяющие использовать один и тот же световод как для приема, так и для передачи оптических сигналов. Примером реализации такого подхода является приемопередающее устройство для системы волоконно-оптической связи, которое содержит излучатель и фотодетектор, снабженные общей для обоих линзовой системой и средством для селекции принимаемых и передаваемых оптических пучков с разными частотными спектрами. Средство селекции каналов выполнено в виде двух светофильтров, между которыми размещена линзовая система, обеспечивающая оптическую связь излучателя и фотодетектора с торцом одного и того же световода (см. JP PN 10-010354, [3]). Однако эта система является дорогостоящей в исполнении из-за применения в ней спектроделительных элементов и вспомогательной оптики.
Наиболее близкой к заявляемой по своей технической сущности и достигаемому результату является система открытой оптической связи, известная из RU №00028576 [4]. Данная система позволяет использовать одну оптическую антенну, согласованную с единственным световодом, используемым как для приема, так и передачи оптических сигналов. Однако эта система является дорогостоящей в исполнении из-за применения в ней спектроделительных элементов и вспомогательной оптики на конце световода, обращенном к излучателям света и фотодетекторам.
Заявляемая в качестве изобретения система открытой оптической связи направлена на упрощение и удешевление конструкции и на увеличение числа излучателей света и фотодетекторов, передающих и принимающих оптические сигналы через одну оптическую антенну.
Указанный результат достигается тем, что система открытой оптической связи содержит два приемопередающих терминала, по крайней мере один из которых содержит не менее одного фотодетектора и одного излучателя, оптически связанных с общей приемопередающей оптической антенной, причем антенна первого терминала выполнена так, что она формирует функции рассеяния точек, расположенных на выходных апертурах излучателей первого терминала с их перекрытием в области, где располагается апертура приемопередающей антенны второго терминала, а формируемые антенной функции рассеяния точек, расположенных в пределах апертуры антенны второго терминала, перекрываются с приемными апертурами фотодетекторов первого терминала.
Указанный результат достигается тем, что антенна первого терминала выполнена в виде фокусирующего объектива, причем апертуры излучателей и фотодетекторов первого терминала смещены вдоль оптических осей излучателей и, соответственно, фотодетекторов, из области, оптически сопряженной апертуре антенны второго терминала по отношению к объективу антенны первого терминала, на расстояния, обеспечивающие перекрытие размытых изображений апертур излучателей и фотодетекторов в плоскости апертуры антенны второго терминала.
Указанный результат достигается тем, что антенна первого терминала выполнена в виде фокусирующего объектива и прозрачной пластины с неоднородной оптической толщиной, установленной между объективом и областью, где размещены апертуры излучателей и фотодетекторов.
Указанный результат достигается тем, что пластина с неоднородной оптической толщиной размещена в области, оптически сопряженной апертуре антенны второго терминала по отношению к объективу антенны первого терминала.
Указанный результат достигается тем, что апертуры излучателей первого терминала расположены на расстояниях Ln от упомянутой пластины, измеряемых вдоль распространения света и определяемых из соотношений NAn·Ln=Dn>d, где NAn - числовая апертура излучателя с номером n; Dn - диаметр светового пучка, выходящего из излучателя с номером n, измеряемый на пластине; d - максимальное расстояние между апертурами излучателей в поперечном к распространению света направлении.
Указанный результат достигается тем, что апертуры фотодетекторов первого терминала расположены на расстоянии Н от упомянутой пластины, измеряемом вдоль распространения света и определяемом из соотношения (2NAт+G)·H=D>g; где NAт - числовая апертура объектива антенны первого терминала; G - угловая ширина диаграммы рассеяния пластины; D - диаметр светового пучка, прошедшего через объектив антенны и пластину, измеряемый в области, где расположены апертуры фотодетекторов и излучателей; g - поперечный размер этой области.
Указанный результат достигается тем, что для любого n выполняется неравенство NAn+G/2<NAт.
Указанный результат достигается тем, что G для любого п удовлетворяет условию G+qn/F>2NAт·Ln/F, где F - фокусное расстояние объектива антенны; qn - поперечный размер апертуры излучателя с номером n.
Указанный результат достигается тем, что антенна первого терминала выполнена в виде фокусирующего объектива и установленного между объективом антенны и апертурами излучателей и фотодетекторов отрезка световода, поперечный размер светопроводящей сердцевины которого равен или больше поперечного размера области, через которую проходят оси диаграмм направленности излучателей и угловых полей зрения фотодетекторов первого терминала в плоскости торца отрезка световода, обращенного к апертурам излучателей и фотодетекторов, причем угловые отклонения указанных осей от оси отрезка световода на его торце, обращенном к апертурам излучателей и фотодетекторов, не превышают числовой апертуры этого отрезка световода.
Указанный результат достигается тем, что отрезок световода выполнен с длиной S, удовлетворяющей условию S>Qn1/NA, где Q - диаметр сердцевины отрезка световода; n1 - показатель преломления материала световода; NA - числовая апертура этого отрезка световода.
Указанный результат достигается тем, что торец отрезка световода, обращенный к объективу антенны, размещен в области, оптически сопряженной апертуре антенны второго терминала по отношению к объективу антенны первого терминала.
Указанный результат достигается тем, что торец отрезка световода, обращенный к объективу антенны, выполнен просветленным.
Указанный результат достигается тем, что торец отрезка световода, обращенный к объективу антенны, выполнен с утолщением.
Указанный результат достигается тем, что утолщение выполнено в виде прозрачной пластины с плоскими поверхностями, состыкованной с торцом световода через иммерсионную прокладку, причем световой диаметр этой пластины Т превышает 2NA·h/n2, где: NA - числовая апертура отрезка световода; h - толщина пластины; n2 - показатель преломления материала пластины.
Указанный результат достигается тем, что выходная апертура по крайней мере одного излучателя выполнена в виде торца световода, второй торец которого оптически связан с источником оптического излучения, несущего передаваемую информацию.
Указанный результат достигается тем, что приемная апертура по крайней мере одного фотодетектора выполнена в виде торца световода, второй торец которого оптически связан с устройством для преобразования несущего информацию оптического излучения в электрические сигналы.
Указанный результат достигается тем, что апертуры излучателей и фотодетекторов выполнены в виде торцов световодов, вторые торцы которых оптически связаны, соответственно, с источниками оптического излучения, несущего передаваемую информацию, и с устройствами для преобразования несущего информацию оптического излучения в электрические сигналы.
Указанный результат достигается тем, что антенна выполнена в виде объектива и отрезка световода с поперечным размером светопроводящей сердцевины, равным 3р, и с ней состыкованы выходная апертура излучателя и приемная апертура фотодетектора, при этом апертура излучателя выполнена в виде торца световода с поперечным размером, равным р, второй торец которого оптически связан с источником несущего передаваемую информацию оптического излучения, а апертура фотодетектора выполнена в виде торцов шести световодов, имеющих поперечные размеры р, вторые торцы которых оптически связаны с устройством для преобразования несущего информацию оптического излучения в электрические сигналы.
Указанный результат достигается тем, что антенна выполнена в виде объектива и отрезка световода с поперечным размером светопроводящей сердцевины, равным 3р, и с ней состыкованы апертуры двух излучателей и фотодетектора, при этом апертуры излучателей выполнены в виде торцов двух световодов с поперечный размером, равным р, вторые торцы которых оптически связаны с источниками несущего передаваемую информацию оптического излучения, а приемная апертура фотодетектора выполнена в виде торцов пяти световодов, имеющих поперечные размеры р, вторые торцы которых оптически связаны с устройством для преобразования несущего информацию оптического излучения в электрические сигналы.
При соединении нескольких излучателей и/или фотодетекторов, расположенных рядом друг с другом, с одной и той же приемопередающей оптической антенной апертуры указанных излучателей и/или фотодетекторов оказываются смещенными друг относительно друга.
В случае излучателей это приводит к угловому рассогласованию диаграмм направленности соответствующих им световых пучков, выходящих из антенны. В плоскости второго терминала каждому такому пучку соответствует своя освещенная область, причем эти области, вообще говоря, не пересекаются.
Рассмотрим случай расположения излучателей в области, оптически сопряженной второму терминалу по отношению к антенне первого терминала. На Фиг.1 изображено следующее: 1 и 2 - выходные апертуры излучателей первого терминала; 4' - поверхность, оптически сопряженная плоскости 9, в которой находится апертура второго терминала, по отношению к объективу 5 антенны первого терминала; 4 - фокальная поверхность объектива антенны; 6 и 7 изображения апертур излучателей в плоскости 9.
Освещенные области, соответствующие изображениям апертур излучателей, не пересекаются в плоскости 9. Это означает, что для приема вторым терминалом излучения от всех излучателей первого терминала, второй терминал должен быть оборудован либо несколькими приемными антеннами, каждая из которых совмещена с одной из освещенных областей (в рассмотренном примере это области 6 или 7), либо одной антенной с апертурой очень большого размера, что технически трудно реализуемо.
Смещенным в поперечном направлении апертурам фотодетекторов (на Фиг.1 для примера показана одна такая апертура 3) соответствуют смещенные друг относительно друга угловые поля зрения, которые, к тому же, не согласуются с угловыми диаграммами выходящих из антенны первого терминала световых пучков (поле зрения фотодетектора 3 обозначено цифрой 8 на Фиг.1).
Это означает, что второй терминал должен иметь либо несколько передающих антенн, каждая из которых согласована по угловому положению с полем зрения одного из фотодетекторов, либо одну антенну очень большого диаметра. Кроме того, передающие антенны второго терминала не должны совпадать с приемными, что создает дополнительные технические сложности при компоновке второго приемопередающего терминала.
Предлагаемое в данной заявке решение обеспечивает устранение перечисленных выше трудностей. Суть решения состоит в выполнении первого терминала с антенной, формирующей функции рассеяния точек, расположенных на выходных апертурах излучателей, с перекрытием в области, где располагается апертура приемопередающей антенны второго терминала, и формирующей функции рассеяния точек, расположенных в пределах апертуры антенны второго терминала, с перекрытием с приемными апертурами фотодетекторов первого терминала,
При этом каждая точка на выходной апертуре любого излучателя первого терминала оказывается оптически связанной с единой приемопередающей антенной второго терминала, и каждая точка апертуры антенны второго терминала оптически связана с апертурой каждого фотодетектором первого терминала.
Это может быть достигнуто за счет того, что апертуры излучателей и фотодетекторов первого терминала смещены вдоль оптических осей излучателей и, соответственно, фотодетекторов, из области, оптически сопряженной апертуре антенны второго терминала по отношению к объективу антенны первого терминала, на расстояния, обеспечивающие размывание изображений апертур излучателей и фотодетекторов в плоскости апертуры антенны второго терминала до их перекрытия в этой плоскости.
Этот случай проиллюстрирован на Фиг.2. Размытые изображения 6 и 7 апертур 1 и 2 излучателей налагаются друг на друга на апертуре 10 антенны второго терминала, и поэтому оптическое излучение от каждого излучателя хотя бы частично попадает в апертуру антенны второго терминала. Кроме того, размытое изображение 8 апертуры фотодетектора перекрывается с 6 и 7, поэтому излучение, выходящее из апертуры 10, установленной в области пересечения 6, 7 и 8, попадает в апертуру 3 фотодетектора первого терминала.
Формирование требуемой функции рассеяния точки, формируемой антенной первого терминала достигается также тем, что между апертурами излучателей и фотодетекторов и антенной размещена прозрачная пластина 11 с неоднородной оптической толщиной (см. Фиг.3).
При этом указанная пластина играет роль протяженного источника света с поперечными размерами, равными диаметру сечения конуса света, выходящего из апертуры каждого излучателя, указанной пластиной. Как показано в статье В.В.Рагульского и В.Г.Сидоровича, ДАН, 2002, т.384, №1, с.31 [5], протяженный источник света может обеспечивать частичную компенсацию оптических аберраций на пути распространения света от антенны первого терминала ко второму терминалу.
Размещение пластины с неоднородной оптической толщиной в области, оптически сопряженной второму терминалу по отношению к объективу антенны, обеспечивает оптимальную концентрацию излучения в плоскости 9 удаленного терминала и частичную компенсацию влияния аберраций на трассе на распределение света в этой плоскости, так как при этом в указанной плоскости строится изображение части пластины 11, освещенной излучением, выходящим из апертур излучателей.
Если при этом пластина имеет достаточно большую ширину угловой диаграммы рассеяния G, чтобы для любого n выполнялось условие G+qn/F>2NAт·Ln/F, где F - фокусное расстояние объектива антенны; NAт - числовая апертура антенны первого терминала; qn - поперечный размер апертуры излучателя с номером n; Ln - расстояние от апертуры излучателя с номером n до пластины, то обусловленная смещением апертур излучателей относительно пластины сферическая составляющая волнового фронта прошедшего через пластину излучения не ухудшает компенсацию оптических аберраций на пути распространения света от антенны первого терминала.
Размещение апертур излучателей на расстояниях Ln от упомянутой пластины, определяемых из соотношений NAn·Ln=Dn>d, где NAn - числовая апертура излучателя с номером n; Dn - диаметр выходящего из излучателя пучка на пластине; d - максимальное расстояние между апертурами излучателей в поперечном к распространению света направлении, обеспечивает перекрытие изображений областей пластины, освещенных излучателями. В этом случае апертура 10 антенны второго терминала, размещенная в области перекрытия изображений освещенных областей пластины, будет оптически связана со всеми, без исключения, излучателями.
Размещение апертур фотодетекторов на расстоянии Н от упомянутой пластины, определяемом из соотношения (2NAт+G)·Н=D>g, где D - диаметр светового пучка, прошедшего через объектив антенны и пластину, в области, где расположены апертуры фотодетекторов и излучателей; g - поперечный размер этой области, обеспечивает оптическую связь фотодетекторов с апертурой 10 антенны второго терминала, размещенной там, где перекрываются построенные антенной первого терминала изображения участков пластины 11, освещенных излучателями.
На Фиг.4 для примера показана одна точка 10', из которой выходит передаваемое вторым терминалом излучение, перехватываемое объективом 5 антенны первого терминала. Это излучение фокусируется на поверхности 4', оптически сопряженной плоскости 9 второго терминала по отношению к объективу 5. После фокусировки излучение распространяется с расходимостью, которая складывается из сферической составляющей, равной 2NAт, и составляющей G, обусловленной оптически неоднородной пластиной 11. Если суммарная расходимость 2NAт+G, помноженная на расстояние Н от пластины до приемных апертур фотодетекторов, превышает поперечные размеры области, в которой размещены апертуры фотодетекторов и излучателей, то фотодетекторы будут оптически связаны с апертурой 10.
Если для любого n выполняется неравенство NAn+G/2<NAт, то выходящее из излучателей оптическое излучение после прохождения через пластину 11 остается в пределах числовой апертуры объектива 5, что приводит к снижению потерь излучения при прохождении через этот объектив.
Выполнение антенны первого терминала в виде фокусирующего объектива 5 и отрезка световода 12, установленного между и объективом 5 и апертурами излучателей и фотодетекторов 1, 2 и 3 (см. Фиг.5), обеспечивает следующее:
1) отрезок световода 12 перемешивает пучки, выходящие из апертур излучателей таким образом, что в любой точке его торца, обращенного к объективу антенне, присутствует излучение, вышедшее из любого излучателя;
2) отрезок световода перемешивает световые лучи, пришедшее из области, где объективом антенны может быть построено изображение его торца, таким образом, что в любой точке торца отрезка световода, обращенного к апертурам фотодетекторов, присутствует излучение, испущенное из любой точки указанной области.
При этом необходимо, чтобы длина S отрезка световода удовлетворяла условию S>Qn1/NA, где Q - диаметр сердцевины отрезка световода; NA - его числовая апертура; n1 - показатель преломления материала световода.
Таким образом, вся область, где объектив антенны строит изображение торца отрезка световода, и где располагается апертура антенны второго терминала, оказывается оптически связанной с любым излучателем и любым фотодетектором.
Для того, чтобы минимизировать потери излучения на пути от апертур излучателей к отрезку световода и от отрезка световода к апертурам фотодетекторов, поперечный размер светопроводящей сердцевины отрезка световода выбирается равным или большим поперечного размера области, через которую проходят оси диаграмм направленности излучателей и угловых полей зрения фотодетекторов первого терминала в плоскости торца отрезка световода, обращенного к апертурам излучателей и фотодетекторов.
Кроме того, для обеспечения «захвата» и уменьшения потерь излучения при его передаче через отрезок световода, необходимо, чтобы угловые отклонения осей диаграмм направленности излучателей и угловых полей зрения фотодетекторов от оси отрезка световода на его торце, обращенном к апертурам излучателей и фотодетекторов, не превышали числовой апертуры этого отрезка световода.
Размещение торца отрезка световода в области, оптически сопряженной апертуре антенны второго терминала по отношению к объективу антенны первого терминала, обеспечивает оптическую связь с минимальными потерями между всеми излучателями и фотодетекторами и областью, где построено изображение торца отрезка световода в плоскости второго терминала. Кроме того, в этом случае происходит оптимальная компенсация аберраций на трассе за счет протяженности источника света, роль которого в данном случае выполняет торец отрезка световода, обращенный к объективу антенны
Выполнение конца отрезка световода, обращенного к объективу антенны, просветленным позволяет уменьшить отражение передаваемого излучения от этого торца в апертуры фотодетекторов. Выполнение этого торца утолщенным приводит к тому, что не весь отраженный от него свет возвращается в менее толстую часть световода и затем попадает в фотодетекторы.
Это весьма актуально, так как мощность передаваемого излучения, вообще говоря, на несколько порядков превосходит мощность излучения, принимаемого от удаленного второго терминала, и поэтому даже незначительные обратные блики передаваемого излучения могут нарушить качественный прием оптических сигналов, приходящих от удаленного терминала. Разумеется, положительный эффект будет выше, если одновременно использовать и утолщение и просветление.
Выполнение утолщения в виде прозрачной пластины с плоскими поверхностями, состыкованной с торцом световода через иммерсионную прокладку, причем световой диаметр пластины Т превышает 2NA·h/n2, где NA - числовая апертура отрезка световода; h - толщина пластины; n2 - показатель преломления материала пластины, обеспечивает отсутствие обратных бликов на стыке сечения световода и утолщения (за счет иммерсии), а также отсутствие потерь передаваемого излучения из-за апертурного ограничения на боковых поверхностях пластины (за счет того, что ее световой диаметр превышает размер расходящегося пучка излучения).
Выполнение выходной апертуры по крайней мере одного излучателя в виде торца световода, второй торец которого оптически связан с источником оптического излучения, несущего передаваемую информацию, позволяет обеспечить высокую плотность размещения излучателей в окрестности фокальной поверхности антенны, а также упростить доступ к источнику излучения при необходимости его замены или настройки.
Выполнение приемной апертуры по крайней мере одного фотодетектора в виде торца световода, второй торец которого оптически связан с устройством для преобразования несущего информацию оптического излучения в электрические сигналы, позволяет обеспечить высокую плотность размещения фотодетекторов в окрестности фокальной поверхности антенны, а также упростить доступ к устройству для преобразования оптического излучения в электрические сигналы при необходимости его замены или настройки.
Выполнение антенны в виде объектива и отрезка световода, а апертур излучателей и фотодетекторов - в виде торцов световодов, вторые торцы которых оптически связаны, соответственно, с источниками оптического излучения, несущего передаваемую информацию, и с устройствами для преобразования несущего информацию оптического излучения в электрические сигналы, позволяет обеспечить высокую эффективность оптической связи отрезка световода с апертурами нескольких излучателей и нескольких фотодетекторов без применения сложных и дорогостоящих линзовых оптических систем.
Выполнение антенны в виде объектива и отрезка световода с поперечным размером светопроводящей сердцевины, равным 3р, и состыковка с этой сердцевиной выходной апертуры излучателя и приемной апертуры фотодетектора позволяют обеспечить максимальную компактность устройства. При этом, для минимизации потерь света при его передаче и приеме, апертура излучателя выполняется в виде торца световода с поперечным размером, равным р, и вторым торцом, оптически связанным с источником несущего передаваемую информацию оптического излучения, а приемная апертура фотодетектора выполняется в виде торцов шести световодов с поперечным размером каждого, равным р, вторые торцы которых оптически связаны с устройством для преобразования несущего информацию оптического излучения в электрические сигналы.
При такой конфигурации потери принимаемого излучения невелики, так как суммарная площадь торцов шести световодов, доставляющих излучение от антенны к фотодетектору, составляет 2/3 от площади торца отрезка световода. При этом потери принимаемого излучения составят всего 33%, что вполне приемлемо для практических приложений.
При необходимости использования двух излучателей, антенна может быть выполнена в виде объектива и отрезка световода с поперечным размером светопроводящей сердцевины, равным 3р, и с этой сердцевиной состыковываются передающие апертуры двух излучателей и приемная апертура фотодетектора, при этом апертуры излучателей выполнены в виде торцов световодов с поперечный размером, равным р, вторые торцы которых оптически связаны с источниками несущего передаваемую информацию оптического излучения, а приемная апертура фотодетектора выполнена в виде торцов пяти световодов с поперечным размером каждого, равным р, вторые торцы которых оптически связаны с устройством для преобразования несущего информацию оптического излучения в электрические сигналы.
В этом случае потери принимаемого излучения составляют около 45%, что также приемлемо для применений. В то же время, эта простая и дешевая конструкция обеспечивает оптическую связь двух независимых источников света и фотодетектора с единой приемопередающей антенной без вспомогательных линз и другой оптики, которая без использования предлагаемого решения становится особенно сложной при необходимости согласовать с антенной более одного излучателя.
На Фиг.6 схематично изображены варианты реализации антенны и световодов, соединяющих ее с фотодетекторами и излучателями, как это изложено в пп.18 и 19 формулы (на поперечных разрезах пучков световодов точкой показано направление света от излучателей, а знаком + - к фотодетекторам). Антенна при этом состоит из объектива 5 и отрезка световода 12, с которым состыкован пучок световодов 13, состоящий из световодов, доставляющих излучение от излучателей к антенне (в примере, изображенном слева, такой световод один, а в примере справа - их два), и из световодов, доставляющих излучение от антенны к фотодетекторам (в примере, изображенном слева, таких световодов шесть, а в примере справа - их пять).
Следует отметить, что излучатели первого терминала могут работать как на одинаковых, так и на различных длинах волн генерируемого ими излучения. В первом случае во втором терминале достаточно использовать один фотодетектор. При использовании в разных излучателях первого терминала разных длин волн, второй терминал целесообразно оборудовать несколькими фотодетекторами, каждый из которых избирательно чувствителен только к одной длине волны. Это позволяет реализовать систему открытой оптической связи со спектральным умножением каналов. Предложенные в данной заявке решения позволяют обеспечить оптическую связь нескольких излучателей и/или нескольких фотодетекторов с единой приемопередающей антенной.
Сущность заявляемого изобретения поясняется чертежами и примерами его реализации. На Фиг.1 схематично показан вариант реализации терминала, предшествующего изобретению; на Фиг.2-6 представлены варианты реализации системы, охватываемые п.1 формулы изобретения, в частности, на Фиг.2 представлен вариант реализации терминала системы открытой оптической связи, в котором излучатели и детекторы установлены в соответствии с п.2 формулы изобретения; на Фиг.З изображен вариант реализации антенны системы открытой оптической связи с пластиной неоднородной оптической толщины (п.3 формулы изобретения); на Фиг.4 показан ход лучей от одной из точек апертуры антенны второго терминала системы к пластине неоднородной оптической толщины, входящей в состав антенны первого терминала; на Фиг.5 показан вариант выполнения антенны терминала с использованием отрезка световода для согласования апертур излучателей и фотодетекторов с апертурой антенны второго терминала; на Фиг.6 схематично изображены варианты реализации антенны и световодов, соединяющих ее с источниками оптического излучения, несущего информацию, и с устройствами для преобразования несущего информацию оптического излучения в электрические сигналы, как это изложено в пп.18 и 19 формулы изобретения.
Система открытой оптической связи содержит как минимум два приемопередающих терминала, каждый из которых содержит один или несколько излучателей (обозначены 1 и/или 2 на чертежах), апертуры которых могут быть выполнены в виде излучающих площадок фотодиодов или торцов активных элементов лазеров (полупроводниковых, газовых, и т.д.) или они могут представлять собой торцы световодов, вторые торцы которых оптически соединены со светоизлучающими площадками фотодиодов или активными элементами лазеров, или с выходными апертурами других оптических устройств, формирующих промодулированные информационными сигналами световые волны. Терминал содержит также один или несколько фотодетекторов 3, которые могут быть выполнены из числа известных. В частных случаях их апертурами могут служить входные апертуры устройств, обеспечивающих транспортировку принимаемого оптического излучения к преобразователям этого излучения в электрические сигналы.
Указанные апертуры излучателей и фотодетекторов размещают со смещением вдоль их оптических осей относительно поверхности 4', оптически сопряженной плоскости 9 апертуры 10 антенны второго терминала по отношению к объективу 5 антенны первого терминала. Указанные апертуры излучателей и фотодетекторов проецируются объективом антенны первого терминала в виде участков 6, 7 и 8 плоскости 9 расположения апертуры антенны второго терминала.
В качестве объектива 5 может быть использован одно- или многолинзовый объектив, либо любая другая оптическая фокусирующая система, например телескоп (зеркальный, либо линзовый).
Размытые изображения 6, 7 и 8 указанных апертур частично перекрываются друг с другом, и в области их перекрытия размещена апертура 10 антенны второго терминала (содержащая множество точек 10'), который может быть идентичным по своей конструкции первому терминалу, либо отличаться по конструктивному выполнению (например выбран из числа известных).
В частных случаях реализации для получения требуемых функций рассеяния точек, формируемых антенной первого терминала, между объективом 5 антенны и апертурами 1, 2 и 3 излучателей и/или фотодетекторов устанавливается пластина 11 с неоднородной оптической толщиной, например стекло в неровной поверхностью. Наиболее оптимальным представляется установка этой пластины в области 4', сопряженной апертуре 10 антенны второго терминала по отношению в объективу антенны первого терминала.
В другом частном случае вместо пластины 11 может быть использован отрезок световода 12, минимальная длина которого выбирается из оговоренного в формуле изобретения условия. Следует отметить, что этот отрезок световода может быть выполнен с длиной, существенно превышающей минимальную, если это удобно для компоновки терминала. Форма поперечного сечения указанного отрезка световода может быть любой (круг, квадрат, овал и т.п.).
Торец световода, обращенный к объективу антенны первого терминала, целесообразно просветлить каким-либо известным образом, а также снабдить утолщением, например выполненным в виде прозрачной пластины с плоскими поверхностями, состыкованной с указанным торцом через иммерсионную прокладку, которой может служить, например, слой канадского бальзама или глицерина.
В частном случае, апертуры фотодетекторов и излучателей могут быть выполнены в виде торца пучка световодов 13, причем число световодов в пучке выбирается исходя из поставленных задач. Число световодов, которые оптически связаны с источниками оптического излучения, несущего передаваемую информацию, и, соответственно, с устройствами для преобразования несущего информацию излучения в оптические сигналы, а также их формы и размеры могут быть различными.
Например, как это показано на Фиг.6, число световодов равняется семи, все они имеют круглое сечение и диаметр каждого в три раза меньше диаметра отрезка световода, входящего в состав антенны. Семь световодов вписываются в круг диаметра втрое большего, чем их диаметры, что позволяет уменьшить потери излучения на стыке этих световодов и отрезка световода. При этом апертурой излучателя служит один из указанных световодов (см. а на Фиг.6), или два из них (см. б на Фиг.6), а остальные световоды оптически связаны с устройством (или с устройствами) для преобразования оптического излучения в электрические сигналы.
Система, представленная на Фиг.2, функционирует следующим образом. Модулированное информационным сигналом излучение от апертур излучателей 1 и 2 через объектив 5 в силу из определенного взаимного расположения проецируется в виде пятен 6 и 7 в плоскости 9 апертуры 10 антенны второго терминала. Затем та часть излучения, которая попадает в апертуру 10, транспортируется к фотодетектору второго терминала и преобразуется в электрические сигналы. Соответственно, излучение от излучателей второго терминала перехватывается объективом 5 антенны первого терминала и транспортируется к апертуре (апертурам) 3 фотодетектора (фотодетекторов).
Устройство, показанное на Фиг.3, функционирует следующим образом. Модулированные информационным сигналом световые пучки от апертур излучателей 1 и 2 проходят через пластину 11 с неоднородной оптической толщиной, в результате чего их волновые фронты искажаются, что приводит к расширению их угловых спектров. Затем пучки проходят через объектив 5 и проецируются в виде частично перекрывающихся друг с другом пятен 6 и 7 в плоскости 9.
За счет пластины 11 распределение интенсивности света в этих пятнах является более однородным, чем в предыдущем случае, показанном на Фиг.2, если угловая ширина рассеяния указанной пластины удовлетворяет условию, оговоренному в формуле изобретения. Это происходит потому, что из-за расширения углового спектра излучения пластиной неоднородности интенсивности, обусловленные аберрациями на трассе от объектива антенны первого терминала до апертуры антенны второго терминала, усредняются по поперечному сечению в плоскости апертуры антенны второго терминала.
Ход лучей от антенны второго терминала к первому показан на Фиг.4, где для примера показана одна точка 10', из которой выходит передаваемое вторым терминалом излучение, перехватываемое объективом 5 антенны первого терминала. Это излучение фокусируется на поверхности 4', оптически сопряженной плоскости 9 второго терминала по отношению к объективу 5. После фокусировки излучение распространяется с расходимостью, которая складывается из сферической составляющей, равной 2NAт, и составляющей G, обусловленной оптически неоднородной пластиной 11. Если суммарная расходимость 2NAт+G, помноженная на расстояние Н от пластины до приемных апертур фотодетекторов, превышает поперечные размеры области, в которой размещены апертуры фотодетекторов и излучателей, то фотодетекторы будут оптически связаны с апертурой 10.
Работа устройств, представленных на Фиг.5 и 6, аналогична описанной выше. Применение отрезка световода 12 вместо пластины 11 в некоторых случаях предпочтительно, так как при этом отражение света на стенках отрезка световода обеспечивает более полное перекрытие функций рассеяния точек, расположенных на выходных апертурах излучателей, а также точек, расположенных в пределах апертуры антенны второго терминала. С другой стороны, при необходимости реализации значительной области такого перекрытия может потребоваться дорогостоящий световод с большим диаметром, который, к тому же, может оказаться слишком жестким для компактного монтажа антенны.
Если, например, диаметр области 12' должен составить 2 м на расстоянии 200 м от объектива антенны первого терминала, и фокусное расстояние этого объектива составляет 100 мм, то потребуется отрезок световода с диаметром сердцевины порядка 1 мм. В этом случае применение пластины 11 и удаленных от нее примерно на 2,5 мм апертур излучателей с числовыми апертурами 0,22, позволит сформировать на пластине освещенную область с поперечным размером примерно равным 1 мм, что и требуется в данном случае.
1. Система открытой оптической связи, содержащая два приемопередающих терминала, по крайней мере один из которых содержит не менее одного фотодетектора и одного излучателя, оптически связанных с общей приемопередающей оптической антенной, причем антенна первого терминала выполнена так, что она формирует функции рассеяния точек, расположенных на выходных апертурах излучателей первого терминала, с их перекрытием в области, где располагается апертура приемопередающей антенны второго терминала, а формируемые антенной функции рассеяния точек, расположенных в пределах апертуры антенны второго терминала, перекрываются с приемными апертурами фотодетекторов первого терминала.
2. Система по п.1, отличающаяся тем, что антенна первого терминала выполнена в виде фокусирующего объектива, причем апертуры излучателей и фотодетекторов первого терминала смещены вдоль оптических осей излучателей и, соответственно, фотодетекторов из области, оптически сопряженной с апертурой антенны второго терминала по отношению к объективу антенны первого терминала, на расстояния, обеспечивающие перекрытие размытых изображений апертур излучателей и фотодетекторов в плоскости апертуры антенны второго терминала.
3. Система по п.1, отличающаяся тем, что антенна первого терминала выполнена в виде фокусирующего объектива и прозрачной пластины с неоднородной оптической толщиной, установленной между объективом и областью, где размещены апертуры излучателей и фотодетекторов.
4. Система по п.3, отличающаяся тем, что пластина с неоднородной оптической толщиной размещена в области, оптически сопряженной с апертурой антенны второго терминала по отношению к объективу антенны первого терминала.
5. Система по п.4, отличающаяся тем, что апертуры излучателей первого терминала расположены на расстояниях Ln от упомянутой пластины, измеряемых вдоль распространения света и определяемых из соотношений NAn·Ln=Dn>d, где NAn - числовая апертура излучателя с номером n; Dn - диаметр светового пучка, выходящего из излучателя с номером n, измеряемый на пластине; d - максимальное расстояние между апертурами излучателей в поперечном к распространению света направлении.
6. Система по п.4, отличающаяся тем, что апертуры фотодетекторов первого терминала расположены на расстоянии Н от упомянутой пластины, измеряемом вдоль распространения света и определяемом из соотношения (2NAт+G)·H=D>g; где NAт - числовая апертура объектива антенны первого терминала; G - угловая ширина диаграммы рассеяния пластины; D - диаметр светового пучка, прошедшего через объектив антенны и пластину, измеряемый в области, где расположены апертуры фотодетекторов и излучателей; g - поперечный размер этой области.
7. Система по п.3 или 4, отличающаяся тем, что для любого n выполняется неравенство NAn+G/2<NAт.
8. Система по п.4, отличающаяся тем, что G для любого n удовлетворяет условию G+qn/F>2NAт·Ln/F, где F - фокусное расстояние объектива антенны; qn - поперечный размер апертуры излучателя с номером n.
9. Система по п.1, отличающаяся тем, что антенна первого терминала выполнена в виде фокусирующего объектива и установленного между объективом антенны и апертурами излучателей и фотодетекторов отрезка световода, поперечный размер светопроводящей сердцевины которого равен или больше поперечного размера области, через которую проходят оси диаграмм направленности излучателей и угловых полей зрения фотодетекторов первого терминала в плоскости торца отрезка световода, обращенного к апертурам излучателей и фотодетекторов, причем угловые отклонения указанных осей от оси отрезка световода на его торце, обращенном к апертурам излучателей и фотодетекторов, не превышают числовой апертуры этого отрезка световода.
10. Система по п.9, отличающаяся тем, что отрезок световода выполнен длиной S, удовлетворяющей условию S>Qn1/NA, где Q - диаметр сердцевины отрезка световода; n1 - показатель преломления материала световода; NA - числовая апертура этого отрезка световода.
11. Система по п.9, отличающаяся тем, что торец отрезка световода, обращенный к объективу антенны, размещен в области, оптически сопряженной с апертурой антенны второго терминала по отношению к объективу антенны первого терминала.
12. Система по п.9, отличающаяся тем, что торец отрезка световода, обращенный к объективу антенны, выполнен просветленным.
13. Система по п.9, отличающаяся тем, что торец отрезка световода, обращенный к объективу антенны, выполнен с утолщением.
14. Система по п.13, отличающаяся тем, что утолщение выполнено в виде прозрачной пластины с плоскими поверхностями, состыкованной с торцом световода через иммерсионную прокладку, причем световой диаметр этой пластины Т превышает 2NA·h/n2, где NA - числовая апертура отрезка световода; h - толщина пластины; n2 - показатель преломления материала пластины.
15. Система по п.1, отличающаяся тем, что выходная апертура по крайней мере одного излучателя выполнена в виде торца световода, второй торец которого оптически связан с источником оптического излучения, несущего передаваемую информацию.
16. Система по п.1, отличающаяся тем, что приемная апертура по крайней мере одного фотодетектора выполнена в виде торца световода, второй торец которого оптически связан с устройством для преобразования несущего информацию оптического излучения в электрические сигналы.
17. Система по п.9, отличающаяся тем, что апертуры излучателей и фотодетекторов выполнены в виде торцов световодов, вторые торцы которых оптически связаны соответственно с источниками оптического излучения, несущими передаваемую информацию, и с устройствами для преобразования несущего информацию оптического излучения в электрические сигналы.
18. Система по п.9, отличающаяся тем, что отрезок световода выполнен с поперечным размером светопроводящей сердцевины, равным 3р, и с ней состыкованы выходная апертура излучателя и приемная апертура фотодетектора, при этом апертура излучателя выполнена в виде торца световода с поперечным размером, равным р, второй торец которого оптически связан с источником несущего передаваемую информацию оптического излучения, а апертура фотодетектора выполнена в виде торцов шести световодов, имеющих поперечные размеры р, вторые торцы которых оптически связаны с устройством для преобразования несущего информацию оптического излучения в электрические сигналы.
19. Система по п.9, отличающаяся тем, что отрезок световода выполнен с поперечным размером светопроводящей сердцевины, равным 3р, и с ней состыкованы апертуры двух излучателей и фотодетектора, при этом апертуры излучателей выполнены в виде торцов двух световодов с поперечным размером, равным р, вторые торцы которых оптически связаны с источниками несущего передаваемую информацию оптического излучения, а приемная апертура фотодетектора выполнена в виде торцов пяти световодов, имеющих поперечные размеры р, вторые торцы которых оптически связаны с устройством для преобразования несущего информацию оптического излучения в электрические сигналы.
