2.2.3. Оптические каналы

По диапазонам используемых частот оптические каналы подразделяются на следующие группы:

а) видимая часть спектра ();

б) инфракрасная часть спектра ();

в) ультрафиолетовая часть ();

Расположение оптических каналов на волновой оси электромагнитных излучений показано на схеме (см. рис. 2.5).

Рис. 2.5.

1 - -лучи; 2 – рентген излучение; 3 – ультрафиолетовое излучение; 4 – видимое излучение; 5 – инфракрасное излучение; 6 – микроволновое излучение (СВЧ); 7 – радиоволны.

Устройства, работающие в инфракрасном диапазоне, нашли более широкое применение из-за существенных преимуществ перед видимым излучением и ультрафиолетовым. Среди них: меньшее ослабление в атмосфере; скрытность передачи из-за возможности распространения в темноте; большая помехозащищенность канала и др.

Инфракрасное излучение создают все тела при нагревании (рис. 2.6).

Рис. 2.6

На графике представлена зависимость интенсивности Е(относительные единицы) от длины волны λ при различных температурах. Видно, что максимальная интенсивность излучения приходится на существенную часть инфракрасного диапазона, что на практике используется для контроля и обнаружения, и в военных целях тоже. Наиболее распространен диапазон от 0,75 до 15 мкм (рис. 2.6).

В качестве иллюстрации технического воплощения устройств, использующих оптические каналы, на рис. 2.7 представлена простейшая схема оптического «телефона».

Рис. 2.7

При работе устройства электрические колебания звуковой частоты, возникающие после воздействия звукового сигнала в микрофоне М усиливаются усилителем У₁и модулируют поток излучения, создаваемого источником света И. Излучение источника проходит через инфракрасный фильтр и распространяется в атмосфере. Приемником служит фотоэлемент. После усиления на усилителе У₂сигнал поступает на «головной» телефон Т.

Большие перспективы в оптической технике передачи информации имеет применение квантовых генераторов – лазеров. В настоящее время разработаны и продолжают разрабатываться многочисленные конструкции кристаллических и газовых лазеров, работающих в различных частях оптического диапазона. В качестве приемников используются: фоторезисторы, фотодиоды, фотоумножители и др.

Рассмотрим принцип работы источника когерентного излучения на примере твердотельного (рубинового) лазера, схема устройства которого представлена на рисунке 2.8.

При облучении кристалла рубина посторонним источником света (накачка) происходит изменение энергетического состояния атомов хрома, содержащихся в рубине. Возбуждаясь, электроны атома переходят на более высокий энергетический уровень, состояние которого является нестабильным.

Для сохранения стабильности электроны вынуждены переходить на более низкий уровень, излучать кванты света - фотоны. Фотоны инициируют переходы других электронов, которые при этом вновь излучают фотоны, и процесс лавинообразно нарастает. Процесс усиливается за счет переотражения фотонов от зеркальных граней. Поток излучения монохроматичен и излучается во внешнюю область через «полупрозрачную» грань. Поток излучения в других направлениях не усиливается, в результате чего формируется пучок с весьма узкой направленностью (у кристаллических лазеров угол «раскрыва» не превышает 0,5).

Рис. 2.8

В газовых лазерах «рабочим веществом» служат: смесь гелия с неоном, смесь углекислого газа, азота и гелия и другие газообразные компоненты. Индуцированное излучение возникает при инициированном электрическом разряде в газовой среде без оптической подкачки. Газовые лазеры могут работать в непрерывном режиме и имеют высокий КПД (до 30%). Излучение газовых лазеров сосредоточено в угле 1. Ширина спектра составляет 10…80 кГц при собственной частоте 10¹⁴Гц. Высокая направленность принципиально дает возможность вести передачи на расстояниях до сотен миллионов километров. Это создает серьезные предпосылки для использования оптических квантовых генераторов в системах космической связи, исследований и других целей специального назначения.