книги / Многоканальные системы передачи оптического диапазона
..pdfЯ. В. АЛИШЕВ
МНОГОКАНАЛЬНЫЕ
СИСТЕМЫ
ПЕРЕДАЧИ
ОПТИЧЕСКОГО Д ИАПАЗОНА
Допущено Министерством высшего и среднего
специального образования БССР
вкачестве учебного пособия для студентов вузов,
обучающихся по специальности «Многоканальная электросвязь»
Минск «Вышэйшая школа» 1986
ББК 32.883я73 А50
УДК 621.39.029.7(075.8)
Р е ц е н з е н т ы : кафедра радиоуправления н связи Рязан ского радиотехнического института и Т. П. Петручек, зав. ка федрой многоканальной электросвязи Харьковского института радиоэлектроники, канд. техн. наук, доцент.
2402040000-116 |
3 8 -8 6 |
•) Издательство «Вышэйшая школа», |
А------------------------ |
||
М 304(06)—86 |
|
1986. |
ПРЕДИСЛОВИЕ
Проблема передачи информации в оптическом диапазоне рассматривается во многих книгах и жур нальных статьях, однако каждая из них посвящена решению конкретных задач и рассчитана на спе циалистов, исследующих определенную узкоспе циальную область. Учебных пособий, в которых освещались бы с единой точки зрения все аспекты многоканальных систем передачи применительно к оптическому диапазону, пока нет.
Данная книга является первой попыткой создания такого пособия по курсу «Многоканальные системы передачи оптического диапазона». Основой ее послу жили лекции, которые автор в течение ряда лет читал студентам Минского радиотехнического института. В ней нашли отражение работы автора и коллектива кафедры многоканальной электросвязи по разработ ке систем передачи оптического диапазона, иссле дованию их помехоустойчивости и конструированию измерительных приборов для них, а также результа ты обобщения материалов, опубликованных в оте чественной и зарубежной печати. При этом автор стремился по возможности упростить изложение основ квантовой теории источников оптического излучения и сделать его доступным для студентов.
Учебное пособие соответствует программе курса и предназначено для студентов радиотехнических вузов и вузов связи. Оно может быть полезным аспирантам и инженерно-техническим работникам, занимающимся исследованием и разработкой лазер ных информационных систем, а также широкому кругу специалистов, интересующихся использова нием многоканальных систем передачи оптического диапазона.
Автор считает своим приятным долгом поблаго дарить за помощь, оказанную при написании учеб-
з
ного пособия, коллег по кафедре кандидата физикоматематических наук В. Ф. Юрьева, кандидатов технических наук В. Е. Ямайкина и А. А. Марьенкова. Он выражает искреннюю признательность рецензентам — лауреату Государственной премии
СССР, доктору технических наук, профессору В. И. Поповкину, доктору физико-математических наук, профессору В. А. Степанову, а также кандидату технических наук доценту Т. П. Петручеку за тща тельный просмотр рукописи и полезные замечания, способствовавшие улучшению изложения материала.
Все критические замечания и рекомендации про сим направлять по адресу: 220048, г. Минск, проспект Машерова, 11, издательство «Вышэйшая школа».
Автор
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ
АДР — дигидрофосфат аммония АИГ — лазеры на алюмоиттриевом гранате AM — амплитудная модуляция
АРК — аппаратура разделения каналов АТС — автоматическая телефонная станция
ВИМ — изменение положения импульсов во времен ВКУ — вынесенный коммутационный узел ВМ — возбудитель модулятора ВОК — волоконно-оптический кабель
ВОЛС — волоконно-оптическая линия связи ВОСС — волоконно-оптическая система связи Д — дефлектор ДЗ — днхроичное зеркало
ДКУ — декодирующее устройство ДМ — демодулятор ДН — диаграмма направленности
ДУ — дифференциальный усилитель 3 — зеркало ЗГН — зеркало грубого наведения
ЗК — защитное кольцо ИА — излучающая апертура
ИГЛ — импульсные газовые лазеры ИИ — источник информации ИК — инфракрасный
ИКМ — импульсно-кодовая модуляция ИСЗ — искусственный спутник Земли ИФ — интерференционный фильтр КВ — коротковолновый КДР — дигидрофосфат калия
КЛСС — космическая лазерная система связи КНД — коэффициент направленного действия КСИ — коллиматор солнечного излучения КУ — кодирующее устройство ЛГ — лазерный гетеродин Л З — линия задержки ЛФ Д — лавинный фотодиод
МС — матрица светодиодов НИР — научно-исследовательская работа НС — низкоорбитальный спутник
ОКГ — оптический квантовый генератор ОМ — оптический модулятор ОР — оптический распределитель ОСК — оптика сканирования
ОСМ — оптический смеситель ОТН — оптика точного наведения
ОФЛ — оптика формирования луча ПВ — призма Волластона ПИ — получатель информации
ПМ — поляризационная модуляция ПНЧ — поднесущая частота ППЛ — полупроводниковый лазер ПУ — пороговое устройство 'ПЧ — промежуточная частота
ПЭУ — пьезоэлектрическое устройство РКУ — радиоканал управления РЛС — радиолокационная станция СВЧ — сверхвысокочастотный СЗ — сканирующее зеркало СИД — светоизлучающий диод СО — согласующая оптика СП — следящий привод СС — синхронный спутник СхС — синхросигнал Т — телескоп
УВ — усилитель-выравниватель УЗ — ультразвуковой
УПО и С — устройство поиска, обнаружения и слежения УПЧ — усилитель промежуточной частоты УФ — ультрафиолетовый ФАР — фазированные антенные решетки ФВ — фазовращатель
ФИМ — фазонмпульсная модуляция ФЛР — фазированные лазерные решетки ФМ — фазовая модуляция ФП — фотоприемник ФС — фокусирующая система
ФЭУ — фотоэлектронный умножитель ЦС — центральная станция ЧИМ — частотно-импульсная модуляция ЧМ — частотная модуляция
ШИМ — широтно-импульсная модуляция ШЭД — шаговый электродвигатель ЭОД — электрооптический дефлектор
ВВЕДЕНИЕ
Коммунистическая партия и Советское правительство уделяют огромное внимание развитию систем передачи информации. В настоящее время в сетях связи страны используются системы, по которым можно передавать одновременно 1920 телефонных разговоров. Разработаны и проходят испытания системы связи, рассчитанные на передачу 3600 и 10 800 телефонных каналов. Однако даже такие системы могут не справляться со все возра стающим объемом передаваемой информации. Согласно прогнозам, в ближайшем будущем для передачи инфор мации потребуются линии связи с информационной емкостью от 300 до 1000—2000 Мбит/с. Создание таких линий радиотехническими средствами — проблема весьма сложная. Поэтому ученые и инженеры как за рубежом, так и в нашей стране работают над созданием систем связи оптического диапазона, которые могут обеспечить передачу телевизионных изображений по нескольким программам или десятков и сотен тысяч телефонных разговоров одновременно.
Разработчиков средств передачи информации при влекают два основных достоинства лазерных систем — огромная информационная емкость и возможность полу чения остронаправленного излучения при сравнительно малых габаритах излучающих устройств.
Использование средств оптического диапазона позво лит повысить объем передаваемой информации на не сколько порядков, а за счет высокой направленности излучения требуемая мощность оптического передатчика по сравнению с мощностью передатчика СВЧ диапазона снизится примерно до 10б раз.
Эти преимущества лазерных систем вызвали большой интерес специалистов. Например, в США разработкой систем и конструированием приборов занимаются почти во всех крупнейших аэрокосмических компаниях, во многих фирмах, специализирующихся в области радио-
7
электроники («Хьюджес», «Локхид», «Сильвания», RCA, «Дженерал электрик» и др.); теоретическими исследова ниями занимаются вузы (Калифорнийский, Иллинойсский, Пенсильванский, Стэнфордский университеты, Масса чусетсский технологический институт и др.). Обширные программы реализуются в многочисленных организациях НАСА и Министерства обороны США.
В настоящее время действуют экспериментальные лазерные системы связи. Опубликовано много исследова ний как по разработке, так и по применению таких систем. Однако для практической реализации лазерных линий связи самостоятельного значения необходимо еще решить ряд проблем, например таких, как создание сверх широкополосных высокоэффективных модуляторов, при емников длинноволновой части оптического диапазона, световодов с достаточно малыми потерями, разработка быстродействующих устройств сканирования лучей с целью отыскания корреспондента, а также образование большого числа каналов (т. е. обеспечение многоканаль ное™). Нельзя считать завершенной и разработку теоре тических основ лазерной связи. Специфика оптического диапазона заключается в том, что оптическая связь развивается на стыке нескольких наук. При разработке теории необходимо учитывать законы не только электро магнетизма, но также физической оптики и квантовой механики.
Наличие указанных проблем вызывает у некоторых специалистов скептическое отношение к лазерной связи. Однако нет сомнения, что со временем эти затруднения будут преодолены. Кроме того, вопрос о применении ла зерных систем не следут сводить к тому, могут они или не могут полностью заменить существующие средства связи; их надо рассматривать как средства связи, кото рые нужно использовать там, где существующие системы либо не могут быть применены, либо их применение недостаточно эффективно. Одной из перспективных в настоящее время является лазерная многоканальная связь в условиях космического пространства. Такие системы могут обеспечить как огромную информационную емкость, так и сверхбыстродействие. Другое применение — это лазерная многоканальная телефонная связь с исполь зованием оптических кабелей в условиях широкоразветвленной городской сети, а также широкополосные цифровые системы лазерной связи между крупными вычислительными центрами.
8
Современные многоканальные системы связи рассчита ны на передачу различных видов информации. Для лазер ных многоканальных систем также нет ограничений на вид передаваемой информации. Кроме того, они не только обеспечивают возможность увеличения числа более деше вых каналов связи, но и позволяют резко улучшить ка чество передаваемых сообщений, особенно при передаче информации систем цветного телевидения, т. е. решить задачу приведения в более полное соответствие систем связи со зрительными способностями человека.
В разработке основных элементов лазерных систем связи — оптических квантовых генераторов — ведущая роль наряду с американскими принадлежит советским ученым. Так, в 1959 г. академикам Н. Г. Басову и А. М. Прохорову была присуждена Ленинская премия за разработку нового принципа генерации и усиления радиоволн, а в 1964 г. они вместе с американским ученым Ч. Таунсом были удостоены Нобелевской пре мии за фундаментальные исследования в области кван товой электроники. Этому практическому открытию пред шествовал огромный, длительный труд многих ученых в различных странах мира.
Так, немецкий физик-теоретик М. Планк 14 декабря 1900 г. в зале заседаний Немецкого физического общества прочел свой доклад о прерывном характере излучения и поглощения света. В тот день мало кто понял величие его предположения. Признание пришло позже. Теперь можно утверждать, что теория квантовых приборов и ведет свое начало от гипотезы Планка. В дальнейшем
эта |
гипотеза была |
развита |
в квантовую |
теорию света |
А. |
Эйнштейном. В |
1917 г. |
он, пользуясь |
постулатами |
Н. Бора, показал, что атом, находящийся в возбуж денном состоянии (на верхнем энергетическом уровне), может отдать свою энергию в виде самопроизвольного (спонтанного) или вынужденного (индуцированного) излучения под действием внешнего электромагнитного поля.
В середине 20-х годов XX столетия в Копенгагене, в институте Бора, была создана интернациональная школа физиков. Беспримерное в истории науки содружество ученых позволило решить многие теоретические проблемы. Так, в 1926 г. Э. Шрёдингером было получено уравнение, описывающее состояние микрочастиц с учетом их волно вых и корпускулярных свойств. Это уравнение легло в основу новой области физики — квантовой механики.
2. АЛИШЕВ Я. В. 7187. |
9 |
Обсуждение экспериментов по определению орбиты элект рона привело В. Гейзенберга к соотношению неопре деленностей, являющемуся количественным выражением ограниченности представлений классической физики. В 1939—1941 гг. советский ученый В. А. Фабрикант впервые обратил внимание на возможность усиления света за счет индуцированного излучения.
Логическим завершением этих идей явилось создание в 1954—1955 гг. практически действующих квантовых генераторов электромагнитных волн сантиметрового диапазона — молекулярных генераторов на пучке молекул
аммиака (Н. |
Г. Басов, А. М. Прохоров — в |
СССР; |
Ч. Таунс, Дж. |
Гордон, X. Цайгер — в США), а |
первым |
практически действующим квантовым генератором опти ческого диапазона был рубиновый лазер, разработан ный Т. Мейманом в 1960 г. В 1961 г. А. Джаван создал газовый лазер непрерывного действия, в 1962 г. под руко водством академика Н. Г. Басова и члена-корреспон- дента АН СССР Б. М. Вула была реализована идея сотрудников Физического института АН СССР по созда нию оптических квантовых полупроводниковых гене раторов.
В настоящее время уже создано значительное коли чество типов оптических квантовых генераторов, серийно выпускаемых промышленностью как у нас, так и за ру бежом. Эти лазеры работают в различных участках оптического диапазона — инфракрасном, видимом и ближнем ультрафиолетовом. Например, в Институте физи ки АН БССР под руководством академика Б. И. Степа нова создан один из первых в нашей стране оптических квантовых генераторов на органических красителях «Ра дуга» с возможностью перестройки в широком диапазоне частот.
Достоинства систем оптического диапазона — огром ная информационная емкость и высокая направлен ность — объясняются весьма важными свойствами, прису щими излучениям квантовых приборов: высокими когерентностью, монохроматичностью и стабильностью частоты. По степени когерентности квантовые излучатели не уступают другим источникам электромагнитного поля, используемым в СВЧ диапазоне, и намного превосходят все известные до сих пор в оптике источники излу чения.
Благодаря высокой монохроматичности и стабильности излучения лазеры можно использовать для создания
ю