Изобретение относится к средствам связи, а более точно к оптическому устройству для передачи информации, и может быть использовано в информатике, автоматике, вычислительной технике.
Известны схемы устройств для передачи информации, в том числе и оптических, которые содержат источник информации, линию связи и приемник информации. В оптических устройствах для передачи информации источником информации служит источник светового потока, управляемый модулятором. Источником света является лазер или светоизлучающий диод (СИД). В качестве модуляторов, как правило, используются электро- или магнитооптические ячейки. Приемниками информации служат фотоэлектронные умножители, фотодиоды, фототранзисторы и т. д.
Этим оптическим устройствам для передачи информации присущи следующие недостатки: осуществление модуляции светового потока происходит путем изменения режима работы источника светового потока, что требует коммутации больших мощностей.
Известно оптическое устройство для передачи информации [1] , содержащее оптически связанные источник светового потока, модулятор светового потока с блоком управления и блок преобразования промодулированного светового потока в сигналы информации.
Блок управления модулятором содержит микрофон и усилитель сигнала информации. Источник света снабжен инфракрасным фильтром.
Блок преобразования промодулированного светового потока состоит из фотоэлектрического приемника, подключенного к нему усилителя и выходного телефона для приемника информации.
Известно оптическое устройство, содержащее оптически связанные источник светового потока, модулятор светового потока с блоком управления и блок преобразования промодулированного светового потока в сигналы информации, в котором (устройстве) в качестве источника светового потока использован лазер [2] .
Блок управления модулятором содержит подмодулятор, управляемый по входу цифровыми информационными сигналами.
Блок преобразования промодулированного светового потока состоит из оптического полосового фильтра, комбинированной оптики, лазерного гетеродина, фотодетектора, электрических полосовых фильтров, линейных детекторов считывания сигналов информации, вычитающего и порогового устройств. Пороговое устройство снабжено выходом цифровой информации.
Целью изобретения является увеличение надежности, пропускной способности.
Это достигается тем, что в оптическом устройстве для передачи информации, содержащем оптически связанные источник светового потока, модулятор светового потока с блоком управления и блок для преобразования промодулированного светового потока в сигналы информации, модулятор и блок для преобразования промодулированного светового потока в сигналы информации оптически связаны по отраженному лучу, активный элемент модулятора выполнен из материала с магнитной проницаемостью 4 π˙10-5-4 π˙10-1 Гн/м и снабжен токопроводящим слоем, а блок управления выполнен в виде электрического генератора, выход которого соединен с токопроводящим слоем.
В таком оптическом устройстве для передачи информации модуляция светового потока осуществляется путем изменения параметров отраженного луча активным элементом модулятора при постоянном режиме работы источника светового потока. При постоянном режиме работы процессы старения в источнике светового потока протекают медленней, чем при переменных режимах его работы. Это повышает надежность работы источника светового потока и всего оптического устройства в целом.
Поскольку модуляция света осуществляется путем изменения параметров отраженного луча активным элементом модулятора, то нет необходимости в устройствах, обеспечивающих модуляцию самого источника светового потока. Это упрощает оптическое устройство для передачи информации, что также способствует повышению надежности его работы.
В этом оптическом устройстве для передачи информации увеличена пропускная способность. Это обусловлено тем, что скорость изменения параметров отраженного луча активным элементом модулятора в предлагаемом устройстве превосходит скорость изменения внутреннего состояния источника светового потока в устройстве, взятом в качестве прототипа. В последнем скорость ограничена тепловой релаксацией для светящегося тела, а в предлагаемом же устройстве скорость ограничена в основном временем электронной релаксации.
Предлагаемое устройство может осуществлять передачу информации в недвоичных системах кодирования. Указанная возможность возникает из существования постоянного уровня светового потока, создаваемого источником в совокупности с изменением уровня отраженного светового луча путем изменения импеданса активного элемента модулятора.
Кроме того, предлагаемое оптическое устройство обладает большой полосой пропускания по сравнению с устройством, избранным в качестве прототипа. Это обусловлено тем, что диапазон параметров отраженного луча активным элементом модулятора изменения превосходит динамический диапазон изменения внутреннего состояния источника светового потока в устройстве, взятом в качестве прототипа. Это позволяет расширить функциональные возможности предлагаемого устройства и, в частности, осуществить передачу аналоговых сигналов непосредственно.
При неблагоприятном сочетании внешних факторов, воздействующих на элемент модулятора, таких как резкие и большие по диапазону перепады температур, колебания влажности окружающей среды, присутствие агрессивных газов в окружающей среде, запыленность, высокий уровень механических вибраций и так далее, а также в том случае, когда уровень одного из перечисленных факторов весьма высок, целесообразно, чтобы элемент модулятора содержал бы пластину, выполненную из материала с магнитной проницаемостью, лежащей в пределах от 4 π˙10-5 до 4 π˙10-1Гн/м , и средство для изменения параметров отраженного луча содержало бы электрический генератор, выход которого был бы подключен к проводнику, индуктивно связанному с токопроводящим слоем активного элемента модулятора.
Применение материала с магнитной проницаемостью меньшей чем 4 π˙10-5 Гн/м нецелесообразно, так как приводит к необходимости создания больших магнитных полей для перемагничивания этого элемента, что усложняет конструкцию средства для изменения импеданса активного элемента модулятора и увеличивает энергетические затраты на его изменение.
С другой стороны, материалы с магнитной проницаемостью больше чем 4 π˙10-1 Гн/м чувствительны к изменению температуры, а также требуют применения специальных мер по предотвращению электромагнитных помех. Это делает нецелесообразным использование таких материалов в данном оптическом устройстве.
Не менее целесообразно, чтобы поверхность пластины активного элемента модулятора, обращенная к световому потоку от источника, повторяла бы форму поверхности второго порядка.
Это повышает эффективность передачи светового потока от активного элемента на вход средства для преобразования светового потока в сигналы информации за счет фокусирующих свойств поверхности второго порядка. Кроме того, это дает возможность использовать один и тот же элемент с переменным импедансом для ветвления информационных потоков.
В тех случаях, когда активный элемент модулятора должен быть выполнен миниатюрным (то есть существуют ограничения веса, размера и энергопотребления) целесообразно, чтобы активный элемент был выполнен из материала с линейной электропроводностью, лежащей в пределах от 10-12 до 6˙107 См/м, и снабжен электродами, а блок управления выполнен в виде электрического генератора, выход которого был бы соединен с электродами.
Применение материалов с электропроводностью меньшей чем 10-12 См/м нецелесообразно, так как ведет к увеличению энергетических затрат средства для изменения импеданса, росту тепловыделения в активном элементе и к необходимости его термостатирования.
С другой стороны, материалы с электропроводностью большей чем 6˙107См/м требуют для своего функционирования пониженной температуры (вплоть до криогенной), что также ведет к усложнению конструкции оптического устройства и ограничивает область его применения.
В случае, изложенном выше, не менее целесообразно, чтобы поверхность активного элемента модулятора, обращенная к источнику светового потока, повторяла бы форму поверхности второго порядка.
Если блок управления активного элемента модулятора находится в среде, препятствующей распространению электромагнитного излучения, а также осуществлению электрической связи с активным элементом целесообразно активный элемент модулятора выполнить из пьезоэлектрического материала и снабдить пьезопреобразователями, а блок управления выполнить в виде акустического генератора, выход которого соединен с пьезопреобразователем.
Это дает возможность задавать информацию акустическими сигналами, способными распространяться в такого рода средах.
Поверхность активного элемента модулятора, обращенная к источнику светового потока, может быть выполненной в виде формы поверхности второго порядка.
В случае существенного ограничения по потребляемой мощности у блока управления активным элементом модулятора (например, при совмещении с аппаратурой на интегральных схемах) целесообразно, чтобы активный элемент модулятора был выполнен из сегнетоэлектрического материала и снабжен электродами, а блок управления - в виде электрического генератора, выход которого соединен с электродами.
Энергетические затраты средства для изменения импеданса активного элемента в этом варианте минимальны.
Поверхность активного элемента модулятора, обращенная к источнику светового потока, также может быть выполнена в виде формы поверхности второго порядка, что является целесообразным в ряде случаев вследствие ее фобрирующих свойств.
В тех случаях, когда размещение активного элемента модулятора вблизи источника информации невозможно, например, из-за высоких температур или из-за каких-либо других сложных условий работы, либо по соображениям техники безопасности, целесообразно, чтобы активный элемент модулятора выполнен из пироэлектрического материала, а блок управления - в виде теплового генератора, выход которого соединен с активным элементом. Это позволяет осуществлять дистанционное управление активным элементом в сложных условиях работы модулятора.
Здесь следует также учесть, что поверхность активного элемента модулятора, обращенная к источнику потока излучения, может быть также выполнена в виде формы поверхности второго порядка.
На фиг. 1 изображена принципиальная схема предлагаемого оптического устройства для передачи информации; на фиг. 2 - активный элемент модулятора, изображенный в прямоугольной диаметрической проекции и связанный с блоком управления этим активным элементом; на фиг. 3 - активный элемент модулятора, изображенный в прямоугольной диаметрической проекции (другой вариант исполнения); на фиг. 4 - принципиальная схема предлагаемого оптического устройства для передачи информации, другой вариант исполнения; на фиг. 5 - активный элемент модулятора, изображенный в прямоугольной диаметрической проекции и связанный с блоком управления активным элементом, вариант исполнения; на фиг. 6 - вариант исполнения активного элемента модулятора, изображенного в прямоугольной диаметрической проекции; на фиг. 7 - вариант исполнения активного элемента модулятора, вид спереди; на фиг. 8 - активный элемент модулятора, изображенный в прямоугольной диаметрической проекции и связанный с блоком управления активным элементом, вариант исполнения; на фиг. 10 - то же, вариант исполнения; на фиг. 10 - то же, вариант исполнения.
П р и м е р 1. Оптическое устройство для передачи информации содержит источник 1 (фиг. 1) светового потока, оптически соединенный с модулятором 2, содержащий активный элемент 2а, который в свою очередь оптически связан по отраженному лучу со входом блока 3 преобразования промодулированного светового потока в сигналы информации. Модулятор 2 с активным элементом 2а подключен к блоку 4 управления, который выполнен в виде электрического генератора. В данном примере исполнения устройства для передачи информации в качестве источника 1 светового потока выбрана галогенная лампа с отражателем из керсила, которая является источником света постоянной интенсивности.
Активный элемент модулятора 2а представляет собой пластину 5 (фиг. 2), выполненную из материала с магнитной проницаемостью, лежащей в пределах от 4 π˙10-5 до 4 π˙10-1 Гн/м . В данном примере пластина 5 выполнена из сплава NiFe, магнитная проницаемость которого 16 π˙10-2Гн/м . Поверхность 5а пластины 5, обращенная к световому потоку от источника 1, плоская. Пластина 5 сформирована на одной из сторон плоской подложки 6, изготовленной из SiO2. На другой стороне подложки 6 сформирован слой 7 из токопроводящего материала, в данном примере из сплава AlCu. Слой 7 из токопроводящего материала посредством электрических проводников 8,9 подключен к выходу генератора 10 переменного тока. Пластина 5 со стороны падающего на нее света покрыта защитным слоем 5в из SiO2. В качестве блока 3 для преобразования светового потока в сигналы информации использован известный фотодиод.
Это оптическое устройство работает следующим образом.
Световой поток от источника 1 проходит через защитный слой 5в и, преломляясь, падает на поверхность 5а пластины 5. Пластина 5 направляет отраженный луч на вход блока 3 для преобразования промодулированного светового потока в сигналы информации. В это время генератор 10 переменного тока вырабатывает полезные сигналы информации в виде электрических импульсов, которые по электрическим проводникам 8,9 поступают на слой 7 из токопроводящего материала. В результате этого вокруг слоя 7 образуется магнитное поле, силовые линии которого воздействуют на пластину 5, чем вызывают изменение ее магнитной проницаемости, а вместе с этим изменение импеданса этой пластины, что позволяет промодулировать отраженный луч света, поступившего от источника 1 на поверхность 5а пластины. В результате изменения параметров отраженного сигнала от активного элемента пластины под действием электрического генератора 10 переменного тока промодулированный световой луч поступает на вход блока 3 для преобразования промодулированного светового потока в сигналы информации.
П р и м е р 2. Принципиальная схема этого устройства, источник 1 светового потока, блок 3 для преобразования промодулированного светового потока в сигналы информации и блок 4 управления модулятором такие же как и в примере 1. Однако активный элемент 2а модулятора представляет собой пластину 11 (фиг. 3), обращенная к световому потоку от источника 1, поверхность 11а которой имеет форму поверхности второго порядка, в данном примере поверхность 11а пластины 11 цилиндрическая. Эта пластина 11 выполнена из сплава Cu2MnAl (так называемый сплав Гейслера), магнитная проницаемость которого 4 π˙1,22˙10-5 Гн/м . Пластина 11 закреплена на цилиндрической подложке 12 из SiO2, которая обхватывает электрический проводник 13, связанный с блоком 4 управления активным элементом 2а модулятора 2.
Это оптическое устройство для передачи информации работает аналогично оптическому устройству, описанному в примере 1.
П р и м е р 3. Оптическое устройство для передачи информации содержит источник 1 (фиг. 4) светового потока, оптически соединенный с активным элементом 2а модулятора 2, который оптически соединен с входом блока 3 для преобразования промодулированного светового потока в сигналы информации. Активный элемент 2а снабжен блоком 4 управления. В этом примере в качестве источника светового потока использован светоизлучающий диод. Активный элемент 2а содержит пластину 14, выполненную из сплава NiFeMo, магнитная проницаемость которого 4˙10-1Гн/м . Поверхность 14а пластины 14, обращенная к световому потоку от источника 1, эллиптическая. На одной поверхности 14а пластины 14 сформирован защитный слой 15 из SiO2. Пластина 14 установлена на одной из сторон изолирующей подложки 16 из Si3N4, на другой стороне которой сформирован слой 17 из токопроводящего материала, в данном примере из AlCu. Слой 17 из токопроводящего материала подсоединен посредством электропроводников 18а, 18в с выходом генератора 19 переменного напряжения. Таким образом, генератор переменного напряжения и электрически связанный с ним слой 17 из токопроводящего материала образуют блок 4 управления активным элементом 2а. Так на поверхность 14а пластины 14 эллиптическая, то источник 1 светового потока размещен в одном фокусе F1 эллиптической поверхности 14а и блок 3 для преобразования промодулированного светового потока в сигналы информации размещен в другом фокусе F2 этой поверхности 14а.
Это оптическое устройство для передачи информации работает аналогично оптическому устройству, описанному в примере 1.
П р и м е р 4. Принципиальная схема оптического устройства для передачи информации такая же, как и в примере 1. В качестве источника 1 светового потока выбран лазер, в качестве блока 3 для преобразования промодулированного светового потока в сигналы информации - фотодиод. Активный элемент 2а модулятора 2 содержит пластину 20 (фиг. 5), обращенную к световому потоку от источника 1, поверхность 20а которой плоская. Пластина 20 выполнена из материала с электропроводностью, лежащей в пределах от 10-12 до 6˙107 См/м. В данном примере исполнения пластина 20 выполнена из сплава MoFeNi, соотношение компонентов которого следующее Mo - 4% , Ni - 79% , Fe - 17% , электропроводность 1,3˙107 См/м. Пластина 20 сформирована на одной из сторон плоской подложки 21 из SiO2и покрыта защитным слоем 22 из SiO. Пластина 20 подсоединена проводниками 23а, 23в к выходу электрического генератора 24, в данном примере к генератору переменного напряжения, который в данном оптическом устройстве является блоком 4 управления активным элементом 2а модулятора 2.
Это оптическое устройство работает следующим образом. Световой поток от лазера проходит через защитный слой 22 и, преломляясь, падает на поверхность 20а пластины 20. Пластина 20 отражает световой поток на вход блока 3 для преобразования промодулированного света в сигналы информации. В это время генератор 24 переменного напряжения вырабатывает полезные сигналы информации в виде электрических импульсов, которые по электрическим проводникам 23а, 23в поступают на пластину 20. При прохождении электрических импульсов в пластине 20 происходит перемагничивание в результате взаимодействия электрического тока с междоименными границами (стенками). В результате этого изменяется магнитная проницаемость пластины 20, а вместе с ней изменяется импеданс этой пластины 20, что в свою очередь изменяет коэффициент отражения света, падающего на поверхность 20а пластины 20.
В результате изменения коэффициента отражения пластины 20 полезный сигнал от генератора 24 переменного напряжения преобразуется из электрического в оптический и отраженный промодулированный луч поступает на вход блока 3 для преобразования промодулированного светового потока в сигналы информации.
П р и м е р 5. Принципиальная схема этого оптического устройства, источник 1 светового потока, блок управления активным элементом 2а модулятора 2 и блок 3 для преобразования промодулированного светового потока в сигналы информации такие же как и в примере 4. Отличным является конструкция и форма активного элемента 2а. Этот активный элемент представляет собой оболочку 25 (фиг. 6), обращенную к световому потоку от источника 1, поверхность 25а которой имеет цилиндрическую форму. Эта оболочка 25 выполнена из сплава Fe40Ni40P14B6,электропроводность которого 6,2˙105 см/м.
На цилиндрической поверхности 25а сформирован слой 26 из SiO2, который одновременно является и подложкой и прозрачным защитным покрытием.
Это оптическое устройство для передачи информации работает аналогично оптическому устройству для передачи информации, описанному в примере 4.
П р и м е р 6. Принципиальная схема этого оптического устройства, источник 1 светового потока и блок 3 для преобразования промодулированного светового потока в сигналы информации такие же, как в примере 4. Структура активного элемента 2а тоже такая же, как и в примере 4, однако его форма другая. Изменение формы активного элемента 2а обусловлено изменением формы пластины 27 (фиг. 7), обращенной к световому потоку от источника 1 света, поверхность 27а которой эллиптическая. Контактирующие с пластиной 27 поверхность 28 подложки 29 и поверхности 30, 31 защитного слоя 32 также эллиптические. При изготовлении пластины 27 использован сплав Bi12GeO12, электропроводность которого 10-12 См/м. Кроме того, так как поверхность 27а пластины 27 эллиптическая, то источник 1 светового потока установлен в одном из фокусов этой эллиптической поверхности 27а пластины 27, а блок 3 для преобразования промодулированного светового потока в сигналы информации - в другом фокусе. В качестве блока 4 управления активным элементом 2а применен генератор переменного тока.
Это оптическое устройство работает аналогично оптическому устройству для передачи информации, описанному в примере 4.
П р и м е р 7. Принципиальная схема, источник 1 светового потока и блок 3 для преобразования промодулированного светового потока в сигналы информации в рассматриваемом оптическом устройстве для передачи информации такие же, как и в оптическом устройстве, описанном в примере 1. Отличие в том, что активный элемент 2а содержит пластину 33 (фиг. 8), выполненную из пьезоэлектрического материала, в данном конкретном примере из монокристалла LiNbO3. Блок управления активным элементом 2а модулятора 2 содержит акустический генератор, в данном примере образованный источником 34 акустических сигналов, выход которого связан с элементами 35, 36 для передачи акустических сигналов, закрепленными на пластине 33. В данном примере элементы 35, 36 для передачи акустических сигналов выполнены из кристаллов CdS.
Это оптическое устройство для передачи информации работает аналогично оптическому устройству, описанному в примере 1. Отличие заключается в том, что источник 34 акустических сигналов вырабатывает полезные сигналы информации в виде акустических импульсов, которые через элементы 35, 36 распространяются в пластине 33, при этом возбуждая в ней механические напряжения. Эти механические напряжения, изменяя электрическую поляризацию пластины 33, меняют ее импеданс. Это приводит к изменению коэффициента отражения пластины 33. В результате изменения коэффициента отражения пластины 33 происходит модуляции отраженного луча от источника 34 акустических сигналов при преобразовании акустического сигнала в оптический, который поступает на вход блока 3 для преобразования промодулированного светового потока в сигналы информации.
Возможны и другие варианты исполнения активного элемента модулятора, основанные на использовании пластин из пьезоэлектрических материалов. Для этих пластин могут быть выбраны и другие пьезоэлектрические материалы.
Кроме того, поверхность пластины, обращенная к световому потоку от источника, может быть цилиндрическая, эллиптическая, гиперболическая или сферическая, другими словами она может повторять форму поверхности второго порядка.
П р и м е р 8. Принципиальная схема, источник 1 светового потока и блок 3 для преобразования промодулированного светового потока в сигналы информации в рассматриваемом оптическом устройстве для передачи информации такие же, как в оптическом устройстве, описанном в примере 1. Отличие в том, что активный элемент 2а модулятора 2 содержит пластину 37 (фиг. 9), выполненную из сегнетоэлектрического материала, в данном конкретном примере из BaTiO3. Блок 4 управления активным элементом 2а содержит электрический генератор, в данном примере генератор 38 переменного напряжения, выход которого связан с электропроводниками 39, 40, закрепленными на пластине 37 и в данном примере выполненными в виде пластин из сплава AlCu.
Это оптическое устройство для передачи информации работает аналогично оптическому устройству, описанному в примере 1. Отличие заключается в том, что под действием электрического поля, образованного между электропроводниками 39, 40 происходит изменение поляризации пластины 37 из сегнетоэлектрического материала.
Изменение поляризации пластины 37 приводит к изменению ее коэффициента отражения, т. е. к возможности изменять параметры отраженного луча.
Возможны и другие варианты исполнения активного элемента модулятора, описанные на использовании пластин из сегнетоэлектрических материалов. Для этих пластин могут быть выбраны и другие сегнетоэлектрические материалы.
Кроме того, поверхность пластины, обращенная к световому потоку от источника, может быть цилиндрическая, эллиптическая, гиперболическая или сферическая, другими словами она может повторять форму поверхности второго порядка.
П р и м е р 9. Принципиальная схема, источник 1 светового потока и блок 3 для преобразования промодулированного светового потока в сигналы информации в рассматриваемом устройстве для передачи информации такие же как в оптическом устройстве, описанном в примере 1. Отличие в том, что активный элемент 2а модулятора 2 содержит пластину 41 (фиг. 10), выполненную из пироэлектрического материала, в данном конкретном примере из монокристалла Pb (Zr, Ti)О3, и покрытую защитным слоем 42 из SiO2. Блок управления активным элементом 2а содержит тепловой генератор 43, выход которого связан с пластиной 41. В этом примере в качестве теплового генератора 43 выбран лазер инфракрасного излучения.
Это оптическое устройство для передачи информации работает аналогично оптическому устройству, описанному в примере 1. Отличие заключается в том, что тепловой генератор 43 вырабатывает полезные сигналы информации, представляющие собой импульсы теплового излучения, которые, распространяясь в пластине 41 из пироэлектрического материала, приводят к изменению температуры пластины 41. Изменения температуры пластины 41 вызывают изменения электрической поляризации и, как следствие этого, изменение импеданса, другими словами изменение температуры приводят к изменению коэффициента отражения пластины 41. В результате изменения коэффициента отражения пластины 41 полезный сигнал от теплового генератора 43 преобразуется из теплового в оптический и поступает на вход блока 3 для преобразования промодулированного светового потока в сигналы информации.
Возможны и другие варианты исполнения активного элемента модулятора, основанные на использовании пластин из пироэлектрического материала. Для этих пластин могут быть выбраны и другие пироэлектрические монокристаллы.
Кроме того, поверхность пластины, обращенная к световому потоку от источника, может быть цилиндрическая, эллиптическая, гиперболическая или сферическая, другими словами она может повторять форму поверхности второго порядка.
Сущность: оптическое устройство для передачи информации содержит источник света, модулятор светового потока с блоком управления, связанный по отраженному лучу с блоком для преобразования промодулированного светового потока в сигналы информации. В первом варианте активный элемент модулятора выполнен из материала с магнитной проницаемостью 4Π·10-5-4Π·10-1 Гн/м и снабжен токопроводящим слоем. В качестве блока управления использован электрический генератор, выход которого соединен с токопроводящим слоем. Во втором варианте активный элемент выполнен из материала с линейной электропроводностью 10-12 См/м-6·107 См/м и снабжен электродами. Блок управления - электрический генератор, соединенный с электродами. В третьем варианте активный элемент выполнен из пьезоэлектрического материала и снабжен пьезопреобразователями. Блок управления - акустический генератор. В четвертом варианте активный элемент выполнен из сегнетоэлектрического материала и снабжен электродами. Блок управления - электрический генератор. В пятом варианте активный элемент выполнен из пироэлектрического материала. Блок управления - тепловой генератор. В любом варианте поверхность активного элемента, оптически связанная с источником светового потока, может быть поверхностью второго порядка. 5 с. и 5 з. п. ф-лы, 10 ил.
