КОГЕРЕНТНЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ ПРИЕМНИК Российский патент 1997 года по МПК G01J1/04 

Изобретение относится к области волоконно-оптической связи и может быть использовано в приемной аппаратуре систем, где необходимо обеспечить максимальную дальность передачи без ретрансляции.

Известен оптический гетеродинный приемник [1] содержащий лазер-гетеродин, фотоприемник и схему автоподстройки частоты рабочего излучения лазера-гетеродина, в которой сигнал ошибки вырабатывается по выходному сигналу фотоприемника.

Недостатками известного устройства являются высокие требования к монохроматичности лазеров, сложность схем автоподстройки частоты лазера-гетеродина и, как следствие, недостаточно высокая стабильность гомодинного режима приема, обеспечивающего теоретически наивысшую чувствительность.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является выбранный в качестве прототипа когерентный приемник [2] содержащий оптический направленный ответвитель для формирования двух каналов - сигнального, соединенного с фотоприемником, и второго канала, содержащего фазосдвигающий элемент и оптический усилитель. Автоподстройка когерентного оптического приемника-прототипа осуществляется с использованием фазосдвигающего элемента, который через схему регулирования связан с фотоприемником.

Когерентный оптический приемник-прототип позволяет осуществить гомодинный прием, поскольку в нем в качестве гетеродинирующего оптического сигнала используется часть принимаемого сигнала, которая после усиления оптическим усилителем подается на вход фотоприемника совместно с другой частью того же принимаемого сигнала.

Недостатком прототипа является то, что на вход фотоприемника поступает как принимаемый оптический сигнал, так и спонтанное излучение оптического усилителя, вследствие чего гетеродинирующий сигнал характеризуется высоким уровнем шума, снижающим чувствительность когерентного оптического приемника, которая по этой причине принципиально не может быть близкой к теоретически возможному значению. Другим недостатком прототипа является то, что при уровне мощности спонтанного излучения на входе оптического усилителя, соизмеримом или выше мощности оптического сигнала, происходит, за счет обратной связи, захват и лавинное усиление излучения со случайной длиной волны, соответствующей наиболее интенсивным спонтанным составляющим в спектральном диапазоне излучательных рекомбинаций активной среды оптического усилителя.

Заявляемое техническое решение направлено на повышение чувствительности когерентного оптического приемника при одновременном сохранении стабильности его работы в гомодинном режиме.

Указанная цель в заявляемом решении достигается за счет того, что оптический направленный ответвитель для формирования двух каналов состоит из двух оптических направленных ответвителей, при этом первый выход первого направленного ответвителя через оптический усилитель и управляемый фазосдвигающий элемент подключается к первому входу второго оптического направленного ответвителя, второй выход первого оптического направленного ответвителя через оптическую линию задержки подключен ко второму входу второго оптического ответвителя, оптический усилитель выполнен, по крайней мере, из двух оптических усилителей (входного и выходного), между которыми установлен оптический вентиль, выходы второго оптического направленного ответвителя подключены к входам фотоприемника, выполненного по балансной схеме, а выход фотоприемника подключен к схеме управления фазосдвигающим элементом, обеспечивающей фазовый сдвиг между оптическими колебаниями в каналах, равным нечетному числу π/2.

Кроме того, в заявляемом когерентном оптическом приемнике источник накачки оптического усилителя выполнен регулируемым и соединен с выходом схемы управления источником накачки, вход которой соединен с цепью автоматической регулировки усиления фотоприемника.

На чертеже представлена структурная схема заявляемого технического решения, где 1 первый оптический направленный ответвитель, 2 входной оптический усилитель, 3 оптический вентиль, 4 выходной оптический усилитель, 5 управляемый фазосдвигающий элемент, 6 второй оптический направленный ответвитель, 7 фотоприемник, 8 схема управления фазосдвигающим элементом, 9 оптическая линия задержки, 10 схема управления регулируемым источником накачки оптического усилителя, 11 регулируемый источник накачки оптического усилителя, 12 оптический усилитель.

Первый выход первого оптического направленного ответвлителя 1 подключен последовательно через входной оптический усилитель 2, оптический вентиль 3, выходной оптический усилитель 4 и управляемый фазосдвигающий элемент 5, образующие в совокупности гетеродинный оптический тракт, к первому входу второго оптического направленного ответвителя 6. Второй выход первого оптического направленного ответвителя 1 подключен через оптическую линию задержки 9 ко второму входу второго оптического ответвителя 6, образуя сигнальный оптический тракт. Выходы второго оптического направленного ответвителя 6 подключены к входам фотоприемника 7, выполненного по балансной схеме. Электрический сигнальный выход фотоприемника 7 подключен к входу схемы 8 управления фазосдвигающим элементом, выход которой подключен ко входу управляемого фазосдвигающего элемента 5. Электрический выход цепи автоматической регулировки усиления фотоприемника 7 подключен к входу схемы 10 управления источником накачки оптического усилителя, выход которой подключен к входу регулируемого источника 11 накачки оптического усилителя, выход которого, в свою очередь, подключен к оптическому усилителю 12. Оптический усилитель 12 образуется совокупностью входного оптического усилителя 2, оптического вентиля 3 и выходного оптического усилителя 4.

Когерентный оптический приемник работает следующим образом. Принимаемый оптический сигнал мощностью P_вх с выхода волоконно-оптической линии передачи подводится к входу первого оптического направленного ответвителя 1, образованного двумя связанными световодами и делящего сигнал на две равные по мощности части P_с P_вх/2. Одна из них направляется в сигнальный тракт, содержащий оптическую линию задержки 9, длина которой выбирается из условия равенства времени задержки τ_з времени прохождения сигнала через гетеродинный тракт, и после прохождения сигнального тракта поступает на второй вход второго оптического направленного ответвителя 6, аналогично первому оптическому направленному ответвителю 1.

Вторая половина P_с мощности сигнала направляется в гетеродинный тракт на вход оптического усилителя 12. Если эффективные коэффициенты усиления (в разах) входного оптического усилителя 2 и выходного оптического усилителя 4 равны, соответственно, G₁ и G₂, то на выходе входного оптического усилителя 2 мы будем иметь
P_вых1 P_с•G₁+P_ш1, (1)
где
P_ш1 мощность шумовой составляющей выходного сигнала входного оптического усилителя 2, определяемая, в основном, биениями входного сигнала со спонтанным излучением самого входного оптического усилителя 2.

Точное воспроизведение на выходе входного оптического усилителя 2 длина волны λ_c принимаемого сигнала соблюдается благодаря отсутствию внешних воздействий (кроме, разумеется, усиливаемого сигнала P_с), обеспечиваемому оптической развязкой, создаваемой оптическим вентилем 3. Дополнительное усиление выходного сигнала входного оптического усилителя 2 осуществляется выходным оптическим усилителем 4, на выходе которого получим
P_вых2 P_вых1•G₂+P_ш2 P_сG₁G₂+P_ш1G₂+P_ш2 (2)
Здесь P_сG₁G₂ полезная (гетеродинирующая) составляющая мощности выходного сигнала оптического усилителя 12, P_ш1G₂+P_ш2 результирующая мощность шумовой составляющей на выходе оптического усилителя 12.

Значения коэффициентов усиления G₁ и G₂ устанавливаются для расчетного уровня принимаемого сигнала так, чтобы обеспечивалось максимальное отношение полезной и шумовой составляющих на выходе оптического усилителя 12, при этом уровень выходной мощности оптического усилителя 12 должен быть достаточным для преобладания дробовых шумов оптического сигнала над тепловыми шумами фотоприемника 7 ("квантовоограниченный" режим работы), а также условие эффективного гетеродинирования, P_вых2>>P_с.

Кроме того, в устройство введена дополнительная петля автоподстройки рабочего режима когерентного оптического приемника, предназначенная для расширения диапазона входных уровней сигнала, в котором обеспечиваются нормальные характеристики. В эту петлю входят регулируемый источник 11 накачки оптического усилителя 12, т.е. входящих в него оптических усилителей (или хотя бы одного из них), а также схема 10 управления источником накачки 11, которая, в свою очередь, управляется напряжением, вырабатываемым схемой автоматической регулировки усиления (АРУ) фотоприемника 7. При повышении уровня принимаемого оптического сигнала и приближении к насыщению коэффициента усиления оптического усилителя 12, напряжение АРУ, воздействуя на схему 10 управления, обеспечит автоматическое снижение усиления оптического усилителя 12 до уровня, исключающего перегрузку фотоприемника 7, при этом снижается также шумовая составляющая гетеродинного излучения.

С выхода оптического усилителя 12 мощность P_вых2 гетеродинирующего сигнала через управляемый фазосдвигающий элемент 5 подводится к первому входу второго оптического направленного ответвителя 6.

Далее, оба поступающих на входы второго оптического направленного ответвителя 6 сигнала, P_с и P_вых2, делятся пополам и получают - вследствие общих свойств направленных ответвителей на связанных волноводах - относительный фазовый сдвиг, равный π/2 в выходных плечах второго оптического направленного ответвителя 6. Дополнительный фазовый сдвиг
Δ⊘ = π/2 (3)
между оптическими сигналами в сигнальном и гетеродинном трактах создается управляемым фазосдвигающим элементом 5. При этом в одном выходном плече второго оптического направленного ответвителя 6 разность фаз сигнального и гетеродинного колебаний составит ⊘_c-⊘_г= 0 а в другом ⊘_c-⊘_г= π В этом случае на выходе схемы вычитания, входящей в состав фотоприемника 7, который собран по балансной схеме на основе двух одинаковых фотоприемных модулей, мы получим максимум среднего уровня принимаемого сигнала. Именно по этому критерию работает схема 8 управления фазосдвигающим элементом, обеспечивающая непрерывное выполнение условия (3).

Напряжение V_вых на выходе фотоприемника 7, осуществляющего гетеродинный прием по балансной схеме, определяется выражением [3]

где
коэффициент преобразования входной оптической мощности сигнала с полосой частот B_о в выходное напряжение,
η квантовая эффективность фотодетекторов,
q заряд электрона,
h постоянная Планка,
n частота несущего излучения принимаемого сигнала,
K_фп коэффициент усиления сигнала электронными цепями фотоприемника,
E_г напряженность полезной составляющей гетеродинирующего оптического поля (λ = λ_c) на выходе второго оптического направленного ответвителя 6,
E_шг напряженность шумовой составляющей гетеродинирующего оптического поля,
E_с напряженность полезной составляющей сигнального оптического поля,
E_ш напряженность шумовой составляющей сигнального оптического поля,
K коэффициент несимметричности плеч балансного фотоприемника.

При обеспечении высокой симметричности плеч K _→ 1 следовательно, шум гетеродинирующего излучения E_шг, являющийся основным фактором снижения чувствительности когерентных оптических приемников, в подавляющей степени компенсируется (уничтожается) в схеме вычитания. При этом отношение сигнал/шум будет определяться соотношением усиленного полезного сигнала и шумовой составляющей на выходе входного оптического усилителя, т.е. выигрыш в чувствительности может быть большим.

Количественную оценку выигрыша в чувствительности приемного устройства при использовании предлагаемого когерентного оптического приемника вместо стандартного приемного оптоэлектронного модуля, можно получить в результате несложного расчета.

Стандартный приемный оптоэлектронный модуль [4] с pin фотодиодом на входе в диапазоне λ 1,55 мкм при приеме цифровых оптических сигналов в полосе частот B_о=40 МГц с коэффициентом ошибок К_ош=10^-9(сигнал/шум=12) имеет чувствительность -47 дБм, что соответствует необходимому уровню входной мощности P_вх= 2•10^-8Вт. И пусть линейный оптический кабель имеет среднее погонное затухание в этом диапазоне a 0,23 дБ/км.

Требуется рассчитать увеличение дальности безтрансляционной передачи по такому кабелю при установке на приемном конце вместо стандартного приемного оптоэлектронного модуля предлагаемого когерентного оптического приемника, в котором использованы стандартные приемные оптоэлектронные модули в составе фотоприемника 7, а в качестве входного оптического усилителя 2 и выходного оптического усилителя 4 использованы полупроводниковые лазерные усилители G₁G₂>>1, причем результирующий коэффициент усиления оптического усилителя 12 G=G₁•G₂.

На практике подавление шума в балансных схемах (по которой собран фотоприемник 7) достигает 30.35 дБ, поэтому мы можем считать, что основной вклад в шумовую составляющую на выходе фотоприемника 7 дает дробовый шум сигнал-спонтанных биений во входном оптическом усилителе 2, а коэффициент K несимметричности плеч балансного фотоприемника в формуле (4) практически равен 1, K1. При этих условиях требуемая мощность P_с сигнала в сигнальном тракте когерентного оптического приемника будет определяться соотношением [5]

где
n_сп коэффициент инверсии населенности в активной среде полупроводниковых лазерных усилителей; характерная величина n_сп=2. Остальные параметры расшифрованы выше.

Подставляя в (5) соответствующие числовые данные, найдем
P_с=6,92•10^-11Вт.

Таким образом, необходимое значение оптической мощности P_вхна входе приемного устройства для обеспечения K_ош=10^-9 составит P_вх=2P_с=-68,6 дБм. Выигрыш по сравнению с чувствительность стандартного модуля ПРОМ-364 составит -47-(-68,6)=21,6 дБ.

Следовательно, дальность передачи без ретрансляции по кабелю с α = 0,23 дБ/км может быть увеличена, без снижения качества передачи информации, почти на 94 км ( ΔL 21,6/0,23=93,9 км).

Экономическая эффективность заявляемого когерентного оптического приемника подтверждается сопоставлением с традиционными схемами когерентных оптических приемников. В предлагаемом устройстве все элементы являются обычными серийными оптоэлектронными или волоконными изделиями; для его нормального рабочего режима не требуются повышенные технологические или эксплуатационные условия (например, термостабилизация). Величины коэффициентов усиления (G₁, G₂) полупроводниковых лазерных усилителей, как видно из (5), не очень критичны необходимо лишь обеспечить условие работы в квановоограниченном режиме, т.е. P_вых2>>P_с, что на практике легко достижимо, так как обычно G_т>>1. Наиболее тщательно требуется реализовать высокую симметричность плеч балансной схемы фотоприемника 7, поскольку именно этот фактор определяет степень влияния остаточных (недокомпенсированных) шумов гетеродинирующего излучения.

Использование: область волоконно-оптической связи. Сущность изобретения: в когерентный оптический приемник, содержащий оптический ответвитель, состоящий из двух оптических направленных ответвителей для формирования двух каналов, оптический усилитель, фазосдвигающий элемент со схемой управления, источник накачки оптического усилителя, фотоприемник, введена оптическая линия задержки, оптический усилитель выполнен, по крайней мере, из двух оптических усилителей, входного и выходного, между которыми установлен оптический вентиль, при этом второй выход первого оптического направленного ответвителя через оптическую линию задержки подключен к второму входу второго оптического направленного ответвителя, выходы которого подключены к входам фотоприемника, а фазовый сдвиг между оптическими колебаниями в каналах равен нечетному числу π/2. Кроме этого, источник накачки снабжен схемой управления, выход которой подключен к источнику накачки оптического усилителя, а вход подключен к выходу фотоприемника. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Когерентный оптический приемник, содержащий оптический ответвитель, состоящий из двух оптических направленных ответвителей для формирования двух каналов, оптический усилитель с источником накачки, фазосдвигающий элемент со схемой управления, фотоприемник, при этом первый выход первого оптического направленного ответвителя через оптический усилитель и фазосдвигающий элемент подключен к первому входу второго оптического направленного ответвителя, а выход фотоприемника подключен к схеме управления фазосдвигающего элемента, отличающийся тем, что в него введена оптическая линия задержки, оптический усилитель выполнен по крайней мере из двух оптических усилителей, входного и выходного, между которыми установлен оптический вентиль, при этом второй выход первого оптического направленного ответвителя через оптическую линию задержки подключен к второму входу второго оптического направленного ответвителя, выходы которого подключены к входам фотоприемника, а фазовый сдвиг между оптическими колебаниями в каналах равен нечетному числу n/2. 2. Приемник по п.1, отличающийся тем, что источник накачки оптического усилителя выполнен регулируемым и снабжен схемой управления, выход которой подключен к источнику накачки оптического усилителя, а вход подключен к выходу фотоприемника.