УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПТИЧЕСКОГО СМЕШЕНИЯ СИГНАЛОВ Российский патент 1998 года по МПК H04B10/06 

Изобретение относится к передаче сигналов в оптическом диапазоне волн, более конкретно - к гетеродинным приемникам оптического излучения, и может быть использовано в качестве оптического смесителя сигналов при гетеродинном детектировании.

Известен оптический смеситель информационного и гетеродинного сигналов, входящий в состав оптического гетеродинного детектора (Заявка Японии 1-170921, МКИ 4 G 02 F 2/00, H 04 B 9/00, опубл. 96.07.89), который содержит оптически соединенные оптический мультиплексор и фотодетектор, причем информационный и гетеродинный сигналы поступают на входы оптического мультиплексора, с выхода которого смешанный сигнал поступает на фотодетектор, который выдает на выходе электрический сигнал, содержащий компоненты биений частот, соответствующих световым сигналам.

Известен также оптический смеситель для гетеродинного приема сигналов (Заявка Великобритании 2245117, МКИ 5 H 04 B 10/06, опубл. 18.12.91), который содержит оптически связанные гетеродинный лазерный диод, контроллер поляризации, светоделитель, имеющий два входа и два выхода, двулучепреломляющие элементы, фотодетекторы, причем информационный сигнал поступает на первый вход светоделителя, ан второй вход которого поступает сигнал от гетеродинного лазерного диода, прошедший через контроллер поляризации, с выходов светоделителя, смешивающего и преобразующего поляризацию, два ортогонально поляризованных смешанных сигнала поступают на входы двулучепреломляющих элементов, с выходов которых одинаково поляризованные сигналы поступают на фотодетекторы.

Однако такие устройства требуют жесткого согласования волновых фронтов оптических излучений, высокой спектральной чистоты и стабильности лазеров передатчика и гетеродина, что при практической реализации наталкивается на большие технологические и конструкторские трудности. Рассогласование волновых фронтов и флуктуации частот лазеров передатчика и гетеродина приводит к снижению чувствительности приемника.

Наиболее близким по своей технической сущности аналогом (прототипом) к заявленному устройству является устройство оптического смешения (Арсеньев В. В. и Давыдов Ю.Т. Приемные устройства оптического диапазона: Учеб. пособие. М. : Изд-во МАИ, 1992. - с. 77, рис. 3.4). Прототип содержит последовательно расположенные и оптически связанные оптическую антенну, светоделитель, диафрагму и фотодетектор. Во второй оптической ветви светоделителя установлен гетеродинный лазер. В светоделителе принимаемое поле пространственно совмещается с полем гетеродина. Такое устройство для оптического смешивания несколько снижает требования к согласованию волновых фронтов за счет ограничивающего действия диафрагмы.

Недостатками данного устройства является пониженная чувствительность при снижении частотной стабильности информационного и гетеродинного оптических излучений.

Целью изобретения является разработка устройства для оптического смешения сигналов при гетеродинном детектировании, сохраняющего чувствительность, близкую к предельной при снижении частотной стабильности излучений принимаемого сигнала и лазера гетеродина. Под предельной чувствительностью понимается чувствительность при абсолютной стабильности частот оптических излучений принимаемого сигнала и лазера гетеродина.

Поставленная цель достигается тем, что в известном устройстве оптического смешения сигналов, содержащем последовательно расположенные и оптически связанные оптическую антенну, светоделитель и диафрагму с установленным во второй оптической ветви светоделителя гетеродинным лазером, за диафрагмой дополнительно установлен световод. На поверхности световода размещен пьезопреобразователь. Отверстие диафрагмы выбрано идентично по форме поперечному сечению сердцевины световода. Светоделитель установлен так, что оптические оси оптической антенны и оптического луча гетеродинного лазера, а также проекция оптической оси оптической антенны на поверхность светоделителя лежат в одной плоскости. Угол α , образованный оптическими осями оптической антенны и оптического луча гетеродинного лазера, составляет:
α = 2β-θ, (1) ,
где
β - угол, образованный оптической осью оптической антенны и ее проекцией на поверхность светоделителя, θ - угол взаимодействия, образованный оптическими осями оптической антенны и отраженного от светоделителя оптического луча гетеродинного лазера. Оптическая ось световода совпадает с биссектрисой угла взаимодействия θ , определяемого выражением:

где
c - скорость света в вакууме, n₁ - показатель преломления материала сердцевины световода, v - скорость распространения звуковых волн в материале сердцевины световода, ω₁ и ω₂ - частоты оптических излучений лазера гетеродина и принимаемого сигнала. При этом значение частоты оптического излучения лазера гетеродина ω₁ выбрано, исходя из условия:
ω₂<ω₁<ω₂(1+A)/(1-A), (3)
где
A = n₁v/c, а показатель преломления оболочки световода n₂ выбран из условия:
n₂≤n₁cos(θ/2). (4)
Толщина пьезопреобразователя l связана со значением разностной частоты Ω = ω₁-ω₂ условием:
l= vπ/Ω. (5)
В качестве оптической антенны может быть использован коллиматор, радиус выходного зрачка которого r_c связан с длиной волны оптического излучения принимаемого сигнала λ₂=2πc/n₁ω₂ , длиной световода L, показателем преломления сердцевины световода n₁ и углом взаимодействия θ неравенством:

Поперечное сечение световода прямоугольное со сторонами "b" и "d". Причем
b = 2r/c, (7)
d = mπv/Ω, (8)
где где m = 1,2,3,..., +∞ и выбрано из условия:
m-1< 2r_cΩ/π/v+1< m. (9)
Толщина сердцевины световода "a" определена из условия:
a≥2r_с, (10)
а ее ширина равна "b". Расстояние между плоскостью оптической антенны по ее оси до поверхности входного торца световода l' составляет:
l'≤ n₁r2c

/(43λ₂). (11)
Угол β выбран из условия:
30^°< β <60^°. (12)
Выход пьезопреобразователя является выходом устройства в целом.

Предлагаемое устройство реализует принцип функционирования оптического гетеродинного детектора (Яременко Ю. И. Теоретические основы построения и применения средств связи оптического диапазона. СПб.: ВАС. - 1992. - с. 160-172), основанного на использовании эффекта электрострикционного возбуждения звука. Принцип создания предлагаемого устройства основан на фокусировке и направлении оптических лучей в оптический световод для получения многократного повторения процесса генерации упругих колебаний разностной частоты в местах взаимодействия оптических лучей и последующего преобразования энергии упругих колебаний среды распространения в электрические колебания разностной частоты. Такое построение устройства позволяет значительно снизить требования к частотной стабильности оптических излучений.

Таким образом, новая совокупность признаков обеспечивает сохранение чувствительности устройства для оптического смешения сигналов при гетеродинном детектировании, близкой к предельной при снижении частотной стабильности принимаемого сигнала и лазера гетеродина.

Данное изобретение поясняется чертежами, на которых: на фиг. 1 изображена структурная схема устройства для оптического смешения сигналов; на фиг. 2 - рисунок, поясняющий работу устройства.

Заявленное устройство, показанное на фиг. 1, состоит из последовательно расположенных оптической антенны 1, светоделителя 2, диафрагмы 3, световода 4, состоящего из сердцевины 5 и оболочки 6, пьезопреобразователя 7 с электродами 8, а также гетеродинного лазера 9. Гетеродинный лазер 9 установлен во второй оптической ветви светоделителя 2. Световод 4 установлен после диафрагмы 3. На поверхности световода 4 размещен пьезопреобразователь 7. Выход пьезопреобразователя 7 (о-о') является выходом устройства в целом.

Отверстие диафрагмы 3 идентично форме поперечного сечения сердцевины 5 световода 4. Светоделитель 2 установлен так, что оптические оси оптической антенны 1 и оптического луча гетеродинного лазера 9, а также проекция оптической оси оптической антенны 1 на поверхность светоделителя 2 лежат в одной плоскости. Угол α , образованный оптическими осями оптической антенны 1 и оптического луча гетеродинного лазера 9, выбран из условия (1). Оптическая ось световода 4 совпадает с биссектрисой угла взаимодействия θ , определяемого выражением (2). При этом значение частоты оптического излучения гетеродинного лазера 9 ω₁ выбрано, исходя из условия (3). Показатель преломления оболочки 6 световода 4 n₂ выбран из условия (4). Толщина пьезопреобразователя 7 l связана со значением разностной частоты Ω = ω₁-ω₂ условием (5). В качестве оптической антенны 1 может быть использован коллиматор, радиус выходного зрачка которого r_c связан с длиной волны оптического излучения принимаемого сигнала λ₂ , длиной световода 4 L, показателем преломления сердцевины 5 световода 4 n₁ и углом взаимодействия θ неравенства (6). Поперечное сечение световода 4 прямоугольное со сторонами b и d, определяемыми выражениями (7), (8) и (9). Толщина сердцевины 5 световода 4 a определена из условия (10), а ее ширина равна b. Расстояние между выходной плоскостью оптической антенны 1 по ее оптической оси до поверхности входного торца световода 4 1 определяется выражением (11). Угол β выбран из условия (12).

Элементы предлагаемого устройства могут быть технически реализованы.

В качестве оптической антенны может быть использована любая известная схема оптической антенны. В частности, такой антенной может быть коллиматор на основе двухкомпонентной линзовой антенны системы Галилея, описанной в работе: Загороднюк В.Т. и Паршин Д.Я. Лазерная оперативная связь с промышленными объектами. М.: Связь, 1979, с. 46, рис. 4.5 (б).

Светоделитель может быть выполнен в виде полупрозрачного зеркала, как, например, показано в работе: Якушенков Ю.Г. Теория и расчет оптико-электронных приборов: Учебник для вузов. - Изд. 2-е, перераб. и доп. - М.: Советское радио, 1980, с. 282.

Оптический световод прямоугольного сечения может быть выполнен по известной схеме, содержащейся в описании плоской монолитной интегральной схемы смесителя миллиметровых волн (заявка США, 4878253, МКИ H 04 B 1/26, опубл. 30.10.1990).

Пьезопреобразователь может быть изготовлен, как показано в работе: Морозов А. И., Проклов В.В., Станковский В.А., Гингис А.Д. Пьезополупроводниковые преобразователи и их применение. - М.: Энергия, 1973, с. 11, рис. 3 (в), в виде пластин из пьезоэлектрической керамики с механическим импедансом, близким по величине к механическому импедансу материала световода, и размещен на поверхности оболочки с двух сторон световода, т.е. их ширина равна b, а толщина l определяется выражением (5). Металлические электроды должны обеспечивать съем напряжения с поверхности пьезопреобразователя.

Длина пьезопреобразователя равна длине световода L и определяется, исходя из требуемой мощности сигнала промежуточной частоты.

Заявляемое устройство работает следующим образом.

Частота оптического излучения ω₁ местного гетеродина должна быть немного больше частоты ω₂ информационного сигнала, но так, чтобы разность ω₁-ω₂ находилась внутри частотной зоны Бриллюэна, ограничивающей разностную частоту сверху по спектру. Снизу разностная частота ограничивается скоростью передачи информации. С выхода оптической антенны 1 коллимированный световой пучок с оптической частотой ω₂ поступает на светоделитель 2, в котором пространственно совмещается со световым пучком местного гетеродинного лазера 9 с оптической частотой ω₁, и, пройдя через диафрагму 3, световые пучки с углом θ между волновыми векторами k₁ и k₂ и определяемым условием (2), вводятся в световод 4. В световоде 4 в областях взаимодействия световых пучков под воздействием суммарного электрического поля вследствие явления электрострикции возникает решетка возмущений плотности, т.е. появляется стимулированная упругая волна с частотой Ω = ω₁- ω₂ , распространяющаяся в среде со скоростью звука v, в направлении биссектрисы угла, образованного векторами k₁ и -k₂ (см. фиг. 2). Распространяясь в среде световода 4, ультразвуковая волна, возбужденная в каждой области взаимодействия световых лучей, достигает пьезопреобразователя 7, на электродах 8 которого вследствие прямого пьезоэффекта появляется электрическое напряжение, величина которого пропорциональна величине деформации, и описывается тем же законом с коэффициентом, учитывающим пьезоэлектрические свойства материала пьезоэлектрика, согласованность волновых импедансов и звуководные свойства материала световода.

Опираясь на результаты работы (Яременко Ю. И. Теоретические основы построения и применения средств связи оптического диапазона. СПб.: ВАС. - 1992. с. 160-172), могут быть получены выражения, определяющие допустимые границы изменения разностной частоты (т.е. нестабильность частот ω₁ и ω₂ ):
,
где
Ω_o= ω₀₁-ω₀₂ - разность частот гетеродина и сигнала как абсолютно стабильных источников излучения.

В качестве примера реализации рассмотрим случай, когда для материала световода используется кварц при . Значение частоты излучения гетеродинного лазера ω₁ лежит в пределах, определяемых выражением (3). При этом, в случае ω₁=ω₂ , световые пучки сонаправлены, угол взаимодействия θ = 0 и разностная частота Ω = 0 , т.е. генерация ультразвуковой волны отсутствует. Случай ω₁= ω₂(1+A)/(1-A) соответствует встречному взаимодействию оптических пучков и максимальному значению разностной частоты. Примем значение ω₁ такое, что значение разностной частоты Ω=6,28*10⁸c^-1 (f=100 МГц), тогда, согласно выражению (2), значение угла взаимодействия θ = 0^°35′10″ .

Значение угла β может быть выбрано из условия (12), характеризующего положение полупрозрачного зеркала, позволяющего снизить оптические потери при использовании его в качестве светоделителя. Однако, в принципе, значение угла β может находиться в пределах от нуля до девяносто градусов, что, в конечном итоге, не отразиться на значении допустимых границ изменения разностной частоты. Примем величину угла β , образованного оптической осью оптической антенны и ее проекцией на поверхность светоделителя, равной 45^o. Тогда, согласно выражению (1), значение угла α , образованного оптическими осями оптической антенны и оптического луча гетеродинного лазера, равно 89^o24'50".

Толщина пьезопреобразователя l согласно (5), равна 3•10^-5 м.

Радиус выходного зрачка коллиматора, определяющий радиус оптического пучка на его выходе и соответственно дифракционную расходность, выбирается из условия (6). При равенстве

интенсивность оптического излучения за счет дифракционной расходимости на длине преобразователя L составит величину, равную половине значения интенсивности оптического излучения на выходе оптической антенны. При увеличении r_с дифракционная расходимость уменьшается и, следовательно, не будет оказывать существенного влияния на чувствительность детектирования. При длине преобразователя L=1 м примем значение r_с=10^-3 м, что отвечает требованию неравенства (6). Тогда ширина сердцевины световода, определяемая выражением (7), равна b= 2•10^-3 м. Толщина сердцевины должна быть не меньше диаметра оптических пучков. Примем a=2r_с=2•10^-3 м. Толщина световода определяется, исходя из выражений (8) и (9), и равна d=2,04•10^-3 м.

Расстояние между выходной плоскостью оптической антенны по ее оси до поверхности входного торца световода l' выбирается из условия (11). При равенстве l' = = r₁r2c

/ ( (43λ₂) падение интенсивности оптического излучения за счет дифракционной расходимости оптических пучков составит один процент. При уменьшении расстояния l' дифракционная расходимость не будет оказывать существенного влияния на чувствительность детектирования. Примем значение l'= 10^-2 м.

Установленные исходные данные позволили получить следующие результаты:
.

Из приведенных данных следует, что по сравнению с известными устройствами оптического смешения при построении оптического смесителя в соответствии с указанными принципами на два порядка снижаются требования к частотной стабильности лазеров.

Таким образом, устройство реализует оптическое смешение информационного и гетеродинного сигналов и на выходе позволяет получать электрический сигнал разностной (промежуточной) частоты. При использовании заявленного устройства можно обеспечить сохранение чувствительности, близкой к предельной при снижении стабильности частот излучения лазеров передатчика и гетеродина.

Указанное техническое преимущество обусловит повышение эффективности гетеродинного метода приема в когерентных оптических системах передачи информации.

Изобретение относится к передаче сигналов в оптическом диапазоне волн, более конкретно - к гетеродинным приемникам оптического излучения и может быть использовано в качестве оптического смесителя сигналов при гетеродинном детектировании. Целью изобретения является разработка устройства для оптического смешения сигналов при гетеродинном детектировании, сохраняющего чувствительность, близкую к предельной при снижении частотной стабильности излучений принимаемого сигнала и лазера гетеродина. Заявленное устройство состоит из последовательно расположенных оптической антенны, светоделителя, диафрагмы, световода, пьезопреобразователя, а также гетеродинного лазера. Гетеродинный лазер установлен во второй оптической ветви светоделителя. Световод установлен после диафрагмы. На поверхности световода размещен пьезопреобразователь. Выход пьезопреобразователя является выходом устройства в целом. Поставленная цель достигается благодаря использованию при оптическом гетеродинном детектировании сигналов способа электрострикционного возбуждения упругих колебаний в поле двух оптических пучков. 4 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для оптического смешения сигналов, включающее последовательно расположенные и оптически связанные оптическую антенну, светоделитель и диафрагму, причем во второй оптической ветви светоделителя установлен гетеродинный лазер, отличающееся тем, что за диафрагмой дополнительно установлен световод с оболочкой, причем отверстие диафрагмы идентично форме поперечного сечения сердцевины световода, на поверхности оболочки световода размещен пьезопреобразователь, причем светоделитель установлен так, что оптические оси оптической антенны и оптического луча гетеродинного лазера, а также проекция оптической оси оптической антенны на поверхность светоделителя лежат в одной плоскости, а угол α, образованный оптическими осями оптической антенны и оптического луча гетеродинного лазера, установлен из условия α = 2β-θ, где β - угол, образованный оптической осью оптической антенны и ее проекцией на поверхность светоделителя, θ - угол взаимодействия, образованный оптическими осями оптической антенны и отраженного от светоделителя оптического луча гетеродинного лазера, причем оптическая ось световода совпадает с биссектрисой угла взаимодействия θ, определяемого выражением

где С - скорость света в вакууме;
n₁ - показатель преломления материала сердцевины световода;
ν - скорость распространения звуковых волн в материале сердцевины световода;
ω₁ и ω₂ - частоты оптических излучений лазеров гетеродина и передатчика, причем частота оптического излучения гетеродинного лазера ω₁ выбрана из условия
ω₂<ω₁<ω₂(1+A)/(1-A),
где A = n₁ν/c,
а показатель преломления оболочки световода n₂ выбран из условия n₂≤ n₁cos(θ/2), причем толщина пьезопреобразователя l связана со значением разностной частоты Ω = ω₁-ω₂ условием l= νπ/Ω, а его выход является выходом устройства в целом. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве оптической антенны использован коллиматор, радиус выходного зрачка которого r_с связан с длиной волны оптического излучения принимаемого сигнала λ₂= 2πc/n₁ω₂, длиной световода L, показателем преломления сердцевины световода n₁ и углом взаимодействия θ неравенством

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что поперечное сечение световода прямоугольное со сторонами b и d, причем b = 2r_c, d = mπν/Ω, где m = 1,2,3..., +∞ м выбрано из условия m-1 < 2r_cΩ/π/ν+1 < m, толщина сердцевины световода a определена из условия a ≥ 2r_c, а ее ширина равна b. 4. Устройство по пп.2 и 3, отличающееся тем, что расстояние между выходной плоскостью оптической антенны по ее оси до поверхности входного торца световода l' выбрано из условия l'≤ n₁r2c

/(43λ₂).
5. Устройство по пп.1 - 4, отличающееся тем, что угол β выбран в пределах 30 < β <60^°.л