ЛИНИЯ ПЕРЕДАЧИ И ПРИЕМА НА КОЛЬЦЕОБРАЗНОМ ИЗЛУЧЕНИИ ЛАЗЕРА Российский патент 1998 года по МПК H04B10/10 

Изобретение относится к области лазерной техники связи и позволяет организовать линию передачи и приема энергии и информации, эквивалентную миллиметровому радиодиапазону, но с существенным (на несколько порядков) сокращением мощности передатчика и габаритов приемной антенны (зеркала), или же существенно (на один два порядка) увеличить дальность передачи. Это является следствием потенциально наилучшей направленности кольцеобразного излучения.

Передатчиком служит информационный трубчатый газовый лазер, кольцеобразное излучение которого попадает на круглое параболическое приемное зеркало. Кроме того, на зеркало направлено и лазерное излучение подсвета. Передаваемая информация шифруется путем модуляции частоты (цвета) излучения информационного лазера. Частота (цвет) излучения подсвета совпадает с немодулированной частотой (цветом) излучения информационного лазера, благодаря чему интенсивность их интерференционной картины изменяется (мерцает) с разностной частотой модулированного излучения и излучения подсвета.

Интерференционная картина возникает на приемнике за счет концентрации излучения на нем приемным зеркалом. Изменяющаяся частота мерцаний фиксируется и дешифруется.

Известен газовый светоизлучатель (патент RU N 2064712, кл. C 16 H 01 J 61/80, 61/90, 1993), выполненный в виде полого цилиндра (трубы), полые стенки которого заполнены газом. За счет продольного электрического тока в газовой среде стенок возбуждается свечение газа. Электрический ток возбуждается электродами на торцах полого цилиндра, подсоединенными к обмотке вне полого цилиндра, образующей длинную линию, периодически импульсно возбуждаемую, благодаря чему в ней происходят практически не затухающие колебания, благодаря чему напряжение между электродами на торцах полого цилиндра меняет знак, а продольный электрический ток периодически меняет направление.

Для управления силой и спектральным составом излучения в газе полых стенок цилиндра светоизлучателя концентрично расположена изолированная сетка, управляющая кольцевым продольным потоком электронов возбуждения газа. Светоизлучатель обеспечивает стационарность и изотропность излучения с цилиндрической поверхности в окружающее пространство. Недостатком излучателя является ненаправленность и некогерентность его излучения.

Известен способ формирования кольцеобразного лазерного излучения и лазерное устройство для его осуществления (патент RU N 2035099, кл. C 16 H 01 S 3/08, 1993). Это устройство может быть как одно-, так и многорезонаторным. Во втором случае в корпусе единого цилиндра размещены концентрически вложенные друг в друга резонаторы, трубчатые лампы возбуждения (накачки), экраны и слои охлаждения. Газовые резонаторы такого трубчатого лазера размещены в газовых баллонах или в полых стенках трубчатых газовых баллонов, в районе торцов (на торцах) которых размещены плоские кольцевые непрозрачные и полупрозрачные зеркала. Для фильтрации непредусмотренных мод перед зеркалом внутри одномодового резонатора установлен кольцевой фильтр Фабри-Перо. Возбуждение газовой среды баллонов осуществлено в том числе и продольным кольцевым потоком электронов. Толщина стенки газовой трубы такого резонатора определяется шириной кольца продольного потока электронов или шириной кольцевых зеркал на торцах баллона. Предусмотрено и соосное с лазером размещение круглого параболического зеркала, концентрирующего кольцеобразное излучение лазера.

Кольцеобразные излучения двух одномодовых резонаторов с близкими по частоте (цвету) излучениями, сконцентрированными круглым параболическим зеркалом на экране, образуют интерференционную картину в виде концентрических колец, интенсивность которых изменяется (мерцает) с разностной частотой излучений резонаторов. Если частоту этих мерцаний рассматривать как информационный параметр, то недостаток этого устройства заключается в невозможности управлять частотой этих мерцаний.

Этот недостаток преодолевается за счет модуляции излучения в лазерных линиях передачи информации. Известна оптическая линия передачи между спутниками, описанная в патенте GB N 2267006, кл. H 04 B 10/22, опубл. 1993 г, в которой на передающем спутнике излучением полупроводникового лазера управляет шифратор (управляющий блок). Модулированное излучение лазера по световоду со специальным дополнительным усилением подается на передающую антенну. Принятое антенной второго спутника это модулированное излучение фокусируется на торце световода, по которому опят со специальным дополнительным усилением поступает на приемник излучения, связанный с дешифратором.

К недостаткам этой линии передачи относится
ограниченность диапазона длин волн передачи, которые могут находиться или в районе 0,85 мкм или в диапазоне 1,3-1,6 мкм;
фазовые искажения световой волны в оптическом узле: излучающий торец световода - передающая антенна, из-за чего ухудшается когерентность и увеличивается расходимость передаваемого излучения. Последнее требует увеличения диаметра антенны.

Эти недостатки отсутствуют в трубчатом одномодовом лазере, излучение которого синфазно на всей площади кольца полупрозрачного излучающего зеркала трубчатого резонатора, а широкий диапазон возможных длин волн излучения определяется выбором состава газовой смеси резонатора.

При изменении частоты (цвета) установившегося излучения информационного резонатора меняется вид не только интерференционной картины колец сконцентрированного на экране излучения, но и частота мерцаний (разностная частота) этой картины во времени. Как частота мерцаний, так и ее изменения могут быть зафиксированы приемниками излучений. При этом приемники получат и энергию интерференционной картины. Технической задачей изобретения является получение установившегося одномодового излучения заданной частоты (цвета) с информационного трубчатого газового одномодового резонатора передающего лазера. При этом за счет однозначного кодирования (шифрования) передаваемого символа определенным значением разностной частоты происходит передача этого символа через сконцентрированное на приемнике круглым параболическим зеркалом кольцеобразных излучений информационного резонатора и резонатора подсвета в форме частоты мерцания интенсивности интерференционной картины, после чего эта частота декодируется (дешифруется) в тот же переданный символ в соответствии с назначенным правилом кодирования. При периодическом (тактовом) кодировании за счет установки в каждом такте заданной, соответствующей передаваемому символу частоты (цвета) излучения информационного резонатора при неизменной частоте (цвете) излучения резонатора подсвета происходит передача заданной последовательности символов.

Установление заданной частоты (цвета) излучения информационного резонатора газового лазера с плоскими зеркалами происходит после установки заданной ширины δ_э кольца продольного потока электронов в газовой среде информационного резонатора согласно зависимости
,
где L - оптическая длина резонатора;
c - скорость света;
δ - толщина стенки газовой трубы - активного элемента резонатора;
n и s - постоянные, характеризующие частоты (цвет) ν_s,n излучения резонатора.

Если в резонаторе возбуждена лишь одна основная мода TEM_0,n, которой соответствует ν_0,n , то s = 0.

Толщина δ стенки газовой трубы эквивалентна ширине δ_э
δ ≈ δ_э (3)
кольца продольного потока электронов.

Заданное значение δ_э устанавливается при подаче с шифратора соответствующих подлежащему передаче символу электрических потенциалов на электроды концентрично размещенных в газе изолированных проводников (сеток), между которыми размещен информационный резонатор. Например, при подаче отрицательных потенциалов происходит уменьшение δ_э. При этом соответственно меняется δ и устанавливается частота ν_0,n.
В случае, если передающий лазер и приемное зеркало расположены в слабо прозрачной для излучения лазера среде (атмосфере, например), прием передаваемых сигналов затрудняется. Поэтому второй технической задачей изобретения является обеспечение повышения прозрачности среды между передающим лазером и приемным зеркалом. Для этого передающий информационный лазер снабжается еще одним дополнительным концентрически расположенным резонатором, расходимость излучения которого больше, чем у информационного резонатора. Характеристики и мощность излучения дополнительного резонатора подобраны так, чтобы повысить прозрачность среды между передающим лазером и приемным зеркалом в пределах телесного угла его излучения.

Поскольку в микронном диапазоне излучения всегда

то разностная частота Δν_s,n мерцаний в соответствии с (1) может быть выражена как
,
где
Δδ изменение номинальной толщины δ стенки газовой трубы информационного резонатора. При этом основной моде TEM_0,n согласно (2), соответствует s = 0. Моды более высоких порядков при том же n характеризуются уже s ≠ 0. Например, TEM_1,n соответствует s = 1, TEM_2,n - s = 2 и т.д. Согласно (4), при одних и тех же δ и Δδ , но s > 0 увеличивается Δν_s,n . При этом для достижения заданного значения Δν_s,n требуется меньшее изменение δ и, согласно (3), тем самым и δ_э . Поэтому третьей технической задачей изобретения является передача символа с помощью многомодового излучения информационного резонатора.

Для повышения интенсивности ("яркости") интерференционной картины на приемнике благоприятно оптимально расположить ось приемного зеркала относительно осей излучений информационного лазера и лазера подсвета.

Для сокращения габаритов благоприятно совместить лазер подсвета с передающим информационным, включив в его состав коаксиально расположенный резонатор подсвета с обеспечением его возбуждения.

На фиг. 1 изображена схема линии передачи и приема на кольцеобразном лазерном излучении; на фиг. 2 - вариант упрощенной принципиальной схемы передающего лазера (в разрезе) с шифратором; на фиг. 3 - упрощенный принципиальный вариант схемы передающего лазера с шифратором при совмещении в одном корпусе информационного и дополнительного резонаторов и трубчатого одномодового резонатора подсвета (в разрезе).

Линия передачи и приема (фиг. 1) содержит информационный трубчатый лазер 1 с электродами 2 изолированных проводников (сеток), соединенных с шифратором 3, одномодовый трубчатый лазер подсвета 4, круглое параболическое приемное зеркало 5, концентрирующее кольцеобразные излучения лазеров 1 и 4 на приемник 6, соединенный с дешифратором 7.

Линия передачи и приема работает в двух режимах следующим образом.

Лазер подсвета 4 стационарно облучает приемное зеркало 5 в оптическом микронном диапазоне с частотой ν , совпадающей с немодулированной частотой ν излучения передающего лазера 1, также направленного на зеркало 5. В первом (информационном) режиме при необходимости передачи некоторого символа с шифратора 3 через электроды 2 передаются соответствующие передаваемому символу электрические потенциалы на изолированные проводники в лазере 1. В результате в лазере 1 устанавливается излучение частотой ν+Δν, , которое, интерферируя с излучением лазера 4, порождает мерцание интерференционной картины на приемнике 6 частотой Δν. .

Эти изменения интенсивности фиксируются приемником 6 и передаются на дешифратор 7, где индентифицируются с передаваемым символом. По окончании установленного такта передачи с шифратора 3 на лазер 1 поступают следующие электрические потенциалы, соответствующие следующему передаваемому символу и т. д. При этом с приемника 6 попутно непрерывно снимается энергия сконцентрированных на нем излучений.

Во втором режиме работы линии - режиме передачи только энергии - с дешифратора 3 на лазер 1 постоянно поступают потенциалы, обеспечивающие наибольший съем энергии с интерференционной картины на датчике 6.

Приведенный на фиг. 2 упрощенный принципиальный вариант схемы передающего лазера (в разрезе) с шифратором содержит полый цилиндрический баллон 1, в полых стенках которого находится газ (газовая смесь) 4, которая вместе с плоскими кольцевыми зеркалами 5 и 6, из которых зеркало 5 полупрозрачное, зеркало 6 - непрозрачное, образует информационный резонатор, заключенный в цилиндр, образованный изолированными проводниками 7 и 8, составляющими его внешнюю 7 и внутреннюю 8 цилиндрические поверхности, соединенные через электроды 2 с шифратором 3. Для фильтрации непредусмотренных мод в информационном резонаторе перед непрозрачным зеркалом 6 установлен кольцевой фильтр Фабри-Перо 10. На торцах 11 полых стенок баллона 1 размещены кольцевые электроды 12-15, из которых электроды 12 и 13, расположенные на одном торце баллона 1, соединены с одной оконечностью обмотки - длинной линии 16, - а электроды 14 и 15, расположенные на противоположном торце баллона 1, - с противоположной оконечностью обмотки 16.

Устройство работает следующим образом.

Газ (газовая смесь) 4 постоянно возбуждается кольцевым потоком электронов, совершающих возвратно-поступательное движение под действием переменных потенциалов на электродах 12 - 15, возникающих вследствие периодического импульсного возбуждения обмотки 16, в которой происходят электромагнитные колебания. Возбужденный электронами газ 4 в совокупности с кольцевыми зеркалами 5 и 6 образует трубчатый газовый информационный резонатор, толщина стенки газовой трубы которого определяется как шириной колец зеркал 5 и 6, так и шириной кольца продольного потока электронов в резонаторе.

При необходимости передачи какого-либо символа с шифратора 3 через электроды 2 на проводники 7 и 8 подаются электрические потенциалы, соответствующие подлежащему передаче символу, под действием которых ширина δ_э кольца продольного потока электронов изменяется. Вследствие этого в одномодовом резонаторе устанавливаются колебания той же моды, но с другой частотой (цветом), часть энергии которой излучается через полупрозрачное кольцевое зеркало 5. При больших отрицательных потенциалах на проводниках 7 и 8 ширина δ_э кольца продольного потока электронов сильно уменьшается. Вместе с тем значительно уменьшается и определяемая ей толщина стенки газовой трубы резонатора, вследствие чего в ней значительно возрастает плотность энергии возбуждения (накачки) газа, что приводит к установлению в резонаторе многомодовых колебаний. Помимо основной TEM_0,n моды возбуждаются высшие TEM_1,n, TEM_2,n и т.д.

Приведенный на фиг. 3 упрощенный принципиальный вариант схемы передающего лазера с шифратором при совмещении в одном корпусе (в разрезе) информационного и дополнительного резонаторов и газового трубчатого одномодового резонатора подсвета (в разрезе) содержит вложенные в цилиндрический корпус 1 газовый трубчатый резонатор подсвета 4, информационный газовый трубчатый резонатор 5, соединенный через электроды 2 с шифратором 3, и дополнительный резонатор 6, излучение 7 которого имеет расходимость большую, чем расходимость излучений 8 информационного резонатора и излучение 9 резонатора подсвета. Информационный резонатор 5 и резонатор 4 подсвета разделены цилиндрическим экраном 10 (в разрезе). Трубчатый газовый одномодовый резонатор подсвета 4 содержит плоские кольцевые зеркала 11 (полупрозрачное) и 12 (непрозрачное), а также кольцевой фильтр Фабри-Перо 13. На торцах полого газового баллона 14, в полых стенках которого находится газ (газовая смесь) 15, расположены кольцевые электроды 16 и 17 на одном торце и кольцевые электроды 18, 19 - на другом. Электроды 16 и 17 соединены с одной оконечностью обмотки 20, электроды 18 и 19 - с другой.

Устройство работает следующим образом. Дополнительный резонатор 6 постоянно выдает излучение 7. Газ (газовая смесь) 15 резонатора подсвета 4 постоянно возбуждается кольцевым продольным потоком электронов, совершающих возратно-поступательное движение под действием переменных потенциалов на электродах 16, 17 и 18, 19, возникающих вследствие импульсного периодического возбуждения обмотки 20 - длинной линии, - в которой происходят электромагнитные колебания. Возбужденный электронами газ 15 в совокупности с кольцевыми зеркалами 11 и 12 и кольцевым фильтром Фабри-Перо 13 образуют трубчатый газовый одномодовый резонатор с частотой (цветом) ν одномодового кольцеобразного излучения 9, совпадающей с частотой ν немодулированного кольцеобразного излучения 8 информационного резонатора 5, но с отличающейся фазой ϕ . Одномодовость колебаний в резонаторе 4 достигается за счет поддержания уровня возбуждения газа 15 - активного элемента резонатора - выше порога возбуждения в заданных пределах, что исключает возбуждение в резонаторе 4 дополнительно к основной TEM_0,n мод TEM_1,n и т.д. высших порядков.

При необходимости передачи какого-либо символа с шифратора 3 через электроды 2 в информационный резонатор 5 подаются электрические потенциалы, которые по приведенному при описании работы устройства на фиг. 2 механизму, устанавливают излучение 8 с частотой (цветом) ν+Δν . Выделение Δν (т.е. передаваемого символа) происходит так, как описано в схеме на фиг. 1. При этом случайная фаза ϕ лишь смещает интерференционную картину, не искажая разностную частоту Δν. .

Приемлемые (до 1%) дифракционные потери за двойной проход резонатора световой волной моды TEM_0,n достижимы при толщине δ стенки газовой трубы (активного элемента резонатора), если

где
λ - длина волны излучения. Это накладывает ограничения на изменения ширины δ_э кольца продольного потока электронов в информационном резонаторе
δ_э≥ δ_min, ,
т. е. на величину потенциалов, подаваемых с шифратора 3. Поскольку "невозмущенная" δ в несколько раз больше δ_min, , то при δ = δ_min из (4) и (5) следует

Для конкретных конструкционных параметров лазера с фиг.3 разностная частота Δν (Гц), согласно (6) приведена в таблице.

При s > 0 интерференционная картина на приемнике 6 (фиг.1) усложняется и в общем случае уменьшается ее интегральная интенсивность.

Полоса пропускания приемников микронного диапазона ограничивается частотой порядка десятков (сотни) мегагерц. Поэтому информация, кодированная приведенными в таблице значениями разностной частоты, может быть принята и использована.

Длина L резонатора наряду с чувствительностью приемника определяется назначенной дальностью передачи линии.

Длительность такта T установления излучения информационного резонатора зависит от частоты ν его излучения, оптической длины L резонатора, состава и плотности его газа (газовой смеси) и может составлять от сотых долей микросекунды до десятков микросекунд (инфракрасное излучение газа малой плотности в дальнем ИК - диапазоне).

В зависимости от согласованной скорости вычислений в процессе шифрации и дешифрации в течение продолжительности T каждого такта может быть передан (принят) какой-либо из m назначенных к передаче символов. Если m=2^k-1, то линию можно представить как многоканальную, имеющую k каналов, в каждом из которых происходит передача 1/T бит/с.

Например, при T=0,1 мкс и m=1 одноканальная (k=1) линия способна передать до 10⁷ бит/с, что сравнимо со скоростью линии связи для передачи ТВ или ИКМ сигналов "Кросс-8" (АО "Импульс"), или в радиорелейных линиях 8 мм диапазона "Перевал-1" и "Перевал-2". Однако ширина диаграммы направленности указанных линий составляет 1^o. В заявляемом устройстве при выполнении тех же задач ширина диаграммы направленности составляет сотые доли градуса. Вследствие этого мощность передатчика снижается в сто и более раз, а габариты приемной антенны - в десять и более раз. При одинаковой мощности передатчика и габаритов приемной антенны (зеркала) заявленная линия дает возможность в десятки раз увеличить дальность передачи.

С учетом малости собственных шумов приемника в микронном диапазоне по сравнению с миллиметровым дальность передачи возрастает еще на порядок и выше.

За счет цифровой обработки при определении разностной частоты Δν может быть выделено m= 10³ - 10⁴ и более ее значений, что эквивалентно k=10 - 13 битовым каналам.

Наконец, при учете "переходных процессов" в сигнале приемника, обусловленных переходом от предыдущего (выделенного) значения Δν к последующему (передаваемому) длительность T цикла сокращается в несколько раз, так как при этом уже не стоит задача достижения установившегося излучения информационного резонатора. Это эквивалентно повышению (во столько же раз) скорости передачи битовой информации по каналам.

Изобретение относится к области лазерной техники связи и позволяет организовать многоканальную линию передачи и приема энергии и информации, эквивалентную миллиметровому-сантиметровому радиодиапазонам, но с существенным (на несколько порядков) сокращением мощности передатчика информации и размеров приемной антенны (зеркала) или существенным (на один-два порядка) увеличением дальности передачи. Передатчиком служит трубчатый газовый лазер, кольцеобразное излучение которого попадает на круглое параболлическое приемное зеркало. Кроме того, на зеркало направлено и лазерное излучение подсвета. Передаваемая информация шифруется путем модуляции частоты (цвета) излучения передающего лазера. Частота (цвет) излучения подсвета совпадает c немодулированной частотой излучения передающего лазера, благодаря чему образуется интерференционная картина, интенсивность которой изменяется (мерцает) с разностной частотой модулированного излучения и излучения подсвета. Интерференционная картина возникает на приемнике за счет концентрации на него излучений приемным зеркалом. Изменяющаяся частота мерцаний фиксируется приемником и дешифруется. Скорость передачи информации по каналу составляет 10⁷ - 10⁸ бит/с и более. 4 з.п.ф-лы, 1 табл., 3 ил.

1. Линия передачи и приема на кольцеобразном излучении лазера, содержащая шифратор, передающий информационный трубчатый газовый одномодовый лазер с продольной компонентой электрического возбуждения, информационный резонатор которого размещен в коаксиальном полом цилиндре, образованном концентрично размещенными в газе один в другом цилиндрическими изолированными проводниками с выведенными за пределы лазера электродами, и круглое соосное передающему лазеру параболическое приемное зеркало с приемником излучений, соединенным с дешифратором, а также направленный на приемное зеркало трубчатый одномодовый лазер подсвета с частотой (цветом) излучения, совпадающей с частотой передающего лазера, отличающаяся тем, что электроды изолированных проводников соединены с шифратором. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что передающий информационный лазер снабжен хотя бы одним концентрически расположенным дополнительным резонатором с большей, чем у информационного, расходимостью излучения. 3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что информационный лазер обладает многомодовым излучением. 4. Устройство по п.1, или 2, или 3, отличающееся тем, что расположение оси приемного зеркала обеспечивает наибольшую интенсивность излучений на приемнике. 5. Устройство по п.1, или 2, или 3, отличающееся тем, что в конструкцию передающего информационного лазера включен расположенный коаксиально информационному резонатор лазера подсвета с обеспечением его возбуждения.