УСТРОЙСТВО ДВУХСТОРОННЕЙ ОПТИЧЕСКОЙ СВЯЗИ Российский патент 2008 года по МПК H04B10/00 

Изобретение относится к технике электрической связи и может быть использовано в системах двухсторонней оптической связи.

Из уровня техники известно устройство двухсторонней оптической связи (Патент Японии №25122, 1969 г.), содержащее два приемо-передающих узла, каждый из которых имеет приемо-передающую оптическую систему, включающую лазер с источником питания, коллимирующую оптику и фотоприемник, а также схему обработки и регулирования через исполнительный элемент. Эта система предусматривает автоматическую компенсацию возмущений положения светового пучка, возникающих в результате изменения метеорологических условий. Исполнительным устройством в этой системе является сервопривод для изменения углового положения коллиматора. Смещение луча лазера после прохождения по трассе фиксируется верхним и нижним фотодетекторами. Разностный сигнал между этими фотоприемниками корректирует угловое положение соответствующего коллиматора. К недостаткам данного устройства можно отнести малый динамический диапазон работы системы при передаче данных с высокой скоростью.

Наиболее близким по технической сущности является устройство двухсторонней оптической связи (Патент РФ №2272358, МПК Н04В 10/10, 2006 г.), которое и выбрано в качестве прототипа. Приемо-передающая оптическая система устройства выполнена в виде, по крайней мере, трех собирающих линз, расположенных равномерно по периметру приемной площадки, на центральной оси которой с внешней стороны установлен лазер с источником питания и коллиматорная оптика, а с внутренней стороны последовательно размещены оптический элемент с отражающей поверхностью, фокусирующая линза и фотоприемник, а на оптической оси каждой собирающей линзы установлено поворотное зеркало, оптически связанное с собирающей линзой и отражающей поверхностью оптического элемента, которая также оптически связана с фокусирующей линзой, причем часть поступающего на фотоприемник излучения отражается на позиционно-чувствительный фотоприемник, который через блок электроники управляет сервоприводами, обеспечивающими автоматическое наведение приемо-передающих систем друг на друга. К недостаткам данного устройства двухсторонней оптической связи можно отнести ограничение скорости передачи из-за отсутствия высокоскоростных лазеров большой мощности и взаимную нестабильность оптической схемы, вызванную тепловым расширением корпуса приемо-передающей системы.

Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей устройства двухсторонней оптической связи.

Технический результат достигается за счет того, что устройство двухсторонней оптической связи содержит первый и второй приемо-передающие узлы, каждый из которых имеет приемо-передающую оптическую систему, содержащую приемную площадку, на которой расположены, по крайней мере, две собирающие линзы, а с другой стороны площадки последовательно размещены на оптической оси каждой собирающей линзы: фокусирующий объектив, поворотное зеркало, оптически связанное с соответствующей собирающей линзой и излучающим устройством сигнала связи или принимающим устройством сигнала связи, позиционно-чувствительный фотоприемник или лазер.

Излучающее устройство сигнала связи и принимающее устройство сигнала связи выполнены в виде торцов световодов диаметром d и числовой апертурой NA.

На отражающую поверхность поворотного зеркала нанесено дихроичное покрытие для отражения излучения длины волны λ1 и пропускания излучения с длиной волны λ2.

Излучающее и принимающее устройства сигнала связи выполнены с возможностью работы на длине волны λ1.

Лазер и позиционно-чувствительный фотоприемник выполнены с возможностью работы на длине волны λ2.

Лазер каждого приемо-передающего узла оптически связан с позиционно-чувствительным фотоприемником противоположного приемо-передающего узла, а каждый позиционно-чувствительный фотоприемник электрически связан с блоком управления средней мощности излучения сигнала связи данного приемо-передающего узла.

Приемная площадка жестко закреплена на кронштейне, который с ее стороны соединен с основанием приемо-передающего узла плоской упругой пластиной, а с другой стороны на кронштейне установлены упоры, в которые упираются два взаимно перпендикулярных линейных движителя (актуатора), опирающихся на основание приемо-передающего узла.

Фокусирующий объектив состоит из отрицательной и положительной линз. Положительная линза связана с приемной площадкой держателем, выполненным из материала, имеющего коэффициент линейного температурного расширения α₁.

Отрицательная линза связана с приемной площадкой держателем, выполненным из материала, имеющего коэффициент линейного температурного расширения α₂.

Лазер и позиционно-чувствительный фотоприемник оптически связаны с положительной и отрицательной линзами.

Торцы световодов связаны с приемной площадкой держателем, выполненным из материала, имеющего коэффициент линейного температурного расширения α₂.

Вышеуказанные коэффициенты линейного температурного расширения держателей связаны между собой следующим соотношением:

где L - расстояние от собирающей линзы до оптически сопряженного торца световода;

F₃ - фокус положительной линзы фокусирующего объектива;

ΔT - допустимый диапазон рабочих температур.

На фиг.1 изображена структурная схема устройства двухсторонней оптической связи, на фиг.2 - приемо-передающий узел предлагаемого устройства в разрезе, на фиг.3 - вид спереди приемо-передающего узла, на фиг.4 - вид сверху приемо-передающего узла, на фиг.5 - вид сзади приемо-передающего узла, на фиг.6 - вид сбоку приемо-передающего узла, на фиг.7 - упрощенная схема оптической системы приемо-передающего узла, на фиг.8 показана геометрия ввода излучения в торец световода.

Устройство двухсторонней оптической связи (фиг.1) состоит из первого 1 и второго 5 приемо-передающих узлов, каждый из узлов включает оптический передатчик 4, приемник оптического излучения 6, электронный блок управления 2 и опорно-поворотное устройство 3.

Каждый приемо-передающий узел предлагаемого устройства (фиг.2, 3, 4, 5, 6) содержит: приемную площадку 7, собирающие линзы 8 и 9, оптические оси 10 и 11, фокусирующие объективы 12 и 13, поворотные зеркала 14 и 15, излучающее устройство сигнала связи 16, принимающее устройство сигнала связи 17, позиционно-чувствительный фотоприемник 18, лазер 19, линейные движители (актуаторы) 20 и 21, кронштейн 22, основание приемо-передающего узла 23, плоскую упругую пластину 24, упоры 25 и 26, отрицательную линзу фокусирующего объектива 27, положительную линзу фокусирующего объектива 28, держатель положительной линзы фокусирующего объектива 29.

На приемной площадке 7 каждого приемо-передающего узла расположены, по крайней мере, две собирающие линзы 8 и 9, а с другой стороны площадки последовательно размещены на оптической оси 10 и 11 каждой собирающей линзы 8 и 9 фокусирующие объективы 12 и 13, поворотные зеркала 14 и 15, оптически связанные с соответствующими собирающими линзами 8 и 9 и излучающим устройством сигнала связи 16 или принимающим устройством сигнала связи 17, позиционно-чувствительным фотоприемником 18 и лазером 19. При этом в качестве излучающего устройства сигнала связи 16 и принимающего устройства сигнала связи 17 используются торцы световодов диаметром d и числовой апертурой NA.

На отражающую поверхность поворотных зеркал 14 и 15 нанесено дихроичное покрытие одной из известных конструкций. Например, многослойное диэлектрическое покрытие, отражающее излучение с длиной волны λ1 и пропускающее излучение с длиной волны λ2 (Справочник по лазерам. В 2-х томах. Под ред. А.М.Прохорова. / Москва, «Советское Радиол, 1978, Т.2, стр.49.).

Излучающее 16 и принимающее 17 устройства сигнала связи выполнены с возможностью работы на длине волны λ1.

Лазер 19 и позиционно-чувствительный фотоприемник 18 выполнены с возможностью работы на длине волны λ2.

Из литературы (Иванов А.Б. ВОЛОКОННАЯ ОПТИКА: компоненты, системы передачи, измерения. - М.: Компания САЙРУС СИСТЕМС, 1999. 665 стр.) известно, что наиболее оптимальными длинами волн для передачи информации по световодам является диапазон 1530-1560 нм. Для этого диапазона серийно выпускаются лазеры, волоконно-оптические усилители и фотоприемники на основе InGaAs. Потери в световодах для этих длин волн достигают уровня 0,2 дБ/км. При этом мощности излучения на выходе волоконно-оптических усилителей достигают уровня 0,5-1 Вт при скоростях передачи данных свыше 10 Гбит/с. Поэтому излучающим и принимающим устройствами связи целесообразно использовать торцы световодов, соединенные телом световода с известной цифровой коммуникационной аппаратурой. В то же время позиционно-чувствительные фотоприемники (4-х секторные или ПЗС-матрицы на основе Si) наиболее чувствительны в диапазоне длин волн 700-900 нм и для их надежной работы целесообразно использовать лазеры на основе инжекционных полупроводниковых лазеров с двойной гетероструктурой на InGaAsP, излучающих в диапазоне длин волн 750-850 нм.

Излучение лазера 19 с одного приемо-передающего узла передает служебную информацию об интегральном уровне излучения, поступающую на позиционно-чувствительный фотоприемник 18 данного приемо-передающего узла на второй приемо-передающий узел 5, в соответствии с которым вырабатывается сигнал управления мощностью излучения связи второго приемо-передающего узла 5. А электрические сигналы координат, вырабатываемые позиционно-чувствительным фотоприемником 18 первого приемо-передающего узла 1, поступают на блок управления линейными движителями (актуаторами) 20 и 21, изменяющими угловые координаты оптических осей 10 и 11.

Приемная площадка 7 жестко закреплена на кронштейне 22, который с ее стороны соединен с основанием 23 приемо-передающего узла плоской упругой пластиной 24, а с другой стороны на кронштейне 22 установлены упоры 25 и 26, в которые упираются два взаимно перпендикулярных линейных движителя (актуатора) 20 и 21, опирающихся на основание 23 приемо-передающего узла.

При этом каждый фокусирующий объектив 12 и 13 выполнен из отрицательной 27 и положительной 28 линз так, что положительная линза 28 связана с приемной площадкой 7 держателем 29, выполненным из материала, имеющего коэффициент линейного температурного расширения α₁, отрицательная линза 27 связана с приемной площадкой 7 кронштейном 22, выполненным из материала, имеющего коэффициент линейного температурного расширения α₂, а также оптически связанные с этими линзами 27 и 28 лазер 19, позиционно-чувствительный фотоприемник 18, торцы световодов 16 и 17 соединены с приемной площадкой 7 кронштейном 22, и эти коэффициенты связаны следующим соотношением:

где L - расстояние от собирающей линзы 8 или 9 до оптически сопряженного торца световода 16 или 17;

F₃ - фокус положительной линзы 28 фокусирующего объектива 13;

ΔT - допустимый диапазон рабочих температур.

Устройство двухсторонней оптической связи работает следующим образом.

Оптический передатчик 4 направляет в атмосферу сколлимированные световые импульсы излучения сигналов связи на длине волны λ1 и импульсы излучения служебных сигналов на длине волны λ2. Оптическая система приемников оптического излучения 6 собирает прошедшее через атмосферу излучение на соответствующие фотоприемные устройства.

При распространении света вдоль дистанции происходит его ослабление как за счет геометрического расширения пучка, так и за счет рассеяния на атмосферных гидрометеорах (дождь, снег, туман и т.п.). Для уменьшения влияния этих факторов необходимо уменьшать расходимость излучения, а также увеличивать длину волны, поскольку более длинноволновое излучение обладает меньшими потерями при распространении в атмосфере (Е.Р.Милютин, А.Ю.Гумбинас. Статистическая теория атмосферного канала оптических информационных систем. Москва. Радио и связь. 2002 г.).

В настоящее время наивысшие скорости передачи информационных потоков при максимальной мощности достигнуты при использовании длин волн в районе 1,55 мкм с применением волоконно-оптических усилителей. В то же время наилучшие результаты по созданию высокоточных позиционно-чувствительных матриц получены на кристаллах кремния с максимальной чувствительностью в районе 0,8 мкм.

В предложенной конструкции, показанной на фигурах 2, 3, 4, 5, световые импульсы информационного сигнала (длиной волны, например, 1,55 мкм) приходят по оптическому волокну (световоду) 16 и, отражаясь от поворотного зеркала 14, поступают в линзовый коллиматор, образованный тремя линзами 28, 27, 8. При этом торец световода 16 находится в фокусе оптической системы линз 28, 27, 8 для данной длины волны. Одновременно с этим через поворотное зеркало 14 излучение лазера 18, возможно, содержащее служебную информацию, расположенного в фокусе этого же линзового коллиматора 28, 27, 8, также направляется в атмосферу.

Прошедшие через атмосферу информационный и служебный сигналы принимаются линзовым коллиматором 9, 27, 28 и фокусируются: информационный сигнал после отражения от поворотного зеркала 15 - на торце световода 17, а служебный сигнал после прохождения через дихроичное покрытие поворотного зеркала 15 - на позиционно-чувствительный фотоприемник 19 (скоростную ПЗС матрицу или 4-х квадрантный фотодиод).

Информационный сигнал, собранный на торце световода, далее по нему поступает в соответствующую волоконно-оптическую сеть или на фотоприемную коммуникационную аппаратуру. Таким образом, световые информационные сигналы в процессе передачи через атмосферу с помощью данной конструкции не претерпевают никаких преобразований. А поскольку дисперсии в атмосфере для световых длин волн практически нет, то данная система позволяет передавать практически любой скоростной информационный поток, достигнутый для передачи в волоконно-оптических сетях (по одному волокну - до 10-40 Гбит/с).

Служебный сигнал будучи сфокусированным на позиционно-чувствительном фотоприемнике 18 позволяет определить ошибку углового отклонения от заданного центра и выдать через блоки электроники команду на ее устранение с помощью актуаторов 20 и 21.

Для обеспечения высокой точности наведения (поскольку размер торца световода связных волоконно-оптических линий не превышает 60 мкм) световоды, лазер 19 и позиционно-чувствительный фотоприемник 18, а также линзовые коллиматоры и поворотные зеркала 14 и 15 жестко установлены на кронштейне 22. Для уменьшения механических люфтов, а также трения при работе актуаторов кронштейн 22 с одной стороны опирается на плоскую упругую пластину 24, играющую роль точки вращения данного кронштейна, а с другой через упоры 25 и 26, расположенные под углом 90°, на штоки актуаторов 20 и 21. Линейное смещение штоков актуаторов преобразуется в угловое изменение положения кронштейна 22 за счет изгиба упругой пластины 24. Поворот всей оптической системы, закрепленной на кронштейне 22, позволяет сохранить высокое качество сфокусированного на торце световода пучка излучения при достаточно больших (до нескольких градусов) наклонах места крепления приемо-передающего узла.

Для обеспечения широкого динамического диапазона работы линии связи необходимо управлять мощностью излучения по уровню принимаемого на другой стороне сигнала. Поскольку характеристики распространения светового излучения в атмосфере разных длин волн подобны (Е.Р.Милютин, А.Ю.Гумбинас. Статистическая теория атмосферного канала оптических информационных систем. Москва. Радио и связь. 2002 г.), то, измеряя изменение сигнала при прохождении дистанции связи на одной длине волны, можно с уверенностью оценить аналогичное изменение для распространения другой длины волны. Поэтому в данной конструкции предусмотрено, что по служебному каналу передается информация об интегральном уровне принимаемого служебного сигнала, в соответствии с которым вырабатывается команда управления мощностью информационного излучения. Данная команда поступает в известную коммуникационную аппаратуру, например, волоконно-оптический усилитель или управляемый оптический аттенюатор, которые соответственно изменяют уровень мощности излучения информационного сигнала.

Малые размеры торца световода требуют, кроме высокой точности наведения, исключения расстройки оптической системы при изменении температуры. В данной конструкции это достигается следующим. Коллимирующая оптика состоит из трех линз 8, 27, 28, как показано на фиг.7. Собирающая линза 8 и отрицательная линза 27 образуют телескопическую систему (труба Галилея), которая преобразует параллельный пучок в почти параллельный меньшего диаметра. На выходе этого телескопа пучок фокусируется положительной линзой 28 с фокусным расстоянием F3 на мишени (например, торец световода или позиционно-чувствительный фотоприемник). Собирающая линза 8, отрицательная линза 27 и мишень закреплены на кронштейне 22 из материала, имеющего коэффициент линейного температурного расширения α₂. Положительная линза 28 закреплена на держателе 29 из материала, имеющего коэффициент линейного температурного расширения α₁, который другим концом закреплен на кронштейне 22 в точке, примыкающей к собирающей положительной линзе 8. При изменении температуры длина кронштейна 22 и держателя 29 изменяются. Поскольку оптические параметры (фокус, фокальные плоскости и т.п.) самих линз изменяются с температурой очень незначительно (Справочник конструктора оптико-механических приборов. / Под общ. ред. В.А.Панова. Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1980, с.139-140), то изменение габаритов кронштейна 22 и держателя 29 в общем случае приводят к смещению мишени из точки фокуса и увеличению размера пятна на мишени. Для исключения этого необходимо, чтобы соблюдалось определенное соотношение между коэффициентами линейного температурного расширения материалов и параметрами системы.

Приводим вывод этого соотношения.

Изменение расстояния между точкой фокусировки и мишенью dz от температуры ΔT определяется выражением:

где: L - расстояние от собирающей линзы 8 до мишени в момент настройки (ΔТ=0);

F₃ - фокус положительной линзы 28 (практически не зависящий от температуры).

Раскрывая скобки и учитывая, что температура может изменяться как в плюс, так и в минус, а также то, что идеальное согласование практически невозможно, получаем допустимый диапазон коэффициента линейного температурного расширения

Допустимое отклонение dz получается из геометрического представления, показанного на фиг.8, и того, что любой световод характеризуется основными параметрами: d - диаметр световода и числовая апертура NA=Sin(β).

Поэтому следует, что допустимое отклонение составляет (при небольших NA)

Данное соотношение показывает, на какое расстояние допустимо сдвигать точку фокуса относительно торца световода, чтобы вся принимаемая мощность излучения попадала в световод.

В результате получается необходимое соотношение:

Изобретение относится к технике электрической связи и может быть использовано в системах двухсторонней оптической связи. Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей устройства двухсторонней оптической связи, которое достигается за счет того, что устройство двухсторонней оптической связи содержит первый и второй приемо-передающие узлы, каждый из которых имеет приемо-передающую оптическую систему, содержащую приемную площадку, на которой расположены по крайней мере две собирающие линзы, а с другой стороны площадки последовательно размещены на оптической оси каждой собирающей линзы: фокусирующий объектив, поворотное зеркало, оптически связанное с соответствующей собирающей линзой и излучающим устройством сигнала связи или принимающим устройством сигнала связи, позиционно чувствительный фотоприемник или лазер. Излучающее устройство сигнала связи и принимающее устройство сигнала связи выполнены в виде торцов световодов диаметром d и числовой апертурой NA. На отражающую поверхность поворотного зеркала нанесено дихроичное покрытие для отражения излучения длины волны λ₁ и пропускания излучения с длиной волны λ₂. Излучающее и принимающее устройства сигнала связи выполнены с возможностью работы на длине волны λ₁. Лазер и позиционно-чувствительный фотоприемник выполнены с возможностью работы на длине волны λ₂. Лазер каждого приемо-передающего узла оптически связан с позиционно-чувствительным фотоприемником противоположного приемо-передающего узла, а каждый позиционно-чувствительный фотоприемник электрически связан с блоком управления средней мощности излучения сигнала связи данного приемо-передающего узла. Приемная площадка жестко закреплена на кронштейне, который с ее стороны соединен с основанием приемо-передающего узла плоской упругой пластиной, а с другой стороны на кронштейне установлены упоры, в которые упираются два взаимно перпендикулярных линейных движителя (актуатора), опирающихся на основание приемо-передающего узла. Фокусирующий объектив состоит из отрицательной и положительной линз. Положительная линза связана с приемной площадкой держателем, выполненным из материала, имеющего коэффициент линейного температурного расширения α₁. Отрицательная линза связана с приемной площадкой держателем, выполненным из материала, имеющего коэффициент линейного температурного расширения α₂. Лазер и позиционно-чувствительный фотоприемник оптически связаны с положительной и отрицательной линзами. Торцы световодов связаны с приемной площадкой держателем, выполненным из материала, имеющего коэффициент линейного температурного расширения α₂. Лазер и позиционно-чувствительный фотоприемник оптически связаны с положительной и отрицательной линзами. Торцы световодов связаны с приемной площадкой держателем, выполненным из материала, имеющего коэффициент линейного температурного расширения α₂. Вышеуказанные коэффициенты линейного температурного расширения держателей связаны между собой следующим соотношением:

,

где L - расстояние от собирающей линзы до оптически сопряженного торца световода;

F₃ - фокус положительной линзы фокусирующего объектива;

ΔТ - допустимый диапазон рабочих температур. 8 ил.

Устройство двухсторонней оптической связи, содержащее первый и второй приемопередающие узлы, каждый из которых имеет приемопередающую оптическую систему, содержащую приемную площадку, на которой расположены, по крайней мере, две собирающие линзы, а с другой стороны площадки последовательно размещены на оптической оси каждой собирающей линзы: фокусирующий объектив, поворотное зеркало, оптически связанное с соответствующей собирающей линзой и излучающим устройством сигнала связи или принимающим устройством сигнала связи, позиционно чувствительный фотоприемник или лазер, отличающееся тем, что излучающее устройство сигнала связи и принимающее устройство сигнала связи выполнены в виде торцов световодов диаметром d и числовой апертурой NA, при этом на отражающую поверхность поворотного зеркала нанесено дихроичное покрытие, для отражения излучения длины волны λ₁ и пропускания излучения с длиной волны λ₂, а излучающее и принимающее устройства сигнала связи выполнены с возможностью работы на длине волны λ₁, при этом лазер и позиционно чувствительный фотоприемник выполнены с возможностью работы на длине волны λ₂, в свою очередь лазер каждого приемопередающего узла оптически связан с позиционно чувствительным фотоприемником противоположного приемопередающего узла, а каждый позиционно чувствительный фотоприемник электрически связан с блоком управления средней мощности излучения сигнала связи данного приемопередающего узла, кроме того, приемная площадка жестко закреплена на кронштейне, который с ее стороны соединен с основанием приемопередающего узла плоской, упругой пластиной, а с другой стороны на кронштейне установлены упоры, в которые упираются два взаимно перпендикулярных линейных движителя/актуатора, опирающихся на основание приемопередающего узла, при этом фокусирующий объектив состоит из отрицательной и положительной линз так, что положительная линза связана с приемной площадкой держателем, выполненным из материала, имеющего коэффициент линейного температурного расширения α, отрицательная линза связана с приемной площадкой держателем, выполненным из материала, имеющего коэффициент линейного температурного расширения α₂, а также оптически связанные с этими линзами лазер и позиционно чувствительный фотоприемник, а торцы световодов связаны с приемной площадкой держателем, выполненным из материала, имеющего коэффициент линейного температурного расширения α₂, вышеуказанные коэффициенты связаны между собой следующим соотношением:

где L - расстояние от собирающей линзы до оптически сопряженного торца световода;

F3 - фокус положительной линзы фокусирующего объектива;

ΔT - допустимый диапазон рабочих температур.