СПОСОБ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ И СПОСОБ ВЫДЕЛЕНИЯ СИГНАЛА Российский патент 2012 года по МПК G02F1/01 H04B10/00 

Изобретение относится к способам оптической связи и локации и может быть использовано в системах цифровой и аналоговой связи как в волоконно-оптических, так и в открытых линиях связи, а также в оптической локации.

Известен способ передачи информации в оптической системе связи [1], которая обеспечивает беспроводной обмен информацией и содержит передающую и приемную части, выполненные в виде оптического передатчика и оптического приемника. Недостатками известной системы являются влияние аномалий среды и случайных или целенаправленно вносимых оптических помех на устойчивость и качество связи, при необходимости обеспечения высоких скоростей передачи информации, и на дальность связи, а также невысокий срок службы при достаточно больших затратах на производство и эксплуатацию.

К аномалиям среды связи, приводящим к ухудшению связи, относятся атмосферные явления, такие как туманы, дожди, снег, флуктуации показателя преломления и коэффициента потерь оптического сигнала в воздушной или водной среде, влияющие на затухание или искажение сигнала в линии связи.

Известен также способ передачи информации реализуемый в беспроводной дуплексной оптической системе связи [2], содержащей два приемопередатчика, в состав которых входят по два пространственно разнесенных оптических передатчика, представляющих собой излучатели с модуляторами, и два также пространственно разнесенных приемника модулированного излучения. При этом выходы первого и второго оптических приемников, каждого из указанных приемопередатчиков, связаны с входом соответствующего демодулятора через сумматор.

Пространственный разнос оптических передатчиков и приемников на каждом конце (пункте) линии связи снижает вероятность сбоя связи при пересечении ее непрозрачными предметами. Кроме того, дублирование линии связи позволяет снизить влияние атмосферных помех.

Однако указанное пространственно разнесенное размещение оптических приемников и передатчиков не позволяет в полной мере ликвидировать влияние искусственных или естественных оптических помех, в частности атмосферных помех, поскольку излучение в дублирующих каналах связи проходит по раздельным путям и испытывает различные влияния флуктуации среды, например атмосферы.

Указанные выше системы связи имеют сравнительно низкое быстродействие, ограниченное действием электрических элементов, формирующих оптический сигнал. Дело в том, что скорость и качество обработки и передачи информации даже в оптических линиях связи и сетях ограничены предельным быстродействием электрических переключателей, модуляторов и транзисторов. Минимальное время переключения электрических переключателей и транзисторов в реальных сетях не может быть существенно меньше чем 10^-9-10^-10 с. Это принципиальное ограничение быстродействия обусловлено индуктивностью, емкостью, сопротивлением электрических элементов. Минимальное время переключения определяется временем установления электрических полей в RC, LR, LC - электрических цепях. Вот почему нельзя достигнуть глубокой модуляции лазерного луча на частотах, существенно превышающих 1-10 GHz. При таких высоких частотах модуляции (1-10 GHz) попытка дальнейшего увеличении частоты модуляции приводит к резкому уменьшению амплитуды (глубины) модуляции. Уменьшение же амплитуды модуляции приводит к резкому ухудшению качества передачи информации вследствие уменьшения отношения сигнал/шум. Кроме того, цена электрического модулятора повышается с ростом частоты модуляции. При частоте порядка 1 GHz она повышается пропорционально кубу частоты. Можно сказать, что возможности электронных транзисторов и модуляторов не соответствуют возможностям оптической линии связи. Иными словами, амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) электронных транзисторов и модуляторов не отвечает АЧХ оптических линий связи.

Эти недостатки в большой степени преодолены в известном способе передачи информации в системах оптической связи [3], в том числе и в открытых оптических линиях связи. Способ [3] иллюстрируется Фиг.1. В этом способе [3] повышение помехозащищенности линии связи и отношения сигнал/шум, обеспечение скрытности передачи информации достигались следующим образом. Информационные оптические сигналы формируют на выходе нелинейно-оптического элемента 1 путем подачи, по крайней мере, одного оптического излучения 2 на вход этого нелинейно-оптического элемента и изменения входной мощности, или фазы, или частоты, по крайней мере, одного оптического излучения, подаваемого на вход нелинейно-оптического элемента, или изменения электрического поля, приложенного к этому нелинейно-оптическому элементу, или изменения акустического поля, или механического воздействия, приложенного к этому нелинейно-оптическому элементу, причем параметры нелинейно-оптического элемента 1 и оптического излучения, подаваемого на вход нелинейно-оптического элемента, выбирают таким образом, чтобы обеспечить оптическую распределенную связь между двумя распространяющимися в нелинейно-оптическом элементе однонаправленными распределенно-связанными волнами (ОРСВ) и оптическое переключение между указанными волнами на выходе нелинейно-оптического элемента, при этом каждая из указанных волн на выходе нелинейно-оптического элемента соответствует информационному оптическому сигналу, после прохождения линии связи 3 разделяют ОРСВ с помощью сепаратора 4, а устранение шумов и помех производят путем подачи каждой из разделенных волн на свой фотоприемник 5, 6, электрические сигналы с фотоприемников 5, 6 подают на дифференциальный усилитель 7, выполненный с возможностью вычитания электрических сигналов, и/или коррелятор 7, который выделяет совпадающую часть зависимости амплитуды электрических сигналов от времени.

Этот способ выбран в качестве прототипа как для заявленного способа передачи информации, так и для заявленного способа выделения полезного сигнала. В нем фактически применен оптический транзистор [4-10], работающий на основе явления оптического самопереключения однонаправленных распределенно-связанных волн (ОРСВ) [4-10] и выполненный на базе нелинейно-оптического элемента 2. Поэтому амплитуды сигналов на выходе оптического транзистора многократно (в 100-1000000 раз) превышают амплитуду сигнала на входе [3-10]. Это резко повышает отношение сигнал/шум и позволяет поднять надежность, качество и быстродействие оптической системы связи. Усиление сигнала в указанном оптическом транзисторе происходит за счет оптического эффекта [3-10] без электроники и электрооптики и поэтому система обладает рекордным быстродействием. ОРСВ - целый класс волн в оптике. К ОРСВ относятся: волны в туннельно-связанных оптических волноводах, т.е. двух параллельных, близко расположенных оптических волноводах; волны различных поляризаций в двулучепреломляющем или магнитоактивном волноводе; однонаправленные волны при брэгговской дифракции в периодической структуре; различные моды в оптическом волноводе; волны различных частот в квадратично-нелинейном или кубично-нелинейном кристалле или волноводе и т.д. [3-10]. На базе любой из этих систем можно создать оптический транзистор.

Однако в способе [3] не учитывалась корреляция разности фаз и интенсивностей переключаемых волн. Иными словами, не учитывалась в полной мере корреляция фотонов в волне «0» и фотонов в волне «1» между собой. Это не позволяло в полной мере повысить помехозащищенность системы связи и снижало чувствительность регистрации сигнала. Другими словами, это не позволяло уверенно регистрировать очень ослабленные в результате потерь на трассе (тракте) оптические сигналы и отличать их от шумов и помех, в том числе искусственных помех. Это, в свою очередь, ограничивало чувствительность и надежность способа регистрации полезного сигнала при малой мощности сигнала в области приемного устройства.

Технические результаты, на достижение которых направлено данное изобретение, - это повышение надежности, качества и объема передачи информации как в цифровом, так и аналоговом виде, в том числе и в открытых оптических линиях связи, повышение помехозащищенности линии связи и отношения сигнал/шум, обеспечение дополнительной скрытности передачи информации, а также исключение или уменьшение (сведение к минимуму) влияния шумов фотоприемников на прием информационного сигнала.

Для улучшения отстройки от шумов и помех и достижения указанных технических результатов в данном способе предлагается сопоставить зависимость косинуса и/или синуса разности фаз волн и зависимость коэффициента передачи мощности (каждой из них) от входной интенсивности (нормированной на критическую интенсивность) или входной разности фаз, т.е. от времени.

В заявленном способе используется установленное нами свойство явления самопереключения ОРСВ (см. [6, 7], обзоры [9, 10] и ссылки там): на выходе нелинейно-оптического элемента имеет место строгое соответствие между изменением коэффициентов передачи мощности каждой из ОРСВ и косинусом и/или синусом разности фаз между ОРСВ. Т.е. определенному соотношению интенсивностей или мощностей (или коэффициентов передачи мощности) переключаемых волн соответствует определенная разность фаз этих волн (на выходе оптического транзистора). Например, в средней точке самопереключения M, где коэффициенты передачи мощности волн примерно равны: T₀≈T₁, синус разности фаз волн равен нулю, а косинус разности фаз волн равен -1 или 1 (знак зависит от знака нелинейно-оптического коэффициента нелинейно-оптического элемента).

Это соответствие должно сохраниться и в принимаемом излучении.

Поэтому в принимаемом излучении значения синуса разности фаз волн и/или косинуса разности фаз волн должны коррелировать со значениями коэффициентов передачи мощности волн. Эту корреляцию можно установить (выявить) с помощью коррелятора, который и осуществляет указанное сравнение величин.

Это свойство иллюстрируется Фиг.2-5 и подробно описано в работах [6, 7], обзорах [9, 10] и работах, ссылки на которые там приводятся.

Данный способ иллюстрируется Фиг.6.

Вместе с тем, автосинхронизация переключаемых волн приводит к тому, что и между параметрами Стокса (а следовательно, и между элементами матрицы когерентности) существует определенное соотношение, что иллюстрируется Фиг.4. Это обусловлено тем, что параметры Стокса выражаются через косинус и синус разности фаз переключаемых волн, которые как уже подчеркивалось, в режиме самопереключения ОРСВ определенным образом связаны с разностью коэффициентов передачи этих переключаемых волн.

Поставленная задача решается тем, что в способе передачи информации, включающем формирование в излучении на выходе оптического транзистора, работающего на основе явления самопереключения мощности между двумя однонаправленными распределено-связанными волнами в нелинейно-оптическом элементе, двух волн, мощности которых изменяются в противофазе, и выделение этого сигнала в принимаемом излучении, после прохождения волнами тракта распространения измеряют три или четыре параметра Стокса или три или четыре элемента матрицы когерентности для несущей частоты излучения на выходе оптического транзистора и выделяют полезный сигнал, поданный на вход оптического транзистора, сравнивая соотношение между параметрами Стокса или элементами матрицы когерентности с соотношением между ними, рассчитанным или измеренным на выходе используемого оптического транзистора.

Как правило, задается некоторое допустимое отклонение от рассчитанного соотношения, причем если отклонение от рассчитанного соотношения не превышает допустимое, то регистрируют сигнал.

Как правило, находят соотношение между указанными параметрами Стокса или элементами матрицы когерентности и сравнивают его с соотношением между ними, рассчитанным или измеренным на выходе используемого оптического транзистора, в каждый момент времени.

Как правило, соотношение между параметрами Стокса соответствует выполнению второго интеграла [4-10].

В общем случае измеряют три или четыре параметра Стокса, по или три или четыре элемента матрицы когерентности, по крайней мере, для одной несущей частоты излучения на выходе оптического транзистора.

Как правило, измеряют три или четыре параметра Стокса для одной частоты принимаемого излучения или три или четыре элемента матрицы когерентности для одной частоты излучения на выходе оптического транзистора.

В частном случае принимаемое излучение имеет одну несущую частоту.

В важном частном случае все ОРСВ в нелинейно-оптическом элементе имеют одну несущую частоту.

Как правило, в качестве указанного тракта распространения используют участок в атмосфере или безвоздушном пространстве.

В этом случае обычно излучение, вышедшее из оптического транзистора, пропускается сквозь оптическую антенну, формирующую параллельный или слабо расходящийся пучок. В качестве оптической антенны можно использовать оптический телескоп и/или коллиматор.

В частных случаях в качестве найденного соотношения между разностью коэффициентов передачи мощности указанными выше волнами и косинусом и/или синусом разности фаз этих волн используют соответствующую корреляционную или автокорреляционную функцию между ними.

В оптимальном варианте (наилучшем варианте воплощения) способа, используя параметры Стокса или элементы матрицы когерентности, измеренные после прохождения волнами тракта распространения, дополнительно определяют косинус (или квадрат косинуса) и/или синус (или квадрат синуса) разности фаз между волнами с несущей частотой излучения, равной частоте излучения на выходе оптического транзистора и поляризациями, соответствующими поляризациям волн, переключаемых в оптическом транзисторе, и коэффициенты передачи мощности этими волнами, а затем, сравнивая соотношение между разностью коэффициентов передачи мощности указанными выше волнами и косинусом и/или синусом разности фаз этих волн с тем же с соотношением между ними, но рассчитанным или измеренным на выходе используемого оптического транзистора, выделяют сигнал.

Причем если отклонение от рассчитанного или измеренного соотношения не превышает допустимое, то регистрируют сигнал.

В частных случаях при указанном сравнении в соответствующих соотношениях целесообразнее использовать квадрат синуса разности фаз этих волн и/или квадрат косинуса разности фаз этих волн.

Указанное сравнение осуществляют с помощью коррелятора и/или схемы совпадений и/или компаратора.

Фразу: «разности фаз между волнами, которые соответствуют волнам, переключаемым в оптическом транзисторе» поясним на конкретных примерах. Допустим, в оптическом транзисторе (в передатчике) происходит переключение мощности света между волнами ортогональных линейных поляризаций: вертикальной и горизонтальной в сечении перпендикулярном направлению распространения излучения (луча). Тогда в принимаемом излучении все световые волны (на той же несущей частоте), поляризации которых совпадают с указанными, являются волнами, соответствующими волнам, переключаемым в оптическом транзисторе. Но они не обязательно являются волнами, переключаемыми в оптическом транзисторе. Например, они могут быть волнами, посланными из другого излучателя, или представлять собой фоновое излучение. И тогда эти волны будут «отсеяны» с помощью заявленного способа.

В другом примере в оптическом транзисторе происходит переключение мощности света между волнами ортогональных циркулярных поляризаций: левой круговой и правой круговой в сечении, перпендикулярном направлению распространения излучения (луча). Тогда в принимаемом излучении все световые волны (на той же несущей частоте), поляризации которых совпадают с указанными, являются волнами, соответствующими волнам, переключаемым в оптическом транзисторе. Но они не обязательно являются волнами, переключаемыми в оптическом транзисторе. Они могут быть волнами, посланными из другого излучателя, или представлять собой фоновое излучение. И тогда эти волны будут «отсеяны» с помощью заявленного способа.

Третий пример. Как сказано в описании, волны различных поляризаций в излучении (луче), распространяющемся в атмосфере, могут быть волнами, переключаемыми в ТСОВ (в передатчике), на выходе которых эти волны преобразуются в волны различных поляризаций. Тогда в принимаемом излучении все световые волны (на той же несущей частоте), поляризации которых совпадают с указанными, являются волнами, соответствующими волнам, переключаемым в оптическом транзисторе. Но они не обязательно являются волнами, переключаемыми в оптическом транзисторе. Они могут быть волнами из другого источника оптического излучения или представлять собой фоновое излучение. И тогда эти волны будут «отсеяны» заявленным способом.

Как правило, сравнение найденного соотношения между разностью коэффициентов передачи мощности (T₀-T₁) указанными выше волнами и косинусом и/или синусом разности фаз этих волн с соотношением между ними, рассчитанным или измеренным для используемого оптического транзистора, производят в каждый момент времени.

Указанное соотношение между разностью коэффициентов передачи мощности указанными выше волнами и косинусом и/или синусом разности фаз этих волн соответствует выполнению второго интеграла.

Сравнение указанных величин в принимаемом излучении можно осуществлять с помощью коррелятора. Например, с помощью коррелятора можно вычислить корреляционную функцию T₀-T₁ и синуса разности фаз волн и/или коэффициент корреляции между ними. Аналогично можно вычислить корреляционную функцию T₀-T₁ и косинуса разности фаз волн и/или коэффициент корреляции между ними.

В качестве найденного соотношения между параметрами Стокса в частном случае используют соответствующую корреляционную или автокорреляционную функцию между ними. Аналогично, в качестве найденного соотношения между разностью коэффициентов передачи мощности указанными выше волнами и косинусом и/или синусом разности фаз этих волн можно использовать соответствующую корреляционную или автокорреляционную функцию между ними.

В частном случае, вычисляется корреляционная функция между тремя нормированными параметрами Стокса: s₁=S₁/S, s₂=S₂/S и s₃=S₃/S, где S - полная интенсивность принимаемого излучения, или корреляционная функция вычисляется между тремя нормированными элементами матрицы когерентности (см. ниже). Как правило, сравнивают эту функцию с соотношением между ними, рассчитанным для используемого оптического транзистора.

В частном случае, после определения (с помощью модуля обработки) косинуса и/или синуса разности фаз между волнами и коэффициентов передачи мощности каждой из волн, определяют корреляционную функцию между коэффициентами передачи мощности каждой из волн или их разностью и косинусом и/или синусом разности фаз между волнами. Как правило, сравнивают эту функцию с соотношением между ними, рассчитанным для используемого оптического транзистора.

При осуществлении данного способа в приемном устройстве, как правило, проверяется также наличие или отсутствие корреляции между мощностями (интенсивностями) волн, соответствующих волнам, переключаемым в оптическом транзисторе, и/или корреляции между коэффициентами передачи мощности указанными волнами. При этом используется то обстоятельство, что на выходе оптического транзистора мощности переключаемых волн изменяются в противофазе [3] (Фиг.1). Эта проверка, как правило, осуществляется предварительно.

Фраза: «волн, соответствующих волнам, переключаемым в оптическом транзисторе» пояснена выше на конкретных примерах.

Если коэффициент (индекс) корреляции равен нулю и/или меньше некой заданной величины, то сигнал признается ложным и не регистрируется. В противном случае сигнал выделяется заявляемым способом.

Отметим, что для полностью поляризованного излучения [15]. В общем случае, частично поляризованного излучения [15].

Как правило, предварительно разлагают принимаемое излучение (согласно теореме Стокса) на две части: полностью поляризованную часть и неполяризованную часть, и в дальнейшем применяют заявленный в п.1 способ к поляризованной части. Таким образом, в этом случае сигнал выделяют следующим способом.

После прохождения волнами тракта распространения измеряют три или четыре параметра Стокса или три или четыре элемента матрицы когерентности для несущей частоты излучения на выходе оптического транзистора, разлагают принимаемое излучение (согласно теореме Стокса) на две части: полностью поляризованную часть и неполяризованную часть, выделяют поляризованную часть и выделяют сигнал, поданный на вход оптического транзистора, сравнивая соотношение между параметрами Стокса или элементами матрицы когерентности поляризованной части принимаемого излучения с тем же соотношением между ними, но рассчитанным или измеренным на выходе используемого оптического транзистора.

Оптический транзистор выполнен на основе нелинейно-оптического элемента 1. Как правило, нелинейно-оптический элемент является нелинейно-оптическим волноводом или нелинейно-оптическими туннельно-связанными оптическими волноводами (ТСОВ) или нелинейно-оптическим кристаллом.

В частном случае нелинейно-оптический элемент представляет собой ТСОВ, по крайней мере, один из которых является нелинейно-оптическим. При этом однонаправленные распределенно-связанные волны являются волнами в туннельно-связанных оптических волноводах, по крайней мере, один из которых является нелинейно-оптическим. Волны, которые связаны в этих волноводах за счет туннельной связи между ними, на выходе этих волноводов преобразуются в волны различных ортогональных поляризаций.

В случае использования (в качестве нелинейно-оптического элемента) нелинейно-оптических ТСОВ эти ТСОВ, как правило, являются идентичными.

В важном частном случае нелинейно-оптический элемент выполнен на основе полупроводниковой квантоворазмерной структуры, типа multiple quantum well (MQW) структуры, обладающей большой оптической нелинейностью.

В очень важном частном случае ОРСВ являются волнами с различными поляризациями. В частности, ОРСВ являются волнами с различными ортогональными линейными поляризациями, или волнами с противоположными (ортогональными) циркулярными поляризациями, или волнами с различными (ортогональными) эллиптическими поляризациями, причем оси соответствующих эллипсов ортогональны друг другу. Во всех этих случаях нелинейно-оптический элемент может быть двулучепреломляющим, или оптически активным, или магнитоактивным.

В другом частном случае ОРСВ являются волнами с различными несущими частотами.

При этом, как правило, нелинейно-оптический элемент является квадратично-нелинейным.

В частном случае для повышения эффективности отстройки от шумов и помех перед подачей на дифференциальный усилитель и/или коррелятор сигналы сравнивают по амплитуде и усиливают сигнал меньшей амплитуды до уровня другого сигнала.

В одном частном случае на вход нелинейно-оптического элемента подают сигнальное оптическое излучение, представляющее собой информационный оптический сигнал с переменной мощностью или фазой, и оптическое излучение накачки, мощность которой выше пороговой, определяемой из условия превышения дифференциальным коэффициентом усиления значения 1,1 (см. фиг.3; ниже подробно поясняется смысл пороговой мощности).

При этом сигнальное излучение и излучение накачки могут иметь разные несущие частоты. В этом случае после прохождения волнами тракта выделяют сигнал, сравнивая соотношение между параметрами Стокса или элементами матрицы когерентности, измеренными после прохождения волнами тракта распространения, как правило, на частоте накачки с тем же соотношением между ними для той же частоты, но рассчитанным или измеренным на выходе используемого оптического транзистора.

В другом варианте, используя параметры Стокса или элементы матрицы когерентности, измеренные после прохождения волнами тракта распространения, обычно на частоте накачки, дополнительно определяют косинус и/или синус разности фаз между волнами с той же несущей частотой излучения и поляризациями, соответствующими поляризациям волн, переключаемых в оптическом транзисторе, и коэффициенты передачи мощности этими волнами, а затем, сравнивая соотношение между разностью коэффициентов передачи мощности указанными выше волнами и косинусом и/или синусом разности фаз этих волн с тем же с соотношением между ними и на той же частоте, но рассчитанным или измеренным на выходе используемого оптического транзистора, выделяют сигнал.

Как правило, указанное сравнение делают в каждый момент времени. В отдельных случаях указанное сравнение делают также на частоте сигнала. В частных случаях при указанном сравнении в соответствующих соотношениях целесообразнее использовать квадрат синуса разности фаз этих волн и/или квадрат косинуса разности фаз этих волн.

В частности, на вход нелинейно-оптического элемента подают сигнальное излучение, представляющее собой информационный оптический сигнал с переменной мощностью или фазой, и излучение накачки, мощность которой выбирается из интервала от 0,5 P_M до 1,5 P_M, где P_M - критическая мощность самопереключения.

В другом частном случае излучение, подаваемое на вход нелинейно-оптического элемента, представляет собой информационный оптический сигнал, средняя мощность которого выше пороговой, определяемой из условия превышения дифференциальным коэффициентом усиления значения 1,1.

В частности, излучение, подаваемое на вход нелинейно-оптического элемента, представляет собой информационный оптический сигнал с переменной мощностью, средняя мощность которой выбирается из интервала от 0,5 P_M до 1,5 P_M, где P_M - критическая мощность самопереключения.

В третьем частном случае на вход нелинейно-оптического элемента подают оптическое излучение с постоянной мощностью, превышающей пороговую, мощность которого выше пороговой, определяемой из условия превышения дифференциальным коэффициентом усиления значения 1,1, при этом оптические свойства нелинейно-оптического элемента модулируют путем приложения электрического поля, или акустического, или механического воздействия, причем параметры электрического поля или акустического, или механического воздействия модулируются в соответствии с информационным сигналом.

В частности, на вход нелинейно-оптического элемента подают оптическое излучение с постоянной мощностью, выбираемой из интервала от 0,5 P_M до 1,5 P_M, где P_M - критическая мощность самопереключения, при этом оптические свойства нелинейно-оптического элемента модулируют путем приложения электрического поля или акустического или механического воздействия, причем параметры электрического поля или акустического или механического воздействия модулируются в соответствии с информационным сигналом.

Излучение, вышедшее из оптического транзистора, пропускается сквозь оптическую антенну, формирующую параллельный или слабо расходящийся пучок. В качестве оптической антенны можно использовать оптический телескоп и/или коллиматор.

Как правило, разделение ОРСВ осуществляют после прохождения волнами тракта, перед фотоприемниками.

При этом в качестве указанного тракта используют беспроводную оптическую линию связи или волоконно-оптическую линию связи. Беспроводная оптическая линия связи представляет собой участок в атмосфере или безвоздушном пространстве.

Как правило, информационные оптические сигналы, сформированные на выходе нелинейно-оптического элемента и соответствующие двум однонаправленным распределенно-связанным волнам в этом элементе, являются идентичными по амплитуде и противоположными по фазе или отличными друг от друга по амплитуде не более чем в десять раз и противоположными по фазе.

Изобретенный способ может быть применен не только в системах оптической связи, но и в оптической локации для выделения сигнала. Технические результаты, на достижение которых направлено в этом случае изобретение, - повышение надежности и повышение помехозащищенности оптической локации и отношения сигнал/шум, обеспечение дополнительной скрытности локации, а также исключение или уменьшение (сведение к минимуму) влияния искусственных и естественных шумов и помех на прием информационного сигнала.

На достижение этих технических результатов и направлен способ выделения в принимаемом оптическом излучении сигнала, включающий преобразование сигнала посредством оптического транзистора, работающего на основе явления самопереключения мощности в нелинейно-оптическом элементе между двумя однонаправленными распределено-связанными волнами, мощности которых изменяются в противофазе в соответствии с сигналом на входе оптического транзистора, в котором

после прохождения волнами тракта распространения измеряют три или четыре параметра Стокса или три, или четыре элемента матрицы когерентности для несущей частоты излучения на выходе оптического транзистора,

и выделяют сигнал, поданный на вход оптического транзистора, сравнивая соотношение между параметрами Стокса или элементами матрицы когерентности, измеренными после прохождения волнами тракта распространения, с тем же соотношением между ними, но рассчитанным или измеренным на выходе используемого оптического транзистора.

Как правило, задается некоторое допустимое отклонение от рассчитанного или измеренного соотношения, причем если отклонение от этого соотношения не превышает допустимое, то регистрируют сигнал.

Как правило, указанное сравнение производят в каждый момент времени.

В общем случае измеряют три или четыре параметра Стокса или три, или четыре элемента матрицы когерентности, по крайней мере, для одной несущей частоты излучения на выходе оптического транзистора.

Как правило, измеряют три или четыре параметра Стокса или три, или четыре элемента матрицы для одной несущей частоты излучения на выходе оптического транзистора.

В частном случае излучение на выходе оптического транзистора имеет одну несущую частоту.

В важном частном случае все ОРСВ в нелинейно-оптическом элементе имеют одну несущую частоту.

В частном случае принимаемое излучение имеет одну несущую частоту.

Указанное сравнение может осуществляться с помощью коррелятора и/или компаратора. В частности путем вычисления коэффициентов корреляции соответствующих величин.

При этом в качестве указанного тракта распространения используют участок в атмосфере или безвоздушном пространстве. В случае оптической локации этот тракт включает расстояние от выхода оптического транзистора до цели и от цели до приемного блока.

Излучение, вышедшее из оптического транзистора, пропускается сквозь оптическую антенну, формирующую параллельный или слабо расходящийся пучок. В качестве оптической антенны можно использовать оптический телескоп и/или коллиматор.

Принимаемое излучение можно разложить согласно теореме Стокса на две части: полностью поляризованную часть и неполяризованную часть, и в дальнейшем применяют заявленный способ к поляризованной части. Таким образом, в этом случае сигнал выделяют следующим способом.

После прохождения волнами тракта распространения измеряют три или четыре параметра Стокса, или три, или четыре элемента матрицы когерентности для несущей частоты излучения на выходе оптического транзистора, разлагают принимаемое излучение (согласно теореме Стокса) на две части: полностью поляризованную часть и неполяризованную часть, выделяют поляризованную часть и выделяют сигнал, поданный на вход оптического транзистора, сравнивая соотношение между параметрами Стокса или элементами матрицы когерентности поляризованной части принимаемого излучения с тем же соотношением между ними, но рассчитанным или измеренным на выходе используемого оптического транзистора.

В оптимальном варианте способа, используя параметры Стокса или элементы матрицы когерентности, измеренные после прохождения волнами тракта распространения, дополнительно определяют косинус (или квадрат косинуса) и/или синус (или квадрат синуса) разности фаз между волнами с несущей частотой излучения, равной частоте излучения на выходе оптического транзистора и поляризациями, соответствующими поляризациям волн, переключаемых в оптическом транзисторе, и коэффициенты передачи мощности этими волнами, а затем, сравнивая соотношение между разностью коэффициентов передачи мощности указанными выше волнами и косинусом и/или синусом разности фаз этих волн с тем же с соотношением между ними, но рассчитанным или измеренным на выходе используемого оптического транзистора, выделяют сигнал.

Фраза: «волн, соответствующих волнам, переключаемым в оптическом транзисторе» пояснена выше на конкретных примерах.

В немного отличающемся варианте способа, используя параметры Стокса или элементы матрицы когерентности, измеренные после прохождения волнами тракта распространения, дополнительно определяют косинус (или квадрат косинуса) и/или синус (или квадрат синуса) разности фаз между волнами с несущей частотой излучения, равной частоте излучения на выходе оптического транзистора и поляризациями, соответствующими поляризациям волн, переключаемых в оптическом транзисторе, и коэффициенты передачи мощности этими волнами, а затем, сравнивая соотношение между коэффициентом передачи мощности каждой или одной из указанных волн и косинусом и/или синусом разности фаз этих волн с тем же с соотношением между ними, но рассчитанным или измеренным на выходе используемого оптического транзистора, выделяют сигнал.

Как сказано выше, обычно задается некоторое допустимое отклонение от рассчитанного соотношения, причем если отклонение от рассчитанного соотношения не превышает допустимое, то регистрируют сигнал.

В частных случаях при указанном сравнении в соответствующих соотношениях целесообразнее использовать квадрат синуса разности фаз этих волн и/или квадрат косинуса разности фаз этих волн.

Указанное сравнение, как правило, производят в каждый момент времени.

Указанное сравнение может осуществляться с помощью коррелятора и/или компаратора и/или схемы совпадений. В частности, путем вычисления коэффициентов корреляции соответствующих величин.

В принимаемом излучении значения синуса разности фаз волн и/или косинуса разности фаз волн коррелируют со значениями коэффициентов передачи мощности волн.

Поэтому для частного случая реализации способа в принимаемом излучении определяют (вычисляют) взаимную корреляционную функцию разности коэффициентов передачи мощности волн T₀-T₁ (или коэффициентов передачи Т₀ и/или T₁ и синуса разности фаз волн и/или находят коэффициент корреляции между ними. Аналогично в этом или другом частном случае в принимаемом излучении находят корреляционную функцию Т₀-T₁ (или коэффициентов передачи Т₀ и/или T₁ и косинуса разности фаз волн, и/или определяют коэффициент корреляции между ними.

Указанное соотношение между параметрами Стокса и/или соответствует выполнению второго интеграла. Указанное соотношение между разностью коэффициентов передачи мощности указанными выше волнами и косинусом и/или синусом разности фаз этих волн также соответствует выполнению второго интеграла. Указанное соотношение между коэффициентом передачи мощности каждой волной и косинусом и/или синусом разности фаз этих волн также соответствует выполнению второго интеграла.

При осуществлении данного способа в приемном устройстве, как правило, проверяется также наличие или отсутствие корреляции между мощностями (интенсивностями) волн, соответствующих волнам, переключаемым в оптическом транзисторе, и/или корреляции между коэффициентами передачи мощности указанными волнами. При этом используется то обстоятельство, что на выходе оптического транзистора мощности переключаемых волн изменяются в противофазе [3] (Фиг.1). Эта проверка, как правило, осуществляется предварительно. Фраза: «волн, соответствующих волнам, переключаемым в оптическом транзисторе» пояснена выше на конкретных примерах.

Нелинейно-оптический элемент является нелинейно-оптическим волноводом или нелинейно-оптическим кристаллом или туннельно-связанными оптическими волноводами, по крайней мере, один из которых является нелинейно-оптическим.

В частном случае однонаправленные распределенно-связанные волны являются волнами в туннельно-связанных оптических волноводах, по крайней мере, один из которых является нелинейно-оптическим. В этом случае волны, которые были связаны в этих волноводах за счет туннельной связи между ними, на выходе этих волноводов преобразуются в волны ортогональных поляризаций.

В другом частном случае однонаправленные распределенно-связанные волны в нелинейно-оптическом элементе являются волнами с различными поляризациями, например, с различными ортогональными поляризациями. Или однонаправленные распределенно-связанные волны являются волнами с различными циркулярными поляризациями. Или однонаправленные распределенно-связанные волны являются волнами с различными эллиптическими поляризациями, причем оси соответствующих эллипсов ортогональны друг другу. Чтобы обеспечить линейную распределенную связь между ОРСВ различных поляризаций, нелинейно-оптический элемент является двулучепреломляющим, или оптически активным, или магнитоактивным. Однако, как показано в [9], даже если линейная распределенная связь между волнами различных поляризаций равна нулю, между этими волнами может существовать нелинейная распределенная связь, за счет которой может происходить явление самопереключение этих волн. И на основе этого явления можно сделать оптический транзистор.

Как правило, на вход нелинейно-оптического элемента подают сигнальное оптическое излучение, представляющее собой информационный оптический сигнал с переменной мощностью или фазой, и оптическое излучение накачки, мощность которой выше пороговой, определяемой из условия превышения дифференциальным коэффициентом усиления значения 1,1.

В частности, мощность излучения накачки выбирается из интервала от 0,5 P_M до 1,5 P_M, где P_M - критическая мощность самопереключения.

Если в качестве ОРСВ используют волны в ТСОВ, то на вход, по крайней мере, одного из туннельно-связанных оптических волноводов, по крайней мере, один из которых является нелинейно-оптическим, поступает излучение накачки и на вход этого и/или другого волновода поступает сигнальное излучение. Этот тезис можно сформулировать иначе. В случае использования в качестве нелинейно-оптического элемента туннельно-связанных оптических волноводов на вход, по крайней мере, одного из туннельно-связанных оптических волноводов, по крайней мере, один из которых является нелинейно-оптическим, поступает излучение накачки, и на вход этого и/или другого волновода поступает сигнальное излучение.

В важном частном случае сигнальное излучение и излучение накачки имеют разные несущие частоты.

В этом случае выделяют сигнал, поданный на вход оптического транзистора, сравнивая соотношение между параметрами Стокса или элементами матрицы когерентности, измеренными после прохождения волнами тракта распространения, как правило, на частоте накачки, с тем же соотношением между ними и на той же частоте, но рассчитанным или измеренным на выходе используемого оптического транзистора.

В этом же случае, но другом варианте способа, используя параметры Стокса или элементы матрицы когерентности, измеренные после прохождения волнами тракта распространения (обычно на частоте накачки) дополнительно определяют косинус и/или синус разности фаз между волнами с той несущей частотой излучения и поляризациями, соответствующими поляризациям волн, переключаемых в оптическом транзисторе, и коэффициенты передачи мощности этими волнами, а затем, сравнивая соотношение между разностью коэффициентов передачи мощности указанными выше волнами и косинусом и/или синусом разности фаз этих волн с тем же с соотношением между ними и на той же частоте, но рассчитанным или измеренным на выходе используемого оптического транзистора, выделяют сигнал.

В этом же случае, но чуть отличающемся варианте способа, используя параметры Стокса или элементы матрицы когерентности, измеренные после прохождения волнами тракта распространения (на частоте накачки), дополнительно определяют косинус и/или синус разности фаз между волнами с несущей частотой излучения, равной частоте излучения накачки на выходе оптического транзистора и поляризациями, соответствующими поляризациям волн, переключаемых в оптическом транзисторе, и коэффициенты передачи мощности этими волнами, а затем сравнивая соотношение между коэффициентом передачи мощности каждой или одной из указанных волн и косинусом и/или синусом разности фаз этих волн с тем же соотношением и для той же несущей частоты, но рассчитанным или измеренным на выходе используемого оптического транзистора, выделяют сигнал.

В частных случаях при указанном сравнении в соответствующих соотношениях целесообразнее использовать квадрат синуса разности фаз этих волн и/или квадрат синуса разности фаз этих волн.

Как правило, указанное сравнение делают в каждый момент времени. В отдельных случаях указанное сравнение делают также на частоте сигнала.

В другом частном случае излучение, подаваемое на вход нелинейно-оптического элемента, представляет собой информационный оптический сигнал, средняя мощность которого выше пороговой, определяемой из условия превышения дифференциальным коэффициентом усиления значения 1,1.

В частности, средняя мощность излучения, подаваемого на вход нелинейно-оптического элемента, выбирается из интервала от 0,5 P_M до 1,5 P_M, где P_M - критическая мощность самопереключения.

В другом случае на вход нелинейно-оптического элемента подают оптическое излучение с постоянной мощностью, превышающей пороговую, определяемую из условия превышения дифференциальным коэффициентом усиления значения 1,1, при этом оптические свойства нелинейно-оптического элемента модулируют путем приложения электрического поля или акустического или механического воздействия, причем параметры электрического поля или акустического или механического воздействия модулируются в соответствии с информационным сигналом.

В частности, мощность оптического излучения, подаваемого на вход нелинейно-оптического элемента, выбирают из интервала от 0,5 P_M до 1,5 P_M, где P_M - критическая мощность самопереключения, при этом оптические свойства нелинейно-оптического элемента модулируют путем приложения электрического поля или акустического или механического воздействия.

Однонаправленные распределенно-связанные волны могут быть волнами с различными несущими частотами. При этом, как правило, нелинейно-оптический элемент является квадратично-нелинейным.

На Фиг.1 изображена блок-схема системы оптической связи, взятой за прототип. 1 - оптический транзистор на базе нелинейно-оптического элемента; 2 - лазер, генерирующий оптическое излучение накачки; 3 - линия связи (тракт); 4 - сепаратор (разделитель) переключаемых волн; 5, 6 - фотоприемники; 7 - дифференциальный усилитель и/или коррелятор.

На Фиг.2 показаны зависимости: разности коэффициентов передачи мощности ОРСВ (T₀-T₁), косинуса (cos(ψ_l)) и синуса (sin(ψ_l)) разности фаз двух ОРСВ «1» и «0» (на выходе оптического транзистора) в зависимости от входной интенсивности волны «0» (нормированной на критическую интенсивность I_M=4K/|θ|). Рассмотрен случай явления самопереключения при подаче на вход оптического транзистора (нелинейно-оптического элемента) двух близких по интенсивности волн накачки: R₀=I₀₀/I_M≈R₁=I₁₀/I_M=0.6 с равными фазами на входе: ψ₀=φ₁₀-φ₀₀=0. Разность фаз ОРСВ на выходе: ψ_l=φ_1l-φ_0l. В данном случае нелинейно-оптический элемент обладает коэффициентом кубичной нелинейности θ [4, 9], K - коэффициент распределенной связи ОРСВ [9, 10].

На Фиг.3. Зависимость коэффициента передачи нулевой волной (T₀), косинуса разности фаз (|COS(Ψ_l)|) и второго интеграла G на выходе нелинейно-оптического элемента (оптического транзистора) от входной интенсивности. Отмечены: пороговая интенсивность I_пор и критическая интенсивность I_M. Интенсивность волны «0» на входе нелинейно-оптического элемента (оптического транзистора) равна нулю. Нелинейно-оптический элемент представляет собой два идентичных нелинейно-оптических туннельно-связанных оптических волновода. Пороговая интенсивность I_пор и критическая интенсивность I_M однозначно связаны с пороговой мощностью P_пор=I_пор·S_эфф и критической мощностью P_M=I_M·S_эфф, где S_эфф - эффективное сечение нелинейно-оптического волновода или пучка в нелинейно-оптическом кристалле.

Фиг.4. Зависимость нормированных параметров Стокса S₁=Т₀-T₁, , от нормированной входной интенсивности R₀=I₀₀/I_M. Остальные параметры соответствуют Фиг.2.

Фиг.5. Зависимость коэффициентов передачи мощности T₀=T_0,ω+T_0,2ω) и T₁=T_1,ω+T_1,2ω и косинуса разности фаз волн на частоте ω: cos(Ψ_ω) и на частоте 2ω: cos(Ψ_2ω), от продольной координаты z для случая квадратично-нелинейных ТСОВ и «средней точки самопереключения» M. Переключение мощности излучения происходит из волновода в волновод, как на частоте ω, так и на частоте 2ω. Ψ_ω=φ_1,ω-φ_0,ω, Ψ_2ω=φ_1,2ω-φ_0,2ω. В данном случае ОРСВ представляют собой 4 волны: на двух частотах в двух туннельно-связанных волноводах. Длина квадратично-нелинейных ТСОВ обозначена буквой l. Координата z меняется от нуля до l.

На Фиг.6 изображена блок-схема системы оптической связи, используемой в заявленном способе. 1 - оптический транзистор на базе нелинейно-оптического элемента. 2 - лазер, генерирующий оптическое излучение накачки, подаваемое в оптический транзистор, на вход нелинейно-оптического элемента. 3 - линия связи (тракт распространения). 8 - оптическая антенна; например, модуль фокусировки изображения. 9 - блок обработки, выполняющий разделение принимаемого оптического излучения на шесть компонент и определение параметров Стокса или элементов матрицы когерентности. 10 - блок дополнительной обработки для определения косинуса и/или синуса разности фаз волн, которые соответствуют волнам, переключаемым на выходе оптического транзистора, а также коэффициентов передачи этих волн и разности этих коэффициентов. 11 - блок обработки, включающий коррелятор, определяющий корреляционную функцию между разностью коэффициентов передачи мощности волн и косинусом и/или синусом разности фаз этих волн. В этом блоке 11 принимается решение о регистрации полезного сигнала, очищенного от шумов и помех, и формируется зависимость амплитуды и/или фазы полезного сигнала от времени. Блок 11 может быть включен в блок 10.

На Фиг.7 показан один из возможных и перспективных вариантов приемного модуля, включающего оптическую антенну 8 и блок обработки 9 (см. фиг.3) на базе модуля приведенного в статье [11]. В отличие от статьи [11] в нашем изобретении используются дополнительные блоки обработки 10, 11, в которых вычисляются косинус и синус разности фаз волн, переключаемых на выходе оптического транзистора 1, и затем находится корреляционная функция между косинусом и/или синусом разности фаз этих волн и разностью коэффициентов передачи этих волн. Этот вариант является оптимальным. Возможны варианты способа, когда сразу находится корреляционная функция между тремя параметрами Стокса. Или находятся две корреляционные функции: корреляционная функция между параметрами Стокса S₁ и S₂; корреляционная функция между параметрами Стокса S₁ и S₃. Затем эти функции сравниваются между собой, т.е. находится корреляционная функция между ними. Блок 11 может быть включен в блок 10. При осуществлении способа могут вычисляться соответствующие коэффициенты корреляции указанных величин.

Т.е существуют различные варианты сравнения и вычисления корреляционных функций. Но в любом случае речь идет о волнах, которые в нелинейно-оптическом элементе оптического транзистора (передающего блока) являлись ОРСВ, участвующими в процессе самопереключения.

На Фиг.8 показан другой вариант воплощения анализа и обработки поступающего в приемное устройство сигнала. В нем также вычисляются параметры Стокса S₁, S₂, S₃ и S. Для полностью поляризованного принимаемого излучения S=S₁+S₂+S₃.

Поступающее в приемное устройство излучение проходит через светоделительный куб 12 и далее - часть излучения сквозь светоделительную пластину 13. 14 - зеркало, 15 - пластинка λ/4; 16, 17, 18 - разделители волн различных (ортогональных) поляризаций, в качестве которых можно использовать двоякопреломлящие призмы, например призмы Волластона или призмы Глана. 10 - блок обработки и регистрации, в котором и происходит вычисление указанных выше корреляционных функций.

Схемы других, но похожих устройств, измеряющих параметры Стокса, приведены в [12, 13]. Методика определения и теория параметров Стокса и элементов матрицы когерентности описана также в [14-16].

Перед измерением параметров Стокса принимаемое излучение можно пропустить сквозь оптический частотный узкополосный фильтр, который ограничивает частотную полосу пропускаемого излучения узкой полосой вблизи несущей (средней) частоты, равной несущей частоте излучения на выходе оптического транзистора. Обычно этот оптический узкополосный фильтр является интерференционным фильтром. Относительная ширина полосы при этом обычно составляет 10^-4≤Δλ/λ≤10^-2.

Если в оптическом транзисторе 1 происходит самопереключение ОРСВ различных поляризаций, например линейно ортогональных (или ортогонально циркулярных), то имеет смысл определить следующие параметры Стокса [14-16]

;

;

;

.

Символ 〈〉 означает усреднение по времени, A_x и A_x - амплитуды волн.

Параметры Стокса имеют следующий физический смысл.

S - полная интенсивность волны;

S₁ - разность интенсивностей ортогонально линейно поляризованных компонент;

S₂ - разность интенсивностей ортогонально линейно поляризованных компонент, измеренных в линейном базисе, положение которого отличается на угол π/4 от положения линейного базиса, определяющего второй параметр Стокса;

S₃ - разность интенсивностей двух противоположно циркулярно поляризованных компонент волны.

Символ 〈〉 означает усреднение по времени.

В нелинейно-оптическом элементе (обладающем кубичной нелинейностью) оптического транзистора параметры Стокса связаны системой нелинейных уравнений [9]:

где S=I=I_x+I_y - суммарная интенсивность волн, K - коэффициент линейной распределенной связи волн, α=β_y-β_x, θ_d=(θ_y-θ_х+θ_yx-θ_xy)/2, θ_s=(θ_x+θ_y-θ_yx-θ_xy)/2; θ_x, θ_y, θ_xy, θ_yx, - нелинейные коэффициенты [9].

Решение этой системы уравнений задает соотношение между параметрами Стокса на выходе оптического транзистора.

Для реализации предложенного способа удобно оперировать нормированными параметрами Стокса, которые получаются из указанных выше параметров простым деление на суммарную интенсивность S=I_x+I_y.

Для волн ортогональных линейных поляризаций «x» и «y» три нормированных параметра Стокса выражаются через коэффициенты передачи волн и косинус и синус разности фаз между ними: s₁=T_x-T_y, . ψ_l=φ_y-φ_x. Индекс «l» показывает, что разность волн берется на выходе оптического транзистора (при z=l).

Для волн «0» и «1» три нормированных параметра Стокса на выходе оптического транзистора (при z=l) выражаются через коэффициенты передачи волн и косинус и синус разности фаз между ними: s₁=T₀-T₁,

В нелинейно-оптическом элементе (обладающем кубичной нелинейностью) оптического транзистора параметры Стокса для волн «0» и «1» связаны системой нелинейных уравнений:

где S=I=I₀+I₁ - суммарная интенсивность волн, K - коэффициент линейной распределенной связи волн, α=β₁-β₀, θ_d=(θ₁-θ₀+θ₁₀-θ₀₁)/2, θ_s=(θ₀+θ₁-θ₁₀-θ₀₁)/2; θ₀, θ₁, θ₀₁, θ₁₀, - нелинейные коэффициенты [9]. Причем для волн в ТСОВ обычно θ₀₁=θ₁₀=0, θ_d=0, , |α|<<K.

Решение этой системы уравнений задает соотношение между параметрами Стокса на выходе оптического транзистора.

В данном способе нужно измерить (в принимаемом излучении) хотя бы два нормированных параметра Стокса, например s₁ и s₂, или s₁ и s₃; для этого измерения необходимо измерить три ненормированных параметров Стокса, например S, S₁, S₂ или S, S₁, S₃.

В лучшем варианте воплощения данного способа нужно измерить три нормированных параметров Стокса s₁, s₂, s₃ или четыре ненормированных параметров Стокса: S, S₁, S₂, S₃.

Как правило, эти параметры Стокса измеряют для одной несущей частоты.

Параметры Стокса квазимонохроматической волны можно сгруппировать в 4×1 вектор столбец, называемый вектором Стокса [11, 15].

Для экономии места вектор столбец Стокса часто записывают горизонтально в фигурных скобках [15]: {S, S₁, S₂, S₃}.

Перед применением способа целесообразно разложить принимаемое излучение (согласно теореме Стокса) на две компоненты (части): полностью поляризованную часть и неполяризованную часть [11, 15]:

S={S, S₁, S₂, S₃}=S_непол+S_пол={S-P, 0, 0, 0}+{Р, S₁, S₂, S₃},

где - степень поляризации.

И в дальнейшем можно применять заявленный способ к поляризованной части принимаемого излучения.

Вместо параметров Стокса можно определить элементы матрицы когерентности [14, 15]

Параметры Стокса являются простой линейной комбинацией элементов матрицы когерентности [15]:

S=J_xx+J_yy, S₁=J_xx-J_yy, S₂=J_xy+J_yx,

S₃=-i(J_xy-J_yx).

В приведенных выражениях для ОРСВ ортогональных линейных поляризаций под индексами «х» и «y» можно понимать индексы «0» и «1», которые относятся к ОРСВ, обозначаемых этими индексами: «0» и «1».

Можно определить обобщенную матрицу когерентности [15] для других ОРСВ: для волн ортогональных круговых и эллиптических поляризаций. А также для волн в ТСОВ. Если обозначить эти ОРСВ как «0» и «1», то матрицу когерентности можно определить так

Можно использовать нормированные элементы матрицы когерентности:

,

где T₀₁=J₀₁/(J₀₀+J₁₁)=〈A₀A₁*〉/(I₀₀+I₁₀)

T₁₀=J₁₀/(J₀₀+J₁₁)=〈A₁A₀*〉/(I₀₀+I₁₀)

T₀=J₀₀/(J₀₀+J₁₁)=〈A₀A₀*〉/(I₀₀+I₁₀)

T₁=J₁₁/(J₀₀+J₁₁)=〈A₁A₁*〉/(I₀₀+I₁₀).

Недиагональные элементы матрицы когерентности J_xy и J_yx определяют взаимную корреляцию между x- и y-компонентами электрического вектора. Аналогично недиагональные элементы J₀₁ и J₀₁ определяют взаимную корреляцию между волнами 0 и 1. Поэтому в данном способе, включающем определение недиагональных и диагональных элементов матрицы когерентности, автоматически определяется степень взаимной корреляции волн, соответствующих волнам, переключаемым в оптическом транзисторе. И для предварительной проверки наличия выделяемого сигнала в принимаемом излучении целесообразно оценить величину нормированной функции взаимной корреляции µ_xy=J_xy/(J_xx+J_yy) или µ₀₁=J₀₁/(J₀₀+J₁₁), которая характеризует степень этой корреляции. По величине нормированной функции взаимной корреляции можно принимать предварительное решение о регистрации сигнала. И использовать этот критерий для выделения сигнала при предварительной проверке его наличия (или отсутствия) в принимаемом излучении.

В частных случаях элементы матрицы когерентности определяют с помощью интерферометров. В них измеряются «видимость» интерференции (интерференционной картины), экстремальные значения интенсивности, фазовые сдвиги, при которых они достигаются и т.д. [16]. В качестве интерферометров используют, например, интерферометры типа Маха-Цандера [12], двухканальные интерферометры и т.д. С целью осуществления интерференции перед интерференцией может осуществляться преобразование одной из волн (компонент) в другую. Например, преобразуют линейно-поляризованную волну в ортогонально поляризованную волну.

Теоретически возможно определить разность фаз волн непосредственно. Например, с помощью интерферометров, фазовых детекторов и т.д. При этом параметры Стокса и элементы матрицы когерентности также становятся известными. В этих случаях в заявленных способах после прохождения волнами тракта распространения определяют разность фаз, и/или косинус, и/или синус разности фаз между волнами с несущей частотой излучения, равной частоте излучения на выходе оптического транзистора и поляризациями, соответствующими поляризациям волн, переключаемых в оптическом транзисторе, и коэффициенты передачи мощности этими волнами, а затем, сравнивая соотношение между разностью коэффициентов передачи мощности указанными выше волнами и косинусом и/или синусом разности фаз этих волн с тем же с соотношением между ними, но рассчитанным или измеренным на выходе используемого оптического транзистора, выделяют сигнал.

В немного отличающемся варианте способов определяют разность фаз, и/или косинус, и/или синус разности фаз между волнами с несущей частотой излучения, равной частоте излучения на выходе оптического транзистора и поляризациями, соответствующими поляризациям волн, переключаемых в оптическом транзисторе, и коэффициенты передачи мощности этими волнами, а затем, сравнивая соотношение между коэффициентом передачи мощности каждой или одной из указанных волн и косинусом и/или синусом разности фаз этих волн с тем же соотношением, но рассчитанным или измеренным на выходе используемого оптического транзистора, выделяют сигнал.

Указанное выше разложение (согласно теореме Стокса) принимаемого излучения на полностью поляризованную часть и полностью неполяризованную часть соответствует представлению матрицы когерентности принимаемого излучения в виде суммы матриц полностью поляризованной и полностью неполяризованной частей [16].

Легко видеть, что коэффициенты передачи мощности каждой волной, их разность, косинус и синус разности фаз волн связаны между собой, т.е. между ними существует четкое соответствие, характерное для явления самопереключения ОРСВ, которое сопровождается явлением их автосинхронизации (Фиг.2, 3, 4, 5).

На вход нелинейно-оптического элемента 1 подается оптическое излучение, переменное по интенсивности, фазе или частоте, несущее полезную информацию, либо переменное по интенсивности, фазе или частоте, несущее полезную информацию оптическое излучение (сигнальное) и излучение накачки от лазера 2.

Оптическое излучение, подаваемое на вход нелинейно-оптического элемента, может также представлять собой информационный оптический сигнал, средняя мощность которого выше пороговой, определяемой из условия превышения дифференциальным коэффициентом усиления некоторого порогового значения, например значения 1.1 (Фиг.3).

Оптическое излучение, несущее полезную информацию, может также формироваться изменением электрического или акустического полей или механического воздействия, приложенных к нелинейно-оптическому элементу, в котором (за счет электрооптического или акустооптического эффекта) изменяется (модулируется) показатель преломления и/или коэффициент оптических потерь нелинейно-оптического элемента.

В нелинейно-оптическом элементе 1 происходит переключение между ОРСВ. После прохождения линии связи 3 эти волны попадают на оптическую антенну (модуль фокусировки изображения). Далее излучение поступает в блок 9, где разделяется на шесть компонент, которые затем обрабатываются, и определяются параметры Стокса или элементы матрицы когерентности. Далее вычисляются косинус и синус разности фаз волн (Ψ_l), переключаемых в оптическом транзисторе. Вычисляются также коэффициенты передачи волн T₀=I_0l/(I₀₀+I₀₀), T₁=I_1l/(I₀₀+I₁₀) и разность между ними: T₀-T₁. Эта разность совпадает с первым нормированным параметром Стокса. Для ее вычисления можно использовать, например, дифференциальный усилитель. Далее коррелятор проверяет соответствие между T₀-T₁ и косинусом и синусом разности фаз волн, переключаемых в оптическом транзисторе. Т.е. коррелятор определяет корреляционную функцию между этими величинами и по степени корреляции этих величин выделяет полезный сигнал. В частности, если коррелятор, представляет собой электронный блок, то путем анализа поступающих на его вход сигналов выделяет их коррелированную часть, т.е. вычисляет корреляционную функцию, определяя соответствие зависимостей COS(ψ) SIN(Ψ) и T₀-T₁. При этом выделении их соответствующей части происходит очистка полезного сигнала от шумов и помех. Таким образом, на выходе коррелятора формируется сигнал, соответствующий исходному информационному сигналу, очищенный от шумов и помех.

Можно сказать, что в данном способе проверяется выполнение двух интегралов [4, 5, 9, 10], сохраняющихся в процессе самопереключения ОРСВ. Тогда как в прототипе проверялось выполнение только одного интеграла - энергии: T₀+T₁=1. Поэтому в прототипе проверялось соответствие только T₀ и T₁ и вычислялась их разность T₀-T₁, которая равна первому нормированному параметру Стокса. В данном же способе проверяется (с помощью коррелятора) выполнение и второго интеграла сохранения [4, 5, 9, 10]. Для ОРСВ в ТСОВ и волн круговых поляризаций и других ОРСВ он имеет вид [4, 5, 9, 10]

Он задает определенное соотношение между COS(ψ), T₀ и T₁ на выходе нелинейно-оптического элемента, т.е. при z=l. Так, для идентичных волноводов (волн): α=0, θ₀=θ₁=θ имеем [6, 7, 9]

где R₀=I₀₀/I_M, R₁=I₁₀/I_M - нормированные входные интенсивности, I_M=4K/|θ| - критическая интенсивность, Т₀=I_0l/(I₀₀+I₀₀), T₁=I_1l/(I₀₀+I₁₀) - коэффициенты передачи мощности волнами «0» и «1» в нелинейно-оптическом элементе; T₀₀=I₀₀/(I₀₀+I₀₀), T₁₀=I₁₀/(I₀₀+I₁₀) - доля входной интенсивности (мощности) в волне «0» и волне «1».

Для ОРСВ ортогональных линейных поляризаций (в нелинейно-оптическом элементе) второй интеграл приведен в [9] и других наших работах. Он также задает определенное аналогичное соотношение между указанными выше величинами [9].

Будучи выражен через нормированные параметры Стокса, этот интеграл имеет вид

где , I=I_x+I_y, θ_d=(θ_y-θ_x+θ_yx-θ_xy)/2,

θ_s=(θ_x+θ_y-θ_xy-θ_yx)/2. Параметр α=β_y-β_x представляет разность эффективных показателей волн в нелинейно-оптическом элементе. Нелинейные коэффициенты θ_x, θ_y, θ_xy, θ_yx, приведены в [9].

Интеграл (1) также можно выразить через параметры Стокса. При α=0, θ₀=θ₁=θ, этот интеграл имеет вид

,

где R=(R₀+R₁).

Этот интеграл также задает определенное соотношение между нормированными параметрами Стокса.

Если нелинейно-оптический элемент представляет собой квадратично-нелинейные ТСОВ, то в этих ТСОВ однонаправленные распределенно-связанные волны при определенных условиях переключаются (на выходе элемента) из волновода в волновод. Переключение мощности излучения происходит из волновода «0» в волновод «1» (или наоборот), как на частоте ω, так и на частоте 2ω. Ψ_ω=φ_1,2ω-φ_0,2ω, Ψ_2ω=φ_1,2ω-φ_0,2ω. (Фиг.5). Это переключение волн сопровождается автосинхронизацией переключаемых волн на частоте ω и на частоте 2ω. Так, в средней точке самопереключения M значение cos(Ψ_ω) оказывается близким к 1 или -1 (в зависимости от знака нелинейного коэффициента), причем значение cos(Ψ_2ω) также близко к 1 или -1 (в зависимости от знака нелинейного коэффициента). (Фиг.5). При этом значения sin(Ψ_ω) и sin(Ψ_2ω) оказываются близкими к нулю. Малое изменение мощности (или фазы) сигнала на входе нелинейно-оптического элемента вызывает переключение мощности из волн «0» в волны «1» или наоборот. Фигура 5 построена при определенных значениях мощности сигнала и накачки, соответствующих средней точке переключения М. В данном случае ОРСВ представляют собой 4 волны: волны в волноводах «0» и «1» на частоте ω, и волны в волноводах «0» и «1» на частоте 2ω.

Если нелинейно-оптический элемент является квадратично-нелинейным и в нем взаимодействуют ОРСВ различных поляризаций (распределенная связь между которыми может быть за счет двулучепреломления или магнитной активности этого элемента), то аналогичное переключение мощности может происходить из волны одной поляризации в волну другой (ортогональной) поляризации на каждой частоте. Причем это переключение также должно сопровождаться аналогичной автосинхронизацией волн на каждой частоте.

Для ОРСВ на разных частотах (скажем ω и 2ω) в квадратично-нелинейном элементе второй интеграл приведен в [10] и работах, ссылки на которые даны в [10].

Отметим, что в другом частном случае взаимодействия ОРСВ на частотах ω и 2ω в квадратично-нелинейном элементе характер этого взаимодействия определяет обобщенная разность фаз Ψ=φ₂-2_φ1+2Δzω/c [10], где Δ - отстройка от синхронизма. На основе такого взаимодействия также можно создать оптический транзистор, работа которого описана в [10], а впервые в работах, ссылки на которые даны в [10].

Отметим, что в данном способе используется то, что в излучении содержится информация не только о коэффициентах передачи волн T₀ и T₁ но и информация о COS(Ψ) и SIN(Ψ). В принимаемом излучении содержится информация не только о нормированных интенсивностях волн, но и о разности фаз этих волн. Причем благодаря определению корреляции этих передаваемых и принимаемых величин эта информация отделяется от шумов и помех и является достоверной! Поэтому данный способ не только позволяет ввести дополнительную отстройку от шумов и помех, т.е. повысить надежность связи, но и позволяет передать значительно больший объем информации за единицу времени!

Линия связи может быть как волноводной, так и не волноводной. В последнем случае она проходит сквозь воздушную или водную среду. В случае волноводной линии связи она может представлять собой одиночный волновод (по которому распространяются ОРСВ различных поляризаций или частот) или два идентичных волновода.

В случае использования нелинейно-оптических ТСОВ в качестве нелинейно-оптического элемента 1 (основы оптического транзистора) переключение между ОРСВ и их автосинхронизация происходит на выходе этих ТСОВ. Можно использовать ТСОВ, хотя бы один из которых является нелинейно-оптическим. В этом случае линия связи 3 может представлять собой два идентичных оптических волновода, оптически связанных с нелинейными ТСОВ, в частности двужильный волоконный световод, оптически связанный с ТСОВ. В вариантном исполнении ТСОВ представляют собой участок волноводов оптической линии связи.

На вход нелинейно-оптических ТСОВ 1, так же как в первом варианте, подается оптическое излучение, переменное по интенсивности, фазе или частоте, несущее полезную информацию, либо переменное по интенсивности, фазе или частоте, несущее полезную информацию оптическое излучение (сигнальное) и излучение накачки от лазера 2. Причем как сигнальное излучение, так и излучение накачки могут подаваться как на вход одного из ТСОВ, так и на входы разных ТСОВ.

В случае использования ТСОВ каждый из двух информационных сигналов формируется на выходе соответствующего волновода.

В случае оптического транзистора, выполненного на базе нелинейно-оптических ТСОВ, волны на выходе ТСОВ (т.е. на выходе оптического транзистора) можно преобразовать в волны различных (ортогональных) поляризаций. На выходе одного из ТСОВ излучение может быть преобразовано (например, с помощью ротатора) в ортогонально линейную поляризованную волну. Таким образом, в приемный блок (антенну [11]) будут направлены две ортогонально поляризованные волны. Или обе волны на выходе таких ТСОВ могут быть преобразованы в ортогональные (противоположные) циркулярно поляризованные волны. Например - на выходе волновода «0» будет сформирована волна с левой круговой поляризацией, а на выходе волновода «1» будет сформирована волна с правой круговой поляризацией.

Количество информационных сигналов, сформированных на выходе ТСОВ, может быть более двух в том случае, если используется более двух ТСОВ (при этом повышается помехозащищенность). Идентичность волноводов требуется для обеспечения равенства искажений, вносимых каждым волноводом в сигналы, сравниваемые на выходе, что в дальнейшем позволяет при помощи дифференциального усилителя и/или коррелятора исключить эти искажения.

Способ основан на нелинейном взаимодействии ОРСВ и осуществляется за счет их оптического переключения, т.е. перераспределения мощности между ОРСВ в нелинейно-оптическом волноводе, в результате которого на выходе нелинейно-оптического волновода образуются две ОРСВ, зависимости амплитуды от времени которых идентичны или подобны друг другу, а фазы противоположны.

Теория [4-7, 9, 10] и эксперименты [3, 8, 10] убедительно показали, что возможно явление полностью оптического переключения мощности между ОРСВ, к которым относится целый класс волн в оптике: волны в ТСОВ, волны различных поляризаций (например, ортогональных поляризаций) в одиночном оптическом волноводе с двулучепреломлением, волны на различных частотах в квадратично-нелинейном кристалле или волноводе, различные моды в одиночном волноводе и другие [3-10]. Оно заключается в том, что при определенных условиях (специально подобранных входных интенсивностях и фазах волн, нелинейных коэффициентах волноводов) малое изменение входной интенсивности или фазы одной из волн вызывает резкое переключение энергии на выходе из одной волны в другую: мощность одной волны резко увеличивается, а другой уменьшается. При этом величина изменения мощности на выходе в каждой волне в десятки, сотни и тысячи раз превышает изменение входной мощности, т.е. дифференциальный коэффициент усиления составляет десятки, сотни и тысячи. Таким образом, устройство работает как оптический транзистор, функционально аналогичный электронному транзистору и триоду. Важно подчеркнуть, что суммарная (общая) мощность волн на выходе, как правило, почти не отличается от суммарной (общей) мощности волн на входе. Это означает, что дифференциальное усиление достигается за счет перераспределения мощности между волнами: приращение мощности в одной волне в процессе переключения в точности равно убыли мощности в другой. Т.е. на выходе мощности волн при переключении изменяются в противофазе [3, 9, 10].

При этом на вход нелинейно-оптического элемента (как правило, оптического волновода) в одном из вариантов способа подаются сигнальное излучение и излучение накачки. Как правило, излучение накачки имеет постоянную мощность, которая во много раз больше средней мощности сигнального излучения. Причем мощность накачки подобрана так, чтобы (дифференциальный) коэффициент усиления изменения мощности сигнального излучения был больше единицы, как правило, много больше единицы. Сигнальное излучение является информационным сигналом. Излучение накачки вводится в нелинейно-оптический элемент (волновод) с целью обеспечения режима оптического переключения, при котором достигается величина дифференциального коэффициента усиления мощности оптического излучения, существенно превышающая единицу, но не искажается форма усиливаемого оптического сигнала [3-10], т.е. каждая из ОРСВ на выходе нелинейно-оптического элемента (волновода) соответствует информационному сигналу на входе [3-10].

Наряду с мощностью можно оперировать также понятием интенсивности оптического излучения Р, которая однозначно связана с мощностью: Р=I·S_эфф, где S_эфф - эффективное сечение нелинейно-оптического волновода или пучка излучения в нелинейно-оптическом кристалле.

Как правило, интенсивность сигнального излучения как минимум на порядок меньше интенсивности излучения накачки, однако интенсивности указанных излучений в ряде случаев могут быть соизмеримы.

В другом важном для практики случае на вход подается одна волна, средняя мощность которой близка к критической (или хотя бы больше пороговой) (чтобы обеспечить режим переключения и дифференциального усиления амплитуды без искажений формы сигнала), причем мощность этой волны модулирована в соответствии с полезным информационным сигналом.

Для обеспечения нелинейного режима интенсивность излучения накачки должна быть не менее некоторой пороговой величины I_пор, начиная с которой нелинейные эффекты, вызывающие описанные выше явления, становятся существенными (Фиг.3). Установлено, что такой пороговой величиной является интенсивность излучения накачки, при превышении которой существует хотя бы одно абсолютное значение хотя бы одного из дифференциальных коэффициентов усиления: ∂I_кl/∂I₀₀, превышающее 1,1, где к=0, 1 - номер одной из связанных волн, участвующих в переключении, т.е. волн (нулевой или первой), между которыми происходит перераспределение оптической мощности в нелинейном волноводе; в случае переключения ОРСВ различных поляризаций "к" является номером поляризации (например, в случае ортогонально поляризованных ОРСВ «0» обозначает одну линейную поляризацию, «1» - ортогональную ей линейную поляризацию; в случае циркулярно поляризованных ОРСВ "к" является номером правой или левой циркулярной поляризации); в случае переключения мощности между ОРСВ на различных частотах "к" является номером частоты; в случае нелинейных ТСОВ "к" - номер волновода, т.к. каждая из взаимодействующих волн распространяется по своему волноводу; l - индекс, указывающий, что интенсивность относится к излучению на выходе нелинейного оптического волновода; при этом буква l символизирует длину нелинейного волновода, т.е. значение интенсивности берется при координате z=l, второй индекс 0 у I₀₀ и I₁₀ указывает, что интенсивность относится к излучению на входе нелинейного волновода, т.е. при z=0.

Хотя способ может иметь применение при превышении пороговой интенсивности I_пор, наибольший интерес он представляет вблизи критической интенсивности, соответствующей так называемой средней точке самопереключения M (Фиг.3). Критическую интенсивность можно определить как интенсивность излучения, вблизи которой достигаются максимальный дифференциальный коэффициент усиления и линейность усиления (усиление происходит без искажения формы сигнала на выходе). Как правило, представляет интерес диапазон значений входной мощности от 0,5 P_M до 1,5 P_M.

Пороговой интенсивности I_пор соответствует пороговая мощность Р_пор, а критической интенсивности 1 м соответствует критическая мощность излучения P_M.

Аналитические расчеты показали, что критическую интенсивность можно найти из условия обращения в единицу модуля эллиптических функций, через которые выражаются интенсивности ОРСВ волн на выходе устройства. Она соответствует также автосинхронизации ОРСВ в противофазе.

Нелинейно-оптический элемент, а именно его нелинейно-оптический коэффициент, выбирается таким, чтобы обеспечить оптическое переключение между ОРСВ.

Для ОРСВ в кубично-нелинейном волноводе I_пор, и I_M как правило, пропорциональны K/|Θ|, Θ - нелинейный коэффициент нелинейно-оптического волновода [4, 9], K - коэффициент распределенной связи [3-10]. Например, для кубично-нелинейных ТСОВ, K - коэффициент туннельной связи волноводов, a Θ=(Θ₀+Θ₁)/2 - средний арифметический нелинейный коэффициент двух волноводов. В случае ОРСВ различных поляризаций в двулучепреломляющем нелинейном оптическом волноводе I_пор и I_M пропорциональны |n_e-n_o|/|Θ|, где n_e и n_o - показатели преломления необыкновенной и обыкновенной волн, Θ - нелинейный коэффициент волновода.

Известно, что в случае ОРСВ различных (ортогональных, циркулярных, эллиптических) поляризаций распределенная связь этих волн может быть обусловлена двулучепреломлением нелинейно-оптического элемента, в частности нелинейно-оптического волновода. При этом вектор поляризации оптического излучения на входе нелинейно-оптического волновода должен быть направлен под углом, близким к 45° относительно быстрой или медленной осей нелинейно-оптического волновода. Распределенная связь этих волн может быть обусловлена также оптической активностью или магнитной активностью нелинейно-оптического волновода.

Способ может осуществляться не только изменением интенсивности сигнала на входе, но и изменением фазы сигнала на входе, поскольку коэффициент передачи мощности из одной волны в другую зависит от разности фаз сигнала и накачки на входе.

Способ может осуществляться и при введении в нелинейный оптический волновод одного излучения, представляющего собой информационный оптический сигнал, средняя интенсивность которого выше пороговой, определяемой из условия превышения дифференциальным коэффициентом усиления значения 1,1.

Способ может осуществляться и при введении в нелинейный оптический волновод постоянного по интенсивности излучения, при этом информационный сигнал представляет собой или электрический сигнал, создающий электрическое поле, приложенное к нелинейно-оптическому элементу, или акустический сигнал, создающий акустическое поле, или механическое воздействие, приложенное к нелинейно-оптическому элементу.

Например, информационный электрический сигнал может модулировать параметры нелинейно-оптического элемента (коэффициент распределенной связи волн и разность эффективных показателей преломления ОРСВ) за счет электрооптического эффекта, что позволяет модулировать (в соответствии с передаваемой информацией) излучение постоянной мощности, подаваемое на вход нелинейно-оптического элемента.

Аналогично акустический сигнал может модулировать параметры нелинейно-оптического элемента (коэффициент распределенной связи волн и разность эффективных показателей преломления ОРСВ) за счет акустооптического эффекта; механическое воздействие также может изменять параметры нелинейно-оптического элемента. Это позволяет модулировать (в соответствии с передаваемой информацией) излучение постоянной мощности, подаваемое на вход нелинейно-оптического элемента.

В заключение можно сказать следующее.

Для различных случаев передачи и приема информации нужна разная степень точности и надежности, а также разный объем передаваемой информации за единицу времени.

Минимальная точность и объем передаваемой информации за единицу времени - как в прототипе - соответствуют разделению передаваемого и принимаемого излучения на две компоненты (соответствующие переключаемым волнам) и измерению T₀ и T₁, и - разности между Т₀ и T₁. При этом в принимаемом излучении выделяют сигнал вычитанием T₁ из T₀, уничтожая тем самым синфазную помеху и/или выявлением корреляции между мощностями (интенсивностями) волн, которые соответствуют волнам, переключаемым в оптическом транзисторе.

Большая точность и больший объем передачи информации соответствуют разделению передаваемого и принимаемого излучения на четыре компоненты и измерению двух нормированных параметров Стокса и на их основе - определению T₀ и T₁ (и разности между ними) и косинуса разности фаз переключаемых волн cos(ψ) и/или синуса разности фаз переключаемых волн sin(ψ).

Максимальная точность, надежность (т.е. максимальное отношение сигнал/шум) и наибольший объем передачи информации соответствуют разделению принимаемого излучения на шесть компонент, измерению (на их основе) трех нормированных параметров Стокса (или трех нормированных элементов матрицы когерентности) и на их основе - определению Т₀ и T₁ (разности между Т₀ и T₁), косинуса разности фаз переключаемых волн cos(ψ) и синуса разности фаз переключаемых волн sin(ψ) и нахождению корреляции между указанными измеренными величинами (в приемном устройстве), которая должна соответствовать известным соотношениям этих величин на выходе оптического транзистора. Ибо эти соотношения задаются именно действием оптического транзистора (в передающем блоке) и являются характерными именно для него. Именно в нем происходит явление самопереключения ОРСВ, обладающее уникальными свойствами: резкое самопереключение мощности света между ОРСВ сочетается с их автоматической синхронизацией (автосинхронизацией) и резким характерным изменением их разности фаз на выходе оптического транзистора. Именно этот случай и описан в данном способе.

На выходе коррелятора мы получаем полезный результирующий сигнал (соответствующий входному сигналу), но чистый без шумов и помех. Для срабатывания коррелятора в принципе достаточно двух сигнальных фотонов «0» и «1», коррелированных между собой. Сравнивая их (частоты, фазы и поляризации), коррелятор (в сочетании с фильтрами и разделителями волн) регистрирует полезный сигнал. Эта технология и описана в заявленном способе.

При малом числе квантов в принимаемом излучении для выделения сигнала (заявленным способом) вместо параметров Стокса можно пользоваться операторами Стокса, средними значениями которых являются параметры Стокса. Вместо матриц когерентности можно использовать матрицы плотности для фотонов (пучка фотонов). Разность фаз можно заменить на оператор разности фаз, а интенсивности - на операторы числа фотонов. Следует также учесть, что согласно теореме Эренфеста уравнения для средних значений представляют собой близкие аналоги классических уравнений.

Литература

1. Патент RU 2121229, кл. H04B 10/00, опубл. 27.10.1998.

2. Патент №2178954, кл. H04B 10/00, опубл. 27.01.2002.

3. Майер А.А. «Способ передачи информации в системах оптической связи». Патент РФ №2246177. Приоритет от 19 Ноября 2002 г. Бюллетень №4, 10 февраля 2005. Зарегистрирован в Госреестре изобретений 10 февраля 2005. Заявка 202130833.

4. Майер А.А. "Оптические транзисторы и бистабильные элементы на основе нелинейной передачи света системами с однонаправленными связанными волнами". Квантовая электроника, том 9, 1982 г, с.2296-2302.

5. Майер А.А. О самопереключении света в направленном ответвителе. - Квантовая электроника, 1984, т.11, №1, с.157-162.

6. Майер А.А. Самопереключение света в интегральной оптике. - Известия АН СССР, сер. физ., 1984, т.48, №7, с.1441-1446.

7. Майер А.А. Автосинхронизация волн при самопереключении света в нелинейных туннельно-связанных волноводах. - Препринт ИОФАН М., 1984, №236, с.1-11; Квантовая электроника, т.12, 1985, с.1537-1540.

8. Д.Д.Гусовский, Е.М.Дианов, А.А.Майер и др. "Экспериментальное наблюдение самопереключения излучения в туннельно-связанных оптических волноводах". - Препринт ИОФАН No188 Москва, 1986; Квантовая электроника, том 14, №6, c.1144 (1987).

9. А.А.Майер. «Оптическое самопереключение однонаправленных распределенно-связанных волн». УФН, том 165, №9,1995 г., с.1037-1075.

10. А.А.Майер. «Экспериментальное наблюдение явления самопереключения однонаправленных распределенно-связанных волн». УФН, том 166, №11, 1996 г., с.1171-1196.

11. А.М.Шутов. «Методы оптической астрополяриметрии». Москва 2006; А.М.Шутов, В.Б.Быстранов, А.К.Киселев. «Концепция стокс-поляриметрического панорамного устройства для дистанционного исследования объектов из космоса». Сайт: http://www.iki.rssi.ru/earth/articles06/voll-231-236.pdf.

12. Измерение спектрально-частотных и корреляционных параметров и характеристик лазерного излучения. Под редакцией А.Ф.Котюка, Б.М.Степанова. Изд-во Радио и связь, Москва, 1982 г.

13. Б.А.Зон и др. «Поляриметр». Патент РФ 2039949. Опубликован 20.07.1995.

14. М.Борн, Э.Вольф. «Основы оптики». Изд-во Наука, Москва 1973 г.

15. Р.Аззам, Н.Башара. «Эллипсометрия и поляризованный свет». Изд-во «Мир», Москва, 1981.

16. А.Н.Матвеев. «Оптика». Изд-во Высшая школа, Москва, 1985 г.

Способ передачи информации и способ выделения полезного сигнала включают формирование в излучателе на выходе оптического транзистора, работающего на основе явления самопереключения мощности между двумя однонаправленными распределенно-связанными волнами в нелинейно-оптическом элементе, двух волн, мощности которых изменяются в противофазе, в соответствии с сигналом на входе оптического транзистора. Этот сигнал выделяют в принимаемом излучении после прохождения волнами тракта распространения. Для выделения сигнала измеряют три или четыре параметра Стокса или три или четыре элемента матрицы когерентности для несущей частоты излучения на выходе оптического транзистора. Полезный сигнал выделяют, сравнивая соотношение между параметрами Стокса или элементами матрицы когерентности, измеренными после прохождения волнами тракта распространения, с тем же соотношением между ними, но рассчитанным или измеренным на выходе используемого оптического транзистора. Технический результат заключается в повышении надежности, качества и объема передачи информации, в повышении помехозащищенности линии связи и отношения сигнал/шум, в обеспечении дополнительной скрытности передачи информации, а также в уменьшении влияния шумов фотоприемников на прием информационного сигнала. 2 н. и 23 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Способ передачи информации, включающий формирование в излучении на выходе оптического транзистора, работающего на основе явления самопереключения мощности между однонаправленными распределенно-связанными волнами в нелинейно-оптическом элементе, двух волн, мощности которых изменяются в противофазе в соответствии с сигналом на входе оптического транзистора, и выделение этого сигнала в принимаемом излучении, отличающийся тем, что после прохождения волнами тракта распространения измеряют три или четыре параметра Стокса или три или четыре элемента матрицы когерентности для несущей частоты излучения на выходе оптического транзистора и выделяют сигнал, поданный на вход оптического транзистора, сравнивая соотношение между параметрами Стокса или элементами матрицы когерентности, измеренными после прохождения волнами тракта распространения, с соотношением между ними, рассчитанным или измеренным на выходе используемого оптического транзистора.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что, используя параметры Стокса или элементы матрицы когерентности, измеренные после прохождения волнами тракта распространения, дополнительно определяют косинус и/или синус разности фаз между волнами с несущей частотой излучения, равной частоте излучения на выходе оптического транзистора, и поляризациями, соответствующими поляризациям волн, переключаемых в оптическом транзисторе, и коэффициенты передачи мощности этими волнами, а затем, сравнивая соотношение между разностью коэффициентов передачи мощности указанными выше волнами и косинусом и/или синусом разности фаз этих волн с тем же с соотношением между ними, но рассчитанным или измеренным на выходе используемого оптического транзистора, выделяют сигнал.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что, используя параметры Стокса или элементы матрицы когерентности, измеренные после прохождения волнами тракта распространения, дополнительно определяют косинус и/или синус разности фаз между волнами с несущей частотой излучения, равной частоте излучения на выходе оптического транзистора, и поляризациями, соответствующими поляризациям волн, переключаемых в оптическом транзисторе, и коэффициенты передачи мощности этими волнами, а затем сравнивая соотношение между коэффициентом передачи мощности каждой или одной из указанных волн и косинусом и/или синусом разности фаз этих волн с тем же соотношением, но рассчитанным или измеренным на выходе используемого оптического транзистора, выделяют сигнал.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что указанное сравнение осуществляют с помощью коррелятора, и/или схемы совпадений, и/или компаратора.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что нелинейно-оптический элемент является нелинейно-оптическим волноводом, или нелинейно-оптическим кристаллом, или туннельно-связанными оптическими волноводами, по крайней мере, один из которых является нелинейно-оптическим.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что однонаправленные распределенно-связанные волны являются волнами в туннельно-связанных оптических волноводах, по крайней мере, один из которых является нелинейно-оптическим.

7. Способ по п.6, отличающийся тем, что однонаправленные распределенно-связанные волны, которые были связаны в этих волноводах за счет туннельной связи между ними, на выходе этих волноводов преобразуются в волны ортогональных поляризаций.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что однонаправленные распределенно-связанные волны являются волнами с различными ортогональными поляризациями.

9. Способ по п.8, отличающийся тем, что однонаправленные распределенно-связанные волны являются волнами с различными циркулярными поляризациями.

10. Способ по п.1, отличающийся тем, что на вход нелинейно-оптического элемента подают сигнальное оптическое излучение, представляющее собой информационный оптический сигнал с переменной мощностью или фазой, и оптическое излучение накачки, мощность которой выше пороговой, определяемой из условия превышения дифференциальным коэффициентом усиления значения 1,1.

11. Способ по п.10, отличающийся тем, что мощность излучения накачки выбирается из интервала от 0,5 Р_М до 1,5 Р_М, где Р_М - критическая мощность самопереключения.

12. Способ по п.10, отличающийся тем, что на вход, по крайней мере, одного из туннельно-связанных оптических волноводов, по крайней мере, один из которых является нелинейно-оптическим, поступает излучение накачки, и на вход этого и/или другого волновода поступает сигнальное излучение.

13. Способ по п.10, отличающийся тем, что сигнальное излучение и излучение накачки имеют разные несущие частоты.

14. Способ по п.13, отличающийся тем, что выделяют сигнал, поданный на вход оптического транзистора, сравнивая соотношение между параметрами Стокса или элементами матрицы когерентности, измеренными на частоте накачки после прохождения волнами тракта распространения, с тем же соотношением между ними и на той же частоте, но рассчитанным или измеренным на выходе используемого оптического транзистора.

15. Способ по п.14, отличающийся тем, что, используя параметры Стокса или элементы матрицы когерентности, измеренные на частоте накачки после прохождения волнами тракта распространения, дополнительно определяют косинус и/или синус разности фаз между волнами с несущей частотой излучения, равной частоте излучения накачки на выходе оптического транзистора, и поляризациями, соответствующими поляризациям волн, переключаемых в оптическом транзисторе, и коэффициенты передачи мощности этими волнами, а затем, сравнивая соотношение между разностью коэффициентов передачи мощности указанными выше волнами и косинусом и/или синусом разности фаз этих волн с тем же с соотношением между ними и на той же частоте, но рассчитанным или измеренным на выходе используемого оптического транзистора, выделяют сигнал.

16. Способ по п.1, отличающийся тем, что излучение, подаваемое на вход нелинейно-оптического элемента, представляет собой информационный оптический сигнал, средняя мощность которого выше пороговой, определяемой из условия превышения дифференциальным коэффициентом усиления значения 1,1.

17. Способ по п.16, отличающийся тем, что средняя мощность излучения, подаваемого на вход нелинейно-оптического элемента выбирается из интервала от 0,5 Р_М до 1,5 Р_М, где Р_М - критическая мощность самопереключения.

18. Способ по п.1, отличающийся тем, что на вход нелинейно-оптического элемента подают оптическое излучение с постоянной мощностью, превышающей пороговую, определяемую из условия превышения дифференциальным коэффициентом усиления значения 1,1, при этом оптические свойства нелинейно-оптического элемента модулируют путем приложения электрического поля или акустического или механического воздействия, причем параметры электрического поля или акустического или механического воздействия модулируются в соответствии с информационным сигналом.

19. Способ по п.18, отличающийся тем, что мощность оптического излучения, подаваемого на вход нелинейно-оптического элемента, выбирают из интервала от 0,5 Р_М до 1,5 Р_М, где Р_М - критическая мощность самопереключения, при этом оптические свойства нелинейно-оптического элемента модулируют путем приложения электрического поля или акустического или механического воздействия.

20. Способ по п.1, отличающийся тем, что после прохождения волнами тракта распространения дополнительно проверяют наличие корреляции между мощностями волн с несущей частотой излучения, равной частоте излучения на выходе оптического транзистора, и поляризациями, соответствующими поляризациям волн, переключаемых в оптическом транзисторе, и выделяют сигнал, поданный на вход оптического транзистора, при наличии корреляции между мощностями указанных волн.

21. Способ выделения в принимаемом оптическом излучении сигнала, преобразованного в излучателе посредством оптического транзистора, работающего на основе явления самопереключения мощности в нелинейно-оптическом элементе между двумя однонаправленными распределенно-связанными волнами, мощности которых изменяются в противофазе в соответствии с сигналом на входе оптического транзистора, отличающийся тем, что после прохождения волнами тракта распространения измеряют три или четыре параметра Стокса или три или четыре элемента матрицы когерентности для несущей частоты излучения на выходе оптического транзистора и выделяют сигнал, поданный на вход оптического транзистора, сравнивая соотношение между параметрами Стокса или элементами матрицы когерентности, измеренными после прохождения волнами тракта распространения, с соотношением между ними, рассчитанным или измеренным на выходе используемого оптического транзистора.

22. Способ по п.21, отличающийся тем, что, используя параметры Стокса или элементы матрицы когерентности, измеренные после прохождения волнами тракта распространения, дополнительно определяют косинус и/или синус разности фаз между волнами с несущей частотой излучения, равной частоте излучения на выходе оптического транзистора, и поляризациями, соответствующими поляризациям волн, переключаемых в оптическом транзисторе, и коэффициенты передачи мощности этими волнами, а затем, сравнивая соотношение между разностью коэффициентов передачи мощности указанными выше волнами и косинусом и/или синусом разности фаз этих волн с тем же с соотношением между ними, но рассчитанным или измеренным на выходе используемого оптического транзистора, выделяют сигнал.

23. Способ по п.21, отличающийся тем, что, используя параметры Стокса или элементы матрицы когерентности, измеренные после прохождения волнами тракта распространения, дополнительно определяют косинус и/или синус разности фаз между волнами с несущей частотой излучения, равной частоте излучения на выходе оптического транзистора, и поляризациями, соответствующими поляризациям волн, переключаемых в оптическом транзисторе, и коэффициенты передачи мощности этими волнами, а затем, сравнивая соотношение между коэффициентом передачи мощности каждой или одной из указанных волн и косинусом и/или синусом разности фаз этих волн с тем же с соотношением между ними, но рассчитанным или измеренным на выходе используемого оптического транзистора, выделяют сигнал.

24. Способ по п.21, отличающийся тем, что указанное сравнение осуществляют с помощью коррелятора, и/или схемы совпадений, и/или компаратора.

25. Способ по п.21, отличающийся тем, что после прохождения волнами тракта распространения дополнительно проверяют наличие корреляции между мощностями волн с несущей частотой излучения, равной частоте излучения на выходе оптического транзистора, и поляризациями, соответствующими поляризациям волн, переключаемых в оптическом транзисторе, и выделяют сигнал, поданный на вход оптического транзистора, при наличии корреляции между мощностями указанных волн.