ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА СВЯЗИ Российский патент 2019 года по МПК G02F1/17 H04B10/40 

Область техники

Изобретение относится к системам оптической двусторонней связи между подвижными и стационарными объектами при помощи перестраиваемых фазовых оптических дифракционных решеток с возможностью управления интенсивностью, частотой и фазовыми характеристиками светового излучения, и может найти применение в сферах, критичных к передаче и приему информации: системах управления подвижными и неподвижными объектами в автомобильной и аэрокосмической отраслях, в оптико-механической промышленности как средство защищенной оптической связи в коммутирующих и фильтрующих устройствах, а также в других областях техники.

Уровень техники

Известна оптическая система связи, содержащая запросчик и ответчик. Запросчик содержит лазерный источник, приемник отраженного оптического сигнала и устройство. управления. Ответчик содержит ретрорефлектор с использованием поляризационного устройства модуляции сигнала. Недостатком этого устройства является необходимость использования поляризатора и деполяризатора, что снижает качество приема сигнала (US 8396373 В2).

Известна оптическая система связи, содержащая запросчик и ответчик. Запросчик содержит лазерный источник, приемник отраженного оптического сигнала и устройство управления. Ответчик содержит управляемый ретрорефлектор с использованием модулированного светоотражателя электрооптического полимера. Недостатком этого устройства является использование поляризатора и анализатора, сложность конструкции и низкое быстродействие передачи сигнала (US 20140079404 А1).

Наиболее близким изобретением является оптическая система связи, содержащая запросчик и ответчик, причем запросчик содержит лазерный источник, приемник отраженного оптического сигнала и устройство управления, при этом ответчик содержит модулирующий ретрорефлектор с использованием технологии множественных квантовых ям в виде модулятора, размещенного на приемной плоскости уголкового отражателя. Недостатком известного устройства является необходимость повторного прохождения запросного луча через модулятор и сложность конструкции как ответчика, так и передатчика (US 6154299 А).

Задачей настоящего изобретения является повышение качества оптической системы связи, в частности, но не только, ее быстродействия, надежности, помехоустойчивости расширение сферы ее применения.

Сущность изобретения

Эти задачи решаются созданием настоящего изобретения.

Оптическая система связи согласно настоящему изобретению содержит запросчик и ответчик, причем запросчик содержит лазерный источник света, электрически соединенный с первым блоком управления, первый цифровой вычислитель, электрически соединенный с потребителем информации и с оптической системой, при этом ответчик содержит ретрорефлектор, электрически соединенный со вторым цифровым вычислителем, при этом второй цифровой вычислитель электрически соединен с блоком обмена информации и вторым блоком управления, при этом ретрорефлектор содержит уголковый отражатель, фотоприемник, электронный блок, фокусирующую линзу, фазовый модулятор света, причем фокусирующая линза направлена на запросчик, при этом одна или несколько граней уголкового отражателя оптически контактируют с фазовым модулятором света, содержащим последовательно расположенные электропроводящий слой, прозрачный деформируемый слой, газовый зазор, управляющую систему, содержащую к штук электродов, диэлектрическую подложку, причем электропроводящий слой оптически контактирует с одной из граней уголкового отражателя, при этом управляющая система электрически соединена с источником сигналов, причем нечетные k_j электроды управляющей системы электрически соединены с заземленным электродом источника сигналов, а четные k_j+1 электроды управляющей системы электрически соединены с сигнальным электродом источника сигналов, при этом заземленный электрод источника сигналов в свою очередь соединен с одним из электродов источника опорного напряжения, при этом другой электрод источника опорного напряжения электрически соединен с электропроводящим слоем, причем оптическая система содержит последовательно расположенные на оптической оси объектив и фотодетектор, причем фотодетектор электрически соединен с первым усилителем, при этом первый усилитель электрически соединен через первый регулятор коэффициента усиления с первым блоком оцифровки сигнала, а первый блок оцифровки сигнала электрически соединен с первым цифровым вычислителем, причем электронный блок содержит второй усилитель, электрически соединенный со вторым регулятором коэффициента усиления, при этом второй регулятор коэффициента усиления электрически соединен со вторым блоком оцифровки сигнала, а второй блок оцифровки сигнала электрически соединен со вторым цифровым вычислителем.

Кроме того, оптическая система связи по настоящему изобретению на поверхности прозрачного деформируемого слоя содержит проводящий отражающий деформируемый слой, электрически соединенный с электропроводящим слоем, при этом проводящий отражающий деформируемый слой оптически контактирует с прозрачным деформируемым слоем.

Перечень фигур чертежей

На Фиг. 1. показана блок-схема оптической системы связи.

На Фиг. 2. показана конструкция ретрорефлектора.

На Фиг. 3. показана конструкция модулятора.

На Фиг. 4 показан пример конструкции оптической системы.

На Фиг. 5. показан пример конструкции электронного блока.

На Фиг. 6 показана конструкция модулятора с проводящим отражающим деформируемым слоем.

На Фиг. 7 показан пример осциллограмм импульса электрического сигнала U_N и отклика прозрачного деформируемого слоя в виде амплитуды рельефа А (зазор 19 равен двум микрометрам, задержка реакции Δ=1,2 мкс, время отклика прозрачного гелеобразного слоя τ=8,4 мкс).

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

Оптическая система связи согласно настоящему изобретению (Фиг. 1, 2, 3, 4, 5) содержит запросчик 1 и ответчик 2, причем запросчик 1 содержит лазерный источник света 3, электрически соединенный с первым блоком управления 4, первый цифровой вычислитель 5, электрически соединенный с потребителем информации бис оптической системой 7, при этом ответчик 2 содержит ретрорефлектор 8, электрически соединенный со вторым цифровым вычислителем 9, при этом второй цифровой вычислитель 9 электрически соединен с блоком обмена информации 10 и вторым блоком управления 11, при этом ретрорефлектор 8 (Фиг.1, 2) содержит уголковый отражатель 12, фотоприемник 13, электронный блок 14, фокусирующую линзу 15, фазовый модулятор света 16 причем фокусирующая линза 15 направлена на запросчик 1, при этом одна или несколько граней уголкового отражателя 12 оптически контактируют с фазовым модулятором света 16 (Фиг.2, 3), содержащим последовательно расположенные электропроводящий слой 17, прозрачный деформируемый слой 18, газовый зазор 19, управляющую систему 20, содержащую к штук-электродов, диэлектрическую подложку 21, причем электропроводящий слой 17 оптически контактирует с одной из граней уголкового отражателя 12, при этом управляющая система 20 электрически соединена с источником сигналов 22, причем нечетные k_j электроды управляющей системы 20 электрически соединены с заземленным электродом источника сигналов 22, а четные k_j+1 электроды управляющей системы 20 электрически соединены с сигнальным электродом источника сигналов 22, при этом заземленный электрод источника сигналов 22 в свою очередь соединен с одним из электродов источника опорного напряжения 23, при этом другой электрод источника опорного напряжения 23 электрически соединен с электропроводящим слоем 17, причем оптическая система 7 (Фиг. 1, 4) содержит последовательно расположенные на оптической оси объектив 24 и фотодетектор 25, причем фотодетектор 25 электрически соединен с первым усилителем 26, при этом первый усилитель 26 электрически соединен через первый регулятор коэффициента усиления 27 с первым блоком оцифровки сигнала 28, а первый блок оцифровки сигнала 28 электрически соединен с первым цифровым вычислителем 5, причем электронный блок 14 (Фиг .2, 5) содержит второй усилитель 29, электрически соединенный со вторым регулятором коэффициента усиления 30, при этом второй регулятор коэффициента усиления 30 электрически соединен со вторым блоком оцифровки сигнала 31, а второй блок оцифровки сигнала 31 электрически соединен со вторым цифровым вычислителем 9.

В другом • варианте осуществления (Фиг. 6) устройство на поверхности прозрачного деформируемого слоя 18 содержит проводящий отражающий деформируемый слой 32, электрически соединенный с электропроводящим слоем 17, при этом проводящий отражающий деформируемый слой 32 оптически контактирует с прозрачным деформируемым слоем 16.

Предложенное устройство работает следующим образом.

Первый цифровой вычислитель 5 запросчика 1 подает сигналы на первый блок управления 4 лазерного источника света 3 (Фиг. 1). Первый блок управления 4 формирует кодированное информационное сообщение путем, формирования оптических импульсов лазерным источником света 3. Оптический сигнал от лазерного источника света 3 через фокусирующую линзу 15 (Фиг. 2) попадает на фотоприемник 13 ретрорефлектора 8. В фотоприемнике 13 оптический сигнал преобразуется в аналоговый электрический сигнал, который оцифровывается электронным блоком 14 (Фиг. 2, 5) с помощью второго усилителя 29, второго регулятора коэффициента усиления 30, второго блока 31 оцифровки сигнала. Полученные данные поступают во второй цифровой вычислитель 9 ответчика 2. Второй цифровой вычислитель 9 формирует команду от запросчика 1 на ответчик 2. Полученная команда от запросчика 1 на ответчик 2 передается в блок обмена информацией 10 между ответчиком 2 и запросчиком 1. В случае подтверждения кодированной информации блоком обмена информации 10 (Фиг. 1) сигнал передается через второй блок управления 11 на систему электродов 20 модулятора 16 (Фиг. 2, 3). Электрические сигналы на системе электродов 20 создают рельеф напряженности электрического поля в газовом зазоре 19, при этом на границе раздела газового зазора и поверхности прозрачного деформируемого слоя 18 образуется рельеф пондеромоторных сил, и, как следствие геометрический рельеф (Фиг. 3). С помощью электрических сигналов можно записывать и стирать геометрический рельеф. Этот рельеф управляет дифракцией отраженного оптического излучения в соответствии с информацией, передаваемой с ответчика 2 на запросчик 1. Детально работа фазового модулятора света 16 описана в книге Ю.П. Гущо «Физика рельефографии» Наука, М., 1992. Появление рельефа нарушает^- полное внутреннее отражение, а стирание рельефа восстанавливает полное внутреннее отражение в ретрорефлекторе 8, и свет возвращается к запросчику 1. Частота переключения модулятора 16 в ретрорефлекторе 8 ограничена только временем отклика прозрачного деформируемого слоя 18 на воздействие импульса электрического сигнала U_N от источника сигналов 22. На фиг. 7 приведен пример осциллограммы импульса электрического сигнала Un и отклика прозрачного деформируемого слоя 18 в виде амплитуды рельефа А. В частности, из фиг. 7 видно, что время отклика прозрачного деформируемого слоя 18 составляет единицы микросекунд. Управлять временем отклика можно за счет подбора состава прозрачного деформируемого слоя 18, а также оптическими, электрическими и геометрическими параметрами фазового модулятора света 16. Благодаря дифракции света на образующемся фазовом рельефе на поверхности прозрачного деформируемого слоя 18 отраженный свет не возвращается к запросчику 1. Модулированный оптический Сигнал от ответчика 2 поступает на объектив 24 оптической системы 7 запросчика 1. Объектив 24 (Фиг. 4) фокусирует оптический сигнал на входное отверстие фотодетектора 25, в котором оптический сигнал преобразуется в электрический, усиливается с помощью первого усилителя 26 и первого регулятора коэффициента усиления 27, затем оцифровывается с помощью первого блока оцифровки сигнала 28, и далее через первый цифровой вычислитель 5 запросчика 1 поступает в потребитель информации 6. В потребителе информации 6 сигналы могут быть визуализированы для работы с оператором и/или с автоматическими системами исполнительных или командных устройств. Таким образом, отраженный поток света модулируется вторым блоком управления 11 в соответствии с командами, поступающими от второго цифрового вычислителя 9 ответчика 2. С помощью падающего светового потока на ответчик 2 от запросчика 1 передаются команды управления ответчику 2. В случае подтверждения запроса блоком обмена информации 10 между ответчиком 2 и запросчиком 1, отраженный световой поток модулируется в соответствие с командой, полученной от запросчика 1. При поступлении импульсного напряжения на источник сигналов 22 на поверхности прозрачного деформируемого слоя 18 появляется и исчезает рельеф (Фиг. 3). Предложенное устройство позволяет минимизировать расход энергии, масс-габаритные показатели и защиту телекоммуникации от несанкционированного доступа, благодаря пассивной модуляции в ретрорефлекторе 8 отраженного излучения от запросчика 1. Другими словами, не требуется активный лазерный передатчик на ответчике 2.

В другом варианте изобретение работает следующим образом (Фиг. 5).

В фазовый модулятор света 16, встроенный в ретрорефлектор 8 ответчика 2, на поверхность прозрачного деформируемого слоя 18 введен проводящий отражающий деформируемый слой 32. В отсутствие импульса электрического сигнала U_N на фазовом модуляторе света 16 отражающий деформируемый слой 32 позволяет увеличить отраженный поток света от уголкового отражателя 12 и увеличить угловые характеристики обзора со стороны запросчика 1.

Пример реализации изобретения

Устройство по настоящему изобретению может быть выполнено следующим образом.

В качестве когерентного лазерного источника света 3 могут быть использованы полупроводниковые лазеры или лазеры на парах меди, золота, стронция, а также газовые лазеры. Для обеспечения достаточного уровня быстродействия и высокой энергоэффективности в качестве коммутирующих элементов драйвера когерентного источника света целесообразно применять транзисторы на нитриде галлия, позволяющие формировать зондирующие импульсы длительностью менее 1 нсек и оптической энергией не менее 70 нДж. Реализация устройства драйвера может быть осуществлена известными методами (Alex Lidow, Johan Strydom, Michael de Rooij, David Reusch. GaN Transistors for Efficient Power Conversion, 2-nd Edition).

В качестве элементов блоков управления 4 и 11 могут быть использованы стандартные микросхемы, или наборы микросхем, уровень интеграции зависит от технических требований устройств. Для управления системой электродов модулятора 20 могут быть использованы известные драйверы полевых транзисторов с малым временем срабатывания (например, LM5109).

Электроды управляющей системы 20 могут быть выполнены, например, из алюминия, хрома, молибдена, окиси индия. В качестве остальных элементов и блоков могут быть использованы стандартные элементы и блоки. Зазор 19 можно выбрать, например, 10 мкм, а толщину прозрачного деформируемого слоя 18 можно выбрать, например, 40 мкм. Толщина электродов управляющей системы 20 может быть выбрана от десятых до сотых долей микрона. Электрические сигналы, поступающие от второго блока управления 11 на вход модулятора 16, могут быть, например, выбраны следующими: напряжение сигнала 15÷20 вольт, опорное напряжение - 50 В, длительность управляющего импульса - 5÷7 мкс, источники напряжения 22 и 23 могут быть выбраны стандартными.

Прозрачный деформируемый слой 18 приготавливают на основе полиорганосилоксана известными методами (Патейт №2577802 Спеклоподавитель для лазерного излучения (варианты), классы МПК7: G02F 1/00).

Уголковый отражатель 12 и диэлектрическая подложка 21 могут быть выполнены, например, из кварцевого стекла марки К8 или ВК7. Прозрачный электропроводящий слой 17 - из окиси индия. Объективы, фотодетекторы, усилители, регуляторы коэффициента усиления, блоки оцифровки сигнала и вычислители могут быть использованы стандартные. Отражающий деформируемый слой 32 может быть выполнен, например, из золота, серебра, алюминия толщиной десятые доли мкм.

Изобретение относится к системам оптической двусторонней связи между подвижными и неподвижными объектами при помощи перестраиваемых фазовых оптических дифракционных решеток и может найти применение в сферах, критичных к передаче и приему информации. Изобретение содержит оптическую систему связи, содержащую запросчик и ответчик, запросчик содержит лазерный источник света, электрически соединенный с первым блоком управления, первый цифровой вычислитель, электрически соединенный с потребителем информации и с оптической системой, а ответчик содержит ретрорефлектор, электрически соединенный со вторым цифровым вычислителем, который электрически соединен с блоком обмена информации и вторым блоком управления. Ретрорефлектор содержит: уголковый отражатель, фотоприемник, электронный блок, фокусирующую линзу и фазовый модулятор света. Фокусирующая линза направлена на запросчик, а одна или несколько граней уголкового отражателя оптически контактируют с фазовым модулятором света, содержащим последовательно расположенные электропроводящий слой, прозрачный деформируемый слой, газовый зазор, управляющую систему, содержащую k штук электродов, диэлектрическую подложку, причем электропроводящий слой оптически контактирует с одной из граней уголкового отражателя, а управляющая система электрически соединена с источником сигналов. Нечетные k_j электроды управляющей системы электрически соединены с заземленным электродом источника сигналов, а четные k_j+1 электроды управляющей системы электрически соединены с сигнальным электродом источника сигналов, при этом заземленный электрод источника сигналов в свою очередь соединен с одним из электродов источника опорного напряжения, а электрод источника опорного напряжения электрически соединен с электропроводящим слоем. Оптическая система содержит последовательно расположенные на оптической оси объектив и фотодетектор, причем фотодетектор электрически соединен с первым усилителем, который электрически соединен через первый регулятор коэффициента усиления с первым блоком оцифровки сигнала, а первый блок оцифровки сигнала электрически соединен с первым цифровым вычислителем. Электронный блок содержит второй усилитель, электрически соединенный со вторым регулятором коэффициента усиления, при этом второй регулятор коэффициента усиления электрически соединен со вторым блоком оцифровки сигнала, а второй блок оцифровки сигнала электрически соединен со вторым цифровым вычислителем. Технический результат – повышение быстродействия, надежности и помехоустойчивости. 1 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Оптическая система связи, содержащая запросчик и ответчик, причем запросчик содержит лазерный источник света, электрически соединенный с первым блоком управления, первый цифровой вычислитель, электрически соединенный с потребителем информации и с оптической системой, при этом ответчик содержит ретрорефлектор, электрически соединенный со вторым цифровым вычислителем, при. этом второй цифровой вычислитель электрически соединен с блоком обмена информации и вторым блоком управления, при этом ретрорефлектор содержит уголковый отражатель, фотоприемник, электронный блок, фокусирующую линзу, фазовый модулятор света, причем фокусирующая линза направлена на запросчик, при этом одна или несколько граней уголкового отражателя оптически контактируют с фазовым модулятором, света, содержащим последовательно расположенные электропроводящий слой, прозрачный деформируемый слой, газовый зазор, управляющую систему, содержащую k штук электродов, диэлектрическую подложку, причем электропроводящий слой оптически контактирует с одной из граней уголкового отражателя, при этом управляющая система электрически соединена с источником сигналов, причем нечетные k_j электроды управляющей системы электрически соединены с заземленным электродом источника сигналов, а четные k_j+1 электроды управляющей системы электрически соединены с сигнальным электродом источника сигналов, при этом заземленный электрод источника сигналов в свою очередь соединен с одним из электродов источника опорного напряжения, при этом другой электрод источника опорного напряжения электрически соединен с электропроводящим слоем, причем оптическая система содержит последовательно расположенные на оптической оси объектив и фотодетектор, причем фотодетектор электрически соединен с первым усилителем, при этом первый усилитель электрически соединен через первый регулятор коэффициента усиления с первым блоком оцифровки сигнала, а первый блок оцифровки сигнала электрически соединен с первым цифровым вычислителем, причем электронный блок содержит второй усилитель, электрически соединенный со вторым регулятором коэффициента усиления, при этом второй регулятор коэффициента усиления электрически соединен со вторым блоком оцифровки сигнала, а второй блок оцифровки сигнала электрически соединен со вторым цифровым вычислителем.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что на поверхность прозрачного деформируемого слоя нанесен проводящий отражающий деформируемый слой, электрически соединенный с электропроводящим слоем, при этом проводящий отражающий деформируемый слой оптически контактирует с прозрачным деформируемым слоем.