УПРАВЛЯЕМАЯ ПРИЕМО-ПЕРЕДАЮЩАЯ АНТЕННА ОПТИЧЕСКОГО ДИАПАЗОНА

Полезная модель относится к области беспроводной оптической связи, в частности к оптическим управляемым излучателям.
Известно устройство, содержащее оптическую фазированную антенную решетку, содержащую пучок оптических волокон, торцы которых с одной стороны составляют плоскость фазированной антенной решетки, с другой - приемо-передающую оптическое излучение плоскость, согласующую оптическую систему для равномерного распределения оптического излучения от лазера по всей приемопередающей плоскости пучка оптических волокон; каждое волокно изолировано от обкладок других волокон, одна из обкладок «конденсатора» контактирует с соответствующим элементом на токопроводящей резине, который соединяется с соответствующим контактом на «нижней» плате, а другая контактирует с общей шиной через токопроводящую резину, где есть единый для всех «верхних» обкладок «конденсаторов» контакт (патент RU 2552142, 2015).
Недостатком устройства является большие потери мощности сигнала из-за отсутствия согласования открытого конца оптоволокна со свободным пространством.
Наиболее близким, принятым за прототип устройством, является управляемая оптическая антенна на основе ниобата лития, которая состоит из лазера, выход которого соединен со входом первого из пяти полупрозрачных зеркал, один из двух выходов каждого предыдущего зеркала соединен со входом последующего, выход последнего полупрозрачного зеркала соединен со входом абсолютно отражающего зеркала, выходы полупрозрачных зеркал и абсолютно отражающего зеркала соединены со входами оптических фазовращателей, выходы которых соединены со входами фокусирующей оптической системы (Вытовтов К.Α., Барабанова Е.А., Игумнов М.А. Физические основы управляемой оптической антенны на основе ниобата лития // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Управление, вычислительная техника и информатика. - 2019. №3. - с. 44-52).
Однако, известное устройство не имеет приемника оптического сигнала и может быть использовано только как передающее устройство в симплексных системах беспроводной оптической связи.
Техническая задача - создание приемо-передающего устройства оптического диапазона с электрическим способом управления диаграммой направленности на основе ниобата лития.
Технический результат - повышение функциональных возможностей устройства в оптическом диапазоне с электрическим способом управления диаграммой направленности путем усовершенствования конструкции управляемой оптической антенны.
Он достигается тем, что известное устройство, состоящее из лазера, выход которого соединен со входом первого из пяти полупрозрачных зеркал, один из двух выходов каждого предыдущего зеркала соединен со входом последующего, выход последнего полупрозрачного зеркала соединен со входом абсолютно отражающего зеркала, выходы полупрозрачных зеркал и абсолютно отражающего зеркала соединены со входами оптических фазовращателей, выходы которых соединены со входами фокусирующей оптической системы, дополнительно имеет шесть оптических циркуляторов с тремя входами, шесть оптических фазовращателей, пять полупрозрачных зеркал, абсолютно отражающее зеркало и фотоприемник, установленных между фокусирующей оптической системой и оптическими фазовращателями, вход фотоприемника соединен с выходом первого из пяти дополнительных полупрозрачных зеркал, выходы второго, третьего и четвертого из дополнительных полупрозрачных зеркал соединены со входами предыдущего, выход абсолютно отражающего зеркала соединен со входом пятого полупрозрачного зеркала, входы полупрозрачных зеркал и абсолютно отражающего зеркала соединены с выходами дополнительных оптических фазовращателей, входы которых соединены с первыми входами оптических циркуляторов, вторые входы которых соединены с выходами оптических фазовращателей, третьи входы оптических циркуляторов соединены с выходами фокусирующей оптической системы, на выходе которой установлена двумерная дифракционная решетка с круглыми отверстиями.
Оптический циркулятор позволяет подключить одновременно лазер, фотоприемник и фокусирующую оптическую систему, а фотоприемник преобразует оптический сигнал в электрический для его дальнейшей обработки в устройстве обработки информации, что повышает функциональные возможности управляемой оптической антенны и дает возможность как передавать, так и принимать оптические сигналы. Двумерная дифракционная решетка с круглыми отверстиями позволяет сформировать требуемую диаграмму направленности.
Предлагаемое устройство схематично изображено на чертеже (фиг. 1 - структурная схема фазированной антенной решетки оптического диапазона, фиг. 2 - схематичный фрагмент фазовращателя из ниобата лития, фиг. 3 - двумерная дифракционная решетка с круглыми отверстиями, 3D изображение)
Устройство содержит лазер 1, выход которого соединен со входом первого полупрозрачного зеркала 2, один из двух выходов каждого предыдущего зеркала 2, 3, 4, 5 соединен со входом последующего, выход полупрозрачного зеркала 6 соединен со входом абсолютно отражающего зеркала 7, вторые выходы полупрозрачных зеркал 2, 3, 4, 5, 6 и абсолютно отражающего зеркала 7 соединены со входами оптических фазовращателей 8-13, выходы которых соединены со вторыми входами оптических циркуляторов 14-19, первые входы которых соединены со входами оптических фазовращателей 20-25, выходы которых соединены со входами полупрозрачных зеркал 26-30 и абсолютно отражающего зеркала 31, один из входов полупрозрачных зеркал 26-30 соединен с выходами предыдущих полупрозрачных зеркал 26-30 и абсолютно отражающего зеркала 31, выход полупрозрачного зеркала 26 соединен со входом фотоприемника 32, третьи входы оптических циркуляторов 14-19 соединены со входами фокусирующей оптической системы 33, каждый из оптических фазовращателей 8-13 и 20-25 состоит из двух электродов 34 и 35 с заполнением из ниобата лития 36, на выходе фокусирующей системы установлена двумерная дифракционная решетка с круглыми отверстиями 37.
Устройство работает следующим образом. При работе на излучение оптический сигнал на длине волны 530 нм от лазера 1 поступает на систему из полупрозрачных зеркал 2-6 с коэффициентом отражения по мощности обратно пропорциональному количеству выходов управляемой приемо-передающей антенны. Система полупрозрачных зеркал 2-6 и абсолютно отражающего зеркала 7 делит мощность лазера 1 на равные части для последующей ее передачи на соответствующие оптические фазовращатели 8-13. Зеркала 2-7 имеют малые потери и слабую частотную дисперсию в рабочем диапазоне частот 530 ± 50 нм. Они выполнены из неоднородных, слоистых, диэлектрических структур, в частности фотонных кристаллов.
Оптические фазовращатели 8-13 компенсируют набег фаз за счет разности хода лучей по различным Nпутям и вносят дополнительное смещение фаз для управления направлением главного лепестка диаграммы направленности антенны.
Фокусирующая оптическая система трансформирует лучи из фазовращателя таким образом, чтобы расстояние между исходящими лучами составляло половину длины волны. Кроме того, выходные лучи должны быть параллельны друг другу. В данном случае применяется многоступенчатая система, каждый этап которой уменьшает расстояние между ними примерно в 5 раз, таким образом можно получить любое расстояние между выходными лучами.
Изменение электрического поля в результате приложенного к электродам 34 и 35 напряжениям приводит к изменению диэлектрической проницаемости, а значит и коэффициента преломления слоя ниобата лития 36. Это, в свою очередь, приводит к изменению фазы оптического сигнала на выходе оптического фазовращателя.
Далее сигнал поступает на оптические циркуляторы 14-19, которые служат для развязки передаваемого и принимаемого сигналов. При поступлении сигнала на вторые входы оптических циркуляторов оптический сигнал появляется только на его третьем входе и поступает на фокусирующую систему 33. При поступлении принимаемого сигнала с фокусирующей системы 33 на третьи входы оптического циркулятора он появляется только на первом его входе и поступает в приемный тракт.
При работе на прием происходит обратный процесс, и фокусирующая оптическая система производит пространственное разделение принимаемых лучей, которые с выхода этой системы поступают на входы оптических фазовращателей приемного тракта. Разделение передаваемых и принимаемых сигналов в данной системе производится по двум ортогональным поляризациям, что обеспечивает работу устройства на прием и передачу одновременно. С выходов оптических фазовращателей 20-25 оптический сигнал поступает на вход абсолютно отражающего зеркала 31 и систему полупрозрачных зеркал 26-30, затем на вход фотоприемника 32, где происходит преобразование оптического сигнала в напряжение, подаваемое на вход системы управления и обработки информацией.
Для формирования требуемой диаграммы направленности на выходе фокусирующей системы 33 установлена двумерная дифракционная решетка с круглыми отверстиями 37.
Положительный эффект - предлагаемое устройство позволяет повысить функциональные возможности устройств в оптическом диапазоне с электрическим способом управления диаграммой направленности путем усовершенствования конструкции управляемой оптической антенны и может быть использовано в дуплексных системах беспроводной оптической связи.