Устройство для приема и передачи оптического сигнала частоты с компенсацией фазовых шумов

Полезная модель относится к оптическому приборостроению и может быть использована в схемах лазерных локаторов для дистанционного зондирования окружающей среды, передачи и приема высокоточных сигналов оптической частоты, сличение двух оптических осцилляторов, когда сигнал осциллятора направляется по оптическому каналу удаленному устройству, которое гетеродинирует этот сигнал и отравляет обратно для сличения с исходным сигналом, и для других практических приложений.
Известно устройство [RU 116245 U1, G01S 17/88, 20.05.2012], содержащее импульсный лазер для генерирования зондирующего пучка излучения, выводящую оптическую систему с неподвижным плоским отклоняющим зеркалом, расположенным на оптической оси принимающего рассеянное излучение телескопа в плоскости его входного отверстия, и связанный с импульсным лазером электронный блок обработки данных и управления, к которому подключен размещенный в фокусе принимающего рассеянное излучение телескопа фотодетектор, причем импульсный лазер выполнен с возможностью формирования зондирующего пучка излучения узким, в выводящую оптическую систему введено образующее с неподвижным плоским отклоняющим зеркалом перископ подвижное плоское отклоняющее зеркало, размещенное на оптической оси импульсного лазера и выполненное с возможностью перенаправления зондирующего пучка излучения на неподвижное плоское отклоняющее зеркало посредством поворотного механизма, связанного с электронным блоком обработки данных и управления, а расстояние между центрами подвижного и неподвижного плоских отклоняющих зеркал выбрано не менее чем в четыре раза превышающим масштаб Френеля.
Это устройство обладает относительно низкой чувствительностью ввиду последовательного проведения измерений, что приводит, в частности, к не учитываемым временным фазовым шумам, вносимых линией передачи.
Кроме того, известно устройство [RU 153460 U1, G01S 17/95, 20.07.2015], обладающее афокальным приемо-передающим телескопом, в котором с помощью светоделительной пластинки узкий пучок направляется в окружающую среду и затем производится одновременная регистрация рассеянной мощности строго назад на оси зондирующего пучка и на расстоянии не менее шести зон Френеля от оси телескопа.
Недостатком данного устройства является относительно низкая чувствительность, поскольку полное пропускание такого устройства в лучшем случае составляет всего одну четверть от номинального. Это связано с тем, что только половина мощности лазерного излучения отражается от светоделительной пластинки и посылается в окружающую среду только половина приходящей обратно рассеянной мощности проходит сквозь светоделительную пластинку и регистрируется фотоприемником.
Наиболее близким по технической сущности к предложенному является устройство [RU 153460 U1, G01S 17/95, 20.07.2015], включающее лазер для генерации световых импульсов, линзовый коллиматор для формирования узкого зондирующего пучка, антенный переключатель для точного совмещения оптических осей передающего и принимающих каналов, приемо-передающий афокальный зеркальный телескоп, двойную апертурную диафрагму, формирователь угла поля зрения приемников, интерференционный фильтр и два фотодетектора, систему регистрации и компьютер, при этом в качестве антенного переключателя применяется поляризационный светоделительный куб, через который вся мощность линейно-поляризованного лазерного излучения направляется на деполяризатор и через телескоп - в окружающую среду.
Недостатком устройства являются высокая чувствительность к вибрационным воздействиям на устройство и флуктуациям окружающей среды, вносящим в сигнал фазовые шумы.
Задачей, которую решает данная полезная модель, является создание устройства для одновременной передачи оптического сигнала частоты к удаленному оптическому осциллятору и приема аналогичного сигнала от него с компенсацией фазовых шумов, вносимых оптоволоконным или атмосферным каналом связи и вибрационными воздействиями.
Требуемый технический результат заключается в повышении помехоустойчивости устройства.
Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается тем, что в устройство, содержащее приемо-передающий оптический блок, содержащий первый и второй фотодетекторы и выполненный с возможностью подачи в него сигнала оптической частоты и передачи оптического сигнала в оптический канал и приема оптического сигнала из оптического канала, согласно полезной модели, введен электронный модуль, выполненный с возможностью подачи в него опорного сигнала и содержащий последовательно соединенные переключатель, делитель частоты, фазовый детектор, другой вход которого является входом опорного сигнала, пропорционально-интегральный усилитель и генератор управляемый напряжением, выход которого соединен с первым входом переключателя, а в приемо-передающий оптический блок введены последовательно соединенные первый делитель мощности, вход которого является входом сигнала оптической частоты, второй делитель частоты, оптический циркулятор и первый акустооптический модулятор, управляющий вход которого соединен с выходом генератора управляемого напряжением электронного модуля, а выход является выходом оптического сигнала в оптический канал, третий делитель мощности, первый и второй входы которого соединены с со вторыми выходами второго делителя мощности и оптического циркулятора, соответственно, а выход соединен с входом первого фотодетектора, выход которого соединен со вторым входом переключателя электронного модуля, последовательно соединенные второй акустооптический модулятор, вход которого является входом оптического сигнала из оптического канала, контроллер поляризации и четвертый делитель мощности, а также пятый делитель мощности, первый вход которого соединен с выходом четвертого делителя мощности, второй вход которого соединен со вторым выходом первого делителя мощности, а выход - соединен с входом второго фотодетектора, и фарадеевское зеркало, соединенное со вторым выходом четвертого делителя мощности. На чертеже представлены:
на фиг. 1 - функциональная схема устройства для приема и передачи оптического сигнала частоты с компенсацией фазовых шумов;
на фиг. 2 - конструкция устройства для приема и передачи оптического сигнала частоты с компенсацией фазовых шумов.
Устройство для приема и передачи оптического сигнала частоты с компенсацией фазовых шумов (фиг. 1) содержит приемо-передающий оптический блок 1, содержащий первый 2 и второй 3 фотодетекторы.
Входящий в устройство приемо-передающий оптический блок 1 выполнен с возможностью подачи в него сигнала 4 оптической частоты, а также и передачи оптического сигнала в оптический канал и приема оптического сигнала из оптического канала.
Устройство содержит также электронный модуль 5, выполненный с возможностью подачи в него опорного сигнала и содержащий последовательно соединенные переключатель 6, делитель 7 частоты, фазовый детектор 8, другой вход которого является входом опорного сигнала, пропорционально-интегральный усилитель 9 и генератор 10, управляемый напряжением, выход которого соединен с первым входом переключателя 6.
Приемо-передающий оптический блок содержит последовательно соединенные первый делитель 11 мощности, вход которого является входом сигнала оптической частоты, второй делитель 12 частоты, оптический циркулятор 13 и первый акустооптический модулятор 14, управляющий вход которого соединен с выходом генератора 10 управляемого напряжением электронного модуля 5, а выход является выходом оптического сигнала в оптический канал.
Кроме того, приемо-передающий блок содержит третий делитель 15 мощности, первый и второй входы которого соединены со вторыми выходами второго делителя 12 мощности и оптического циркулятора 13, соответственно, а выход соединен с входом первого фото детектора 2, выход которого соединен со вторым входом переключателя 6 электронного модуля.
Приемо-передающий блок содержит также последовательно соединенные второй акустооптический модулятор 16, вход которого является входом оптического сигнала из оптического канала, контроллер 17 поляризации и четвертый делитель 18 мощности, а также пятый делитель 19 мощности, первый вход которого соединен с выходом четвертого делителя 18 мощности, второй вход которого соединен со вторым выходом первого делителя 11 мощности, а выход - соединен с входом второго фотодетектора 3 и фарадеевское зеркало 20, соединенное со вторым выходом четвертого делителя 18 мощности.
Конструкция устройства для приема и передачи оптического сигнала частоты с компенсацией фазовых шумов (фиг. 2) предполагает наличие внешний корпуса 21, внутренний корпуса 22, виброизоляции 23, элемента Пелетье 24, термистора 25 и оптоволоконных разъемов FC/APC 26.
Устройства для приема и передачи оптического сигнала частоты с компенсацией фазовых шумов работает следующим образом.
Устройство состоит из приемо-передающего оптического блока и электронного модуля 5.
1
Сигнал на частоте f, управляющий первым акустооптическим модулятором 14, создается генератор управляемым напряжением 10. Управление его частотой выполняется системой фазовой автоподстройки частоты на основе фазового детектора 8. На него подается опорный сигнал на частоте 10 МГц, к которому привязывается либо сигнал генератор управляемым напряжением 10 (в режиме разомкнутой петли обратной связи), либо сигнал с выхода первого фотодетектора 2 (в режиме замкнутой петли).
Передаваемый оптический сигнал оптической частоты 4 разветвляется первым делителем 11 мощности (оптоволоконным делителем) в соотношении 9/1 (на передачу/в опорное плечо для анализа стабильности поступившего из оптического канала оптического).
1
Кроме того, еще 10% излучения вторым делителем 12 отделяются в опорное плечо системы детектирования шумов канала. Затем передаваемое излучение (сигнал 4 оптической частоты) направляется через оптический циркулятор 13 в первый акустооптический модулятор 14, который смещает частоту излучения на частоту f (~100 МГц), после чего излучение отправляется в оптический канал.
2
1
2
При приеме оптического сигнал он проходит через второй акустооптический модулятор 16, работающий на частоте f (около ~80 МГц), контроллер 17 поляризации и направляется в четвертый делитель 18, отщепляющий 90% излучения, который отражаются фарадеевским зеркалом 20 обратно в канал. При этом поляризация излучения поворачивается на 90°, что позволяет компенсировать флуктуации поляризации в канале. Остальные 10% излучения совмещаются на пятом делителе 19 с опорным плечом в отношении 50/50, и направляются на второй фотодетектор 3, где, наблюдая биения на частоте f+f, можно анализировать стабильность поступившего из оптического канала излучения. Максимизировать сигнал биений можно при помощи контроллера 17 поляризации.
1
2
На стороне отправителя оптического сигнала вернувшийся из оптического канала отраженное излучение проходит первый акустооптический модулятор 14 еще раз, выходит из другого порта циркулятора 13 и аналогично совмещается с опорным плечом в первом фотодетекторе 2. Здесь биения наблюдаются на частоте 2(f+f). Сигнал с выхода первого фотодетектора 2 используется для формирования сигнала обратной связи, подаваемого на первый акустооптический модулятор 14 для компенсации шумов оптического канала.
Помимо канала шумы в наблюдаемые сигналы биений могут вноситься элементами конструкции устройства. Эти шумы два раза в различных направлениях детектируются фотодетектором первым фотодетектором 2 ФД1 и, таким образом, компенсируются.
Кроме того, шумы, которые вносятся элементами конструкции устройства, компенсируются тем, что само устройство заключено в алюминиевый внешний корпус 21, например, с размером 222×146×55 мм, и внутренний корпус 22, например размером 275×175×65 мм, а пространство между корпусами заполнено виброизоляцией 23 (виброизолирующим материалом) за исключением участка поверхности, обеспечивающего тепловой контакт двух корпусов через элемент Пелетье 24. Температура измеряется термистором 25 с номинальным сопротивлением 10 кОм и стабилизируется при помощи элемента Пелетье 24. Ввод и вывод излучения из корпуса осуществляется через оптоволоконные разъемы FC/APC 26.
Таким образом, благодаря усовершенствованию известного устройства, достигается требуемый технический результат, который заключается в повышении помехоустойчивости устройства за счет обеспечения компенсации шумов канала.