Система открытой оптической связи

Система открытой оптической связи
Полезная модель относится к системам открытой оптической связи и может быть использована для двусторонней передачи информации между удаленными друг от друга объектами без использования проводов и/или оптических волокон, в том числе при большом числе объектов, участвующих в обмене информацией, например при организации обмена по схеме точка-многоточка, то есть при двустороннем обмене информацией между одной базовой станцией и несколькими абонентскими станциями.
Известно двунаправленное волоконно-оптическое устройство связи, содержащее волоконный световод и расположенные на его концах два приемопередатчика, каждый из которых включает в себя источник светового излучения, фотодетектор и оптический блок формирования и разделения каналов приема и передачи, причем источник и фото детектор имеют одинаковую рабочую длину волны излучения. Излучение источника, несущее передаваемую информацию, коллимируется первой линзой в параллельный световой пучок и далее фокусируется центральной зоной второй линзы, равной по диаметру первой линзе, на центр торца волоконно-оптической линии передачи в световое пятно, диаметром значительно меньшим диаметра этого торца. Принимаемое излучение, несущее информацию с другого конца линии передачи, со всей поверхности торца коллимируется линзой в параллельный световой пучок, большая часть которого, попадая на кольцевой торец волоконног о о г ( о ,9 . 1
10/00 Н04В 10/10
оптического коллектора, переносится отдельными световыми волокнами к другому торцу коллектора, оптически связанному с фотодетектором. Склеенные вместе линзы и коллектор образуют монолитное устройство разделения каналов приема и передачи (см. SU № 1578675, 1990 /1/). Недостатком известного устройства является сложность его конструкции, заключающаяся в необходимости склеивания линз, прокладки жгутов световодов, их юстировка. Кроме того, известное устройство не обеспечивает передачу информации через атмосферу.
Известна система открытой оптической связи, содержащая приемопередающие терминалы, каждый из которых содержит приемную антенну, соединенную оптоволокном с фото детектором, и передающую антенну, связанную оптоволокном с излучателем (см. US № 6239888,2001 /2/). Недостатком известной системы является относительная сложность ее конструкции, обусловленная тем, что каждый терминал содержит по две антенны - приемную и передающую, а кроме того, параметры системы не оптимизированы, что приводит к большим энергопотерям и вынуждает использовать дорогостоящее светоусиливающее волокно, легированное эрбием.
Наиболее близким к заявляемому по своей технической сущности и достигаемому результату является известная система открытой оптической связи, известная из US № 6348986, 2002 /3/. Известная система характеризуется тем, что ее приемопередающий терминал содержит приемопередающую оптическую антенну, которая с помощью световодов и светоделителей светового луча оптически связана с приемной и передающей частями терминала.
Недостатком известной системы является отсутствие оптимизации ее параметров, что ведет к неоправданным энергопотерям и, как следствие, требует повышения мощности лазеров, используемых в качестве излучателей передатчиков, что зачастую невозможно сделать из-за ограничений на мощность, накладываемых порогом повреждения глаз обслуживающего персонала.
Заявляемая система открытой оптической связи направлена на оптимизацию ее параметров, обеспечивающую снижение энергопотерь, увеличение дальности связи и/или снижение мощности излучателей, требуемой для нормального функционирования системы.
Указанный результат достигается тем, что приемопередающий терминал системы открытой оптической связи содержит приемопередающую оптическую антенну и снабженное фотодетектором и излучателем приемопередающее устройство, апертура которого размещена относительно антенны в области, оптически сопряженной антенне второго терминала, расположенного на противоположном конце линии открытой оптической связи, причем параметры системы выбраны, исходя из следующих условий:
d/F  D/L (1)
(2)
(3)
D  5 (4)
d - диаметр апертуры приемопередающего устройства, м; F - фокусное расстояние антенны первого терминала, м; L - расстояние от антенны первого терминала до антенны второго терминала, м; D - заданный диаметр светового пучка, идущего от первого терминала, в
плоскости антенны второго терминала, м;
р - поперечный размер аппаратной функции антенны первого терминала в области, где размещается апертура приемопередающего устройства, м; V - поперечный размер области, в пределах которой в течение сеанса
связи может перемещаться любая точка построенного антенной первого терминала изображения антенны второго терминала; б - поперечный размер области в плоскости антенны второго терминала, в которой в течение сеанса связи сосредоточено излучение точечного источника, светящего из апертуры приемопередающего устройства .
Указанный результат достигается также тем, что угловая апертура антенны первого терминала удовлетворяет условию: где: А - угловая апертура антенны, рад;
ф - ширина углового спектра излучения, выходящего из приемопередающего устройства в направлении антенны, рад.
Указанный результат достигается также тем, что апертура антенны второго терминала удовлетворяет условию:
В - диаметр апертуры антенны второго терминала, м;
А, - длина волны излучения, идущего от антенны первого терминала к
антенне второго, м; Q - диаметр пучка этого излучения на выходе антенны первого
терминала, м.
Указанный результат достигается также тем, что приемопередающее устройство выполнено в виде коллиматора, одна апертура которого оптически связана с антенной, а вторая - обращена к светоделителю, обеспечивающему ее оптическую связь с фотодетектором и излучателем.
А ф Q
Указанный результат достигается также тем, что приемопередающее устройство выполнено в виде отрезка многомодового световода, одна апертура которого оптически связана с антенной, а вторая - обращена к светоделителю, обеспечивающему ее оптическую связь с фотодетектором и излучателем.
Указанный результат достигается также тем, что приемопередающее устройство выполнено в виде оптоэлектронного прибора, соединяющего в себе функции фото детектора и излучателя.
Указанный результат достигается также тем, что апертуры приемопередающих устройств в первом и втором терминалах, оптически сопряжены относительно антенн этих терминалов.
Выполнение приемопередающего устройства с апертурой, общей для фотодетектора и излучателя, позволяет легко юстировать систему перемещением этой общей апертуры в оптимальное положение относительно антенны.
Размещение апертуры приемопередающего устройства относительно антенны в области, оптически сопряженной антенне второго терминала, расположенного на противоположном конце линии открытой оптической связи, позволяет минимизировать потери попадающего на антенну первого терминала излучения, передаваемого вторым терминалом.
Повышение эффективности работы системы достигается одновременным выполнением следующих условий.
Для того чтобы пучок, передаваемый от первого терминала, имел заданный диаметр в месте нахождения антенны второго терминала, а принимаемое в первом терминале излучение полностью попадало в апертуру приемопередающего устройства, параметры системы должны удовлетворять условиям (1), (2), (3).
При выполнении первого условия в месте нахождения антенны второго терминала строится изображение апертуры приемопередающего устройства с заданным размером D, что обеспечивает концентрацию передаваемого излучения в пределах этого диаметра. Здесь и в дальнейшем предполагается F « L, что всегда реализуется на практике.
Выполнение второго и третьего условий необходимо для того, чтобы размазанность пятна, в которое антенна первого терминала концентрирует принимаемый свет, а также возможные перемещения этого пятна относительно апертуры приемопередающего устройства, вызванные нестабильностью положения различных оптических элементов, не приводили к уменьщению количества света, попадающего в укач
занную апертуру.
Кроме того, необходимо, чтобы диаметр светового пучка в месте нахождения антенны второго терминала превышал поперечный размер области, в которой в течение сеанса связи сосредоточено излучение точечного источника, светящего из апертуры приемопередающего устройства.
Минимальный размер указанной области определяется размером пятна, в которое превращается излучение точки, светящей из апертуры приемопередающего устройства после прохождения этим излучением всех оптических элементов, находящихся на трассе распространения, включая антенну с ее неизбежными аберрациями, атмосферу с оптическими неоднородностями, вызванными турбулентностью воздуха, оконные стекла на пути излучения и т.п. При выполнении условия (4) засветка антенны второго терминала является в среднем однородной, что повышает надежность и дальность связи (см., например, описание к Свидетельству РФ на полезную модель № 22279, 2001 /4/ или Рагульский В.В., Сидорович В.Г. Прохождение света, излучаемого протяженным 6
-Аш.
источником, сквозь оптически неоднородную среду. ДАН, 2002, т.384, № 1 /5/). Кроме того, указанное выше пятно, вообще говоря, перемещается в плоскости антенны второго терминала вследствие нестабильности диаграммы направленности антенны первого терминала, что приводит к увеличению размера области, в которой сосредоточено излучение. При выполнении условия (4) в течение всего сеанса связи антенна второго терминала находится в поле излучения, идущего от первого терминала, что повышает надежность связи. Для максимально полного использования света, испускаемого излучателем, необходимо, чтобы антенна концентрировала весь свет, выходящий из апертуры приемопередающего устройства, что достигается при выполнении условия А  ф. При использовании когерентного источника излучения пятно света у антенны второго терминала имеет спекл-неоднородности, которые не влияют на мощность сигнала, попадающего на фотодетектор, если выполнено условие В -L. При выполнении этого условия большое количество неоднородностей попадает в антенну, и неоднородности усредняются (см. /4,5/). Выполнение в частном случае приемопередающего устройства в виде коллиматора, одна апертура которого оптически связана с антенной, а вторая - обращена к светоделителю, обеспечивающему ее оптическую связь с фотодетектором и излучателем, позволяет подбором линз коллиматора оптимизировать ширину углового спектра и диаметр светового пучка, выходящего из апертуры коллиматора. Например, таким образом можно добиваться согласования ширины углового спектра пучка с угловой апертурой антенны.
Кроме того, так как между линзами коллиматора пучок является близким к параллельному, то между линзами можно помещать вспомогательные элементы, оптимально функционирующие в параллельных пучках (например, интерференционные фильтры).
Когда же приемопередающее устройство выполнено в виде отрезка многомодового световода, одна апертура которого оптически связана с антенной, а вторая - обращена к светоделителю, обеспечивающему ее оптическую связь с фотодетектором и излучателем, то возникает другое преимущество - фотодетектор и излучатель могут быть размещены на значительном удалении от антенны, а также упрощается их юстировка.. Кроме того, в виду малых диаметров световодов, в этом случае в фокальной области антенны можно разместить большое число апертур приемопередающих устройств. Это позволяет увеличить число обслуживаемых абонентов, что существенно снижает стоимость системы в расчете на одну линию связи.
Наиболее простая конструкция системы получается, если приемопередающее устройство выполнено в виде оптоэлектронного прибора, соединяющего в себе функции фотодетектора и излучателя. В этом случае отсутствует необходимость в светоделителях.
Сущность заявляемой системы связи поясняется примерами ее реализации и чертежами. На фиг. 1 схематично показан вариант реализации приемопередающего терминала с приемопередающим устройством в виде коллиматора со светоделителем, фотодетектором и излучателем; на фиг.2 - вариант с приемопередающим устройством в виде отрезка многомодового световода со светоделителем, фотодетектором и излучателем; на фиг.З - вариант реализации с приемопередающим устройством, выполненным в виде оптоэлектронного прибора, например, диода, соединяющего в себе функции фото детектора и излучателя. в первом варианте реализации система открытой оптической связи содержит приемопередающую оптическую антенну 1, выбранную из числа известных. Вблизи антенны размещено приемопередающее устройство, содержащее коллиматор 2, светоделитель 3, излучатель 4, фотодетектор 5. Все указанные элементы также выбираются из числа известных. Например, в качестве светоделителя может применяться полупрозрачное зеркало или светоделительный кубик или интерференционный светофильтр (если используются различные длины волн на прием и передачу). В качестве излучателя может быть, например, использован лазер или светодиод. Соответственно, фотодетектор и излучатель обеспечены необходимыми известными электронными средствами питания, модуляции и демодуляции, обеспечивающими полноценное функционирование приемной и передающей частей системы. (На чертежах они не показаны в силу известности и как не относящиеся к сущности предлагаемого технического решения.) Апертура коллиматора, обращенная к антенне, размещена относительно антенны в области, оптически сопряженной антенне второго терминала, а параметры системы выбраны с соблюдением условий, приведенных в формуле изобретения. Во втором варианте реализации вместо коллиматора используется отрезок многомодового световода 6, а роль светоделителя выполняют его ответвления (фиг.2), которые могут быть либо одинакового, либо отличающегося друг от друга диаметра (возможно также использование светоделителей, описанных в предыдущем варианте). Апертурой приемопередающего устройства в данном случае является торец световода 6. В третьем варианте апертурой приемопередающего устройства служит обращенная к антенне апертура оптоэлектронного прибора, соединяющего в себе функции фотодетектора и излучателя. Такие приборы известны из уровня техники и применяются в области оптической связи (см. Ю.А.Виноградов. Радиолюбителю - конструктору. М., ДМК,
1999, с. 163-166 /6/ или В.Поляков. Светотелефон на ИК лучах. Журнал Радио, 1984, № 12, с.33-36 /7/, где в качестве указанного прибора использованы промышленные полупроводниковые диоды).
Все представленные варианты системы оптической связи функционируют одинаково. При работе на передачу промодулированный соответствующим образом световой пучок от излучателя 4 или 7 либо напрямую (фиг.З), либо через светоделитель 3 и, соответственно, через коллиматор 2, либо через отрезок световода 6, а затем через приемопередающую антенну 1 направляется на второй терминал.
При работе на прием поступивщее на приемопередающую антенну 1 световое излучение, идущее от второго терминала, концентрируется на входной апертуре приемопередающего устройства, т.е. либо на обращенной к антенне апертуре коллиматора 2 либо на торце световода 6, либо на апертуре оптоэлектронного прибора 7. После попадания на фотодетектор принятое излучение преобразуется в электрический сигнал и демодулируется.
При этом, если соблюдены условия выбора параметров системы, то обеспечивается снижение энергопотерь при передаче полезного сигнала от передатчика к приемнику. За счет этого снижаются требования к мощности используемых источников света, обеспечивающих необходимую надежность и дальность связи, что, в свою очередь снижает стоимость системы связи в целом. Кроме того, снижение мощности используемых излучателей повыщает безопасность системы, так как плотность излучения в пучке оказывается дальще отстоящей от пределов, опасных для человеческого глаза.