СИСТЕМА ОПТИЧЕСКОЙ СВЯЗИ

Система оптической связи
Полезная модель относится к области открытой оптической связи. В системах, осуществляющих такую связь, световое излучение от передающей станции к приемной распространяется по следующим звеньям: источник излучения, промодулированный передаваемым сигналом, устройство, формирующее из этого излучения пучок, направляемый на оптическую антенну приемной станции, удаленной от передающей станции, и фотодетектор приемной станции, преобразующий принятое излучение в электрический сигнал.
При прочих равных условиях величина потерь мощности излучения на указанной выше трассе зависит от оптического качества всех объектов, сквозь которые проходит излучение. А именно, от аберраций оптических элементов, например, объектива устройства, формирующего пучок, и оконных стекол, от капель дождя на этих стеклах, от локальных вариаций показателя преломления воздуха на трассе, которые обусловлены его турбулентностью, и т.д.
В результате искажений волнового фронта пучка на указанных аберрациях и оптических неоднородностях распределение интенсивности в поперечном сечении этого пучка становится неоднородным, и в нем появляются минимумы, в которых интенсивность может оказаться существенно ниже средней по сечению. Поскольку указанное распределение интенсивности, вообще говоря, нестационарно, то наличие таких минимумов может приводить к существенным флуктуациям мощности света, попадающего в апертуру приемной антенны, в том числе, к падению этой мощности ниже порогового значения, необходимого для регйМПКН04В 10/10
страции передаваемого сигнала. В результате связь становится менее надежной и даже может вообще прекращаться.
В принципе, этот эффект можно скомпенсировать многократным повышением мощности излучения в сигнальном пучке, формируемом на передающей станции. Но такое увеличение является непрактичным по техническим соображениям и по соображениям общей стоимости системы. Другой путь - многократное увеличение размера апертуры оптической антенны, что далеко не всегда возможно.
Известна система оптической связи (см. US № 5,966,229, НКИ 359/187, 1999 1), особенность конструкции которой заключается в том, что свет от источника оптического излучения передающей станции расщепляют на два световых пучка, один из которых направляют на приемную антенну приемной станции, а второй, пропустив через небольшой участок открытого пространства, направляют на приемник, установленный на передающей станции. Сигнал с этого приемника свидетельствует о состоянии атмосферы между передающей и приемной станциями.
Например, если сигнал по величине постоянен или, по крайней мере, его мощность находится в заданных пределах, то это свидетельствует о хорошей прозрачности и оптической однородности атмосферы и о возможности устойчивой связи. Если сигнал уменьшается, то это свидетельствует об ухудшении состояния атмосферы и, соответственно, качества связи. В этом случае блок анализа сигнала, поступающего с приемника, установив такое ослабление сигнала, выдает команду на повышение выходной мощности излучателя для восстановления требуемого качества связи. Недостатком данного способа является то, что в случае возникновения значительных потерь на трассе светового пучка, связь прерывается, и увеличение в разумных пределах мощности излучателя не может устранить это явление.
Известна система оптической связи, более устойчивая к оптическим неоднодностям на атмосферной трассе (см. US № 6,243,182, 1ЖИ 359/171, 2001 2. В известном устройстве от излучателя передающей станции направляют в сторону приемной станции (абонента) широкорасходящийся пучок, который попадает на две приемных апертуры приемного устройства абонента, при этом апертуры разнесены на некоторое расстояние друг от друга. Соответственно, улавливаемые апертурами световые потоки с помощью собирающей оптики направляются на два фотодетектора, а от них сигналы поступают на общий канал обработки.
Недостатком известного устройства являются большие потери энергии на передачу. Это объясняется тем, что в устройстве используется расходящийся пучок, покрывающий обе апертуры, и только малая его часть попадает на каждую из апертур.
Наиболее близкой к заявляемой по своей технической сущности и достигаемому результату является система открытой оптической связи, известная из US № 5,777,768,1ЖИ 359/172, 1998 3 и реализующая способ борьбы со сцинтилляциями принимаемой мощности, вызванными турбулентностью атмосферы. Особенность устройства заключается в том, что на передающей станции устанавливается несколько устройств формирования светового пучка, которые создают несколько отдельных параллельных между собой пучков, направленных в сторону приемной антенны. Расстояния между этими пучками выбирают больше характерного размера турбулентных неоднородностей атмосферы ( 10 см), что приводит к некоррелированности обусловленных турбулентностью пространственных распределений света в разных пучках и, как следствие, к снижению контраста сцинтилляций в области перекрытия таких некоррелированных пучков.
ройств. Кроме того, в указанном способе неизбежны большие энергопотери света. Это обусловлено тем, что требуемого здесь перекрытия пучков, имеющих параллельные между собой оси, можно достичь только при достаточно большой расходимости этих пучков. Увеличение же расходимости приводит к снижению доли мош;ности, попадаюш;ей в апертуру антенны приемной станции.
Заявляемая в качестве полезной модели система оптической связи направлена на обеспечение увеличения надежности связи, уменьшение стоимости аппаратуры и уменьшение ее габаритов.
Указанный результат достигается тем, что система оптической связи содержит источник оптического излучения со средствами модуляции, устройство формирования направленного светового пучка, приемную оптическую антенну и фотодетектор со средствами демодуляции, при этом параметры источника оптического излучения и устройства формирования направленного светового пучка выбраны из условий:
d  P-F/L и df  d где d - световой диаметр источника излучения, м;
Р - диаметр пятна рассеяния, сформированного в плоскости апертуры приемной оптической антенны, светящейся точкой, находящейся на поверхности источника излучения, м; F - фокусное расстояние устройства формирования направленного
пучка, м; L - расстояние от устройства формирования направленного пучка
до оптической антенны, м;
df - пространственное разрешение устройства формирования направленного пучка по отношению к объектам, расположенным в окрестности фокальной поверхности этого устройства, м. Указанный результат достигается также тем, что источник оптического излучения выполнен в виде выходного торца световода.
42./  ГЛЛ
Указанный результат достигается также тем, что источник оптического излучения выполнен с числовой апертурой, удовлетворяющей условию:
NA  X,-L/D-F
где NA - числовая апертура источника оптического излучения; k - длина волны этого излучения, м; L - расстояние от устройства формирования направленного пучка
до оптической антенны, м; D - диаметр апертуры оптической антенны, м; F - фокусное расстояние устройства формирования направленного пучка, м.
Отличительными признаками заявляемой полезной модели являются:
-выбор параметров источника оптического излучения и устройства формирования направленного светового пучка из условий: d P-F/L и
- выполнение источника оптического излучения в виде выходного торца световода;
-выполнение источника оптического излучения с числовой апертурой, удовлетворяющей условию: NA  A.-L/D-F.
Выбор параметров источника оптического излучения и устройства формирования направленного светового пучка обеспечивает снижение контраста обусловленной оптическими аберрациями и неоднородностями показателя преломления на трассе пространственной неоднородности принимаемого антенной светового излучения, и, как следствие, существенное снижение дисперсии мощности принимаемого фотодетектором сигнала.
пятно рассеяния, имеющее диаметр Р и, вообще говоря, неоднородное распределение интенсивности. Численная величина Р и другие характеристики этого распределения зависят от аберраций формирующего устройства, а также аберраций на трассе распространения пучка от передающей станции к абоненту.
Две светящиеся точки, расположенные у краев источника на расстоянии d друг от друга и оптически разрешаемые устройством, формирующим пучок, дают два пятна рассеяния, расстояние h между которыми у приемной антенны равно где L - расстояние от формирующего устройства до антенны, м;
F - фокусное расстояние формирующего устройства (здесь предполагается, что источник размещен в фокальной области формирующего устройства и L F, что всегда выполняется на практике).
Если h Р, что эквивалентно d  P-F/L, то пятна рассеяния от множества светящихся точек источника перекрываются с достаточно большими пространственными сдвигами, в результате чего локальные минимумы интенсивности одних пятен рассеяния, вообще говоря, попадают на максимумы интенсивности других пятен, и поэтому суммарное распределение интенсивности света в плоскости апертуры приемной антенны сглаживается. Тем самым достигается эффект существенного (в несколько раз) снижения дисперсии мощности оптического сигнала, попадающего на фотодетектор.
Как отмечалось выше, это рассмотрение предполагает, что разные светящиеся точки источника излучения оптически разрешаются устройством, формирующим пучок. Если же достаточное пространственное разрешение у формирующей оптической системы отсутствует, то сдвиг соответствующих пятен рассеяния относительно друг друга оказывается меньше их поперечного размера, и, следовательно, отсутствует
.
h  L-d/F
эффективное сглаживание суммарного распределения интенсивности света.
Следовательно, для достижения требуемого эффекта необходимо также выполнение условия df  d, где df - пространственное оптическое разрешение формирующего устройства по отношению к объектам, расположенным в окрестности фокальной поверхности этого устройства, то есть там, где располагается источник излучения.
В качестве источника оптического излучения может быть использован любой из числа известных - лампа накаливания, газовые или твердотельные лазеры и т.п. Однако, поскольку используя указанные источники трудно варьировать параметр d заранее заданным образом, то целесообразно использовать в качестве источника оптического излучения выходной торец световода, во входной торец которого излучение вводится от одного из первичных источников, перечисленных выше, т.к. изготовление световода с заданным диаметром существенных технологических затруднений не вызывает. Поскольку свет в световоде распространяется по его сердцевине, то в этом случае величина d равна диаметру сердцевины световода.
Величина NA ограничена сверху числовой апертурой этого световода, но может оказаться и меньше таковой в зависимости от методики ввода излучения в световод. Вместе с тем, известно, что выбором положения первичного источника света относительно входного торца световода можно добиться того, чтобы на выходном торце угловой спектр излучения заполнял всю числовую апертуру световода.
Полное заполнение числовой апертуры световода можно обеспечить также путем расширения углового спектра вводимого в световод излучения. Такого расширения можно достичь, например, пропуская излучение сквозь слой прозрачного материала, толщина которого случайным образом меняется от точки к точке.
.5Л/.
в частных случаях, при использовании таких источников, как лазеры, дающих когерентное излучение, может наблюдаться интерференция составляющих углового спектра излучения, которая приводит к появлению мелкомасщтабных неоднородностей в поперечном распределении интенсивности (так называемых спеклов). Размер этих спеклов (5) в месте нахождения антенны можно вьгаислить по формуле:
где 6 - размер спекла, м.
Для того чтобы эти мелкомасщтабные неоднородности не влияли на работу линии связи, необходимо обеспечить выполнение условия 5  D, где D - диаметр апертуры приемной антенны. При этом спеклы усредняются апертурой.
Комбинируя выщеприведенные выражения, получаем условие
NA - DF
Его выполнение обеспечит попадание более одного спекла в апертуру приемной антенны. При этом флуктуации мощности света на фотодетекторе, вызванные поперечным перемещением пучка или любыми другими нестационарностями спеклов в сечении принимаемого пучка, усредняются апертурой и не влияют на стабильность приема оптического сигнала.
Таким образом, выполнение условий d  P-F/L и df  d обеспечивает выравнивание в поперечном сечении пучка в плоскости апертуры приемной антенны неоднородностей интенсивности, вызванных аберрациями устройства формирования пучка и оптическими неоднородностями на трассе его распространения. Условие же NA  A,-L/D-F обеспечивает подавление флуктуации мощности на фотодетекторе, которые могут быть вызваны интерференцией света от различных светящихся
г X L о  -
NA F
точек на поверхности источника в случае, когда излучаемые ими световые волны когерентны между собой.
Сущность заявляемой системы оптической связи поясняется примерами реализации и чертежом, на котором условно показана ее принципиальная схема.
Система оптической связи содержит источник оптического излучения 1, который снабжается известными средствами модуляции (на чертеже не показаны). Поверхность источника 1 содержит множество светящихся точек, которые условно обозначены 2 и 2, световое излучение от которых с помощью устройства 3 формирования направленного пучка направляется к приемной оптической антенне. В качестве устройства 3 может быть использована линза, объектив, телескоп и т.д. Линиями 4 и 4 показано распределение интенсивности света в плоскости 5 апертуры приемной антенны от светящихся точек 2 и 2 источника излучения.
В общем случае система работает следующим образом. Модулированное полезным сигналом оптическое излучение от источника 1 проходит через устройство 3 формирования направленного пучка, распространяется по оптической трассе и попадает на приемную оптическую антенну, условно показанную в виде плоскости 5 апертуры антенны, а затем на фотодетектор, который на чертеже не показан в силу известности.
В результате взаимодействия излучения каждой светящейся точки источника с оптическими неоднородностями на трассе, в нем возникает неоднородное распределение интенсивности, которое условно показано сечениями 4 и 4, в которых точкам, более удаленным от вертикальной оси, соответствуют большие значения интенсивности света. Соответственно, наложение неоднородных распределений интенсивно92 /f20 JA
сти со сдвигом создает более равномерное результирующее распределение интенсивности.
Конкретная система связи может быть реализована со следующими параметрами. Зададимся величиной Р  30 см. Это соответствует экспериментально определенным значениям для атмосферных трасс длиной 500  1000 м при использовании формирующего объектива с угловым разрешением, более высоким, чем З-Ю радиан (при фокусном расстоянии объектива, равном 5 см, это соответствует пространственному разрешению 15 мкм). Предположим, что L  800 м, что довольно типично в практических приложениях, и выберем F  5 см. Тогда условие
d
удовлетворяется при d  19 мкм.
Источниками такого размера могут служить, например, лазеры или светодиоды, выпускаемые промышленностью. Если световой диаметр источника меньше этой величины, то его можно увеличить известными в оптике методами, например, пропуская излучение через световод с диаметром сердцевины более 19 мкм, которые в настоящее время изготавливаются промышленными методами.
Объективы с пространственным разрешением, более высоким, чем 19 мкм также выпускаются промышленностью. Поэтому выполнение условия df  d технически возможно. Таким образом, для реализации заявляемой системы с указанными выше параметрами существуют все необходимые технические средства.
Для устранения неоднородностей интенсивности в виде спеклов на приемной апертуре оптической антенны, можно создать систему со следующими параметрами: источник излучения имеет длину волны X,  0,8 мкм (что часто используется в системах оптической связи), диаметр - L
апертуры приемной антенны D  10 см, L  800 м и F  5 см. Тогда условие
NA - DF
удовлетворяется при NA  0,13. Создание источника излучения с таким NA технически вполне возможно и не требует больших материальных затрат. В частности, световоды с NA  0,13 мкм выпускаются промышленностью. Следовательно, и для реализации системы в частном случае когерентного первичного источника света имеются в наличии все необходимые технические средства.