Методы модуляции излучения лазера
Использование лазера в системах связи и радиолокации требует создания эффективных методов модуляции оптического излучения. К модуляторам предъявляются следующие основные требования: широкополосность, линейность модуляционной характеристики, большой динамический диапазон, малые масса и габариты, экономичность. Модуляторы оптического излучения можна разделить на внутренние и внешние. В первом случаи модуляция связана с непосредственным воздействием на процесс генерации, во втором –– на уже сформировавшийся луч квантового генератора.
Под модуляцией понимают процесс изменения следующих параметров излучения: амплитуды, частоты, фазы и поляризации. В связи с этим существует четыре типа модуляции: амплитудная, частотная, фазовая и поляризационная. Возможна также модуляция интенсивности излучения, в которой вместо амплитуды под воздействием модулирующего сигнала изменяется квадрат амплитуды, т. е. интенсивность. Модуляция по интенсивности важна для оптического излучения, так как может быть применена к частично когерентному или вовсе некогерентному излучению. Следует заметить, что выходной сигнал многих приемников оптического излучения пропорционален интенсивности излучения на их входе.
При внешней модуляции луч лазера пропускается через специальную среду, параметры которой (показатель преломления или коэффициент поглощения) изменяются под действием модулирующего сигнала. Используются различные физические эффекты и явления в твердых и жидких средах, возникающие при воздействии электрического или магнитного полей и влияющие на проходящий в этой среде луч лазера.
Управление показателем преломления основывается на эффектах либо злектрооптических, либо магнитооптических, либо пьезооптических. Поглощение материала в оптическом диапазоне изменяется благодаря эффекту Франца — Келдыша, заключающемуся в смещении границы поглощения полупроводника в электрическом поле. В связи с этим на частотах, примыкающих к этой границе, поглощение меняется очень сильно. Можно также регулировать поглощение оптическокого излучения на р-п-переходах полупроводника путем изменения напряжения на переходе. К сожалению, все поглощающие модуляторы имеют большое начальное поглощение. В настоящее время наиболее подходящим для модуляции оптического излучения является электрооптический эффект.
Амплитудная модуляция из-за простоты реализации наиболее широко распространена. Амплитудный модулятор состоит из поляризатора, анизотропной оптической среды и анализатора. Луч лазера поступает на поляризатор, который превращает излучение лазера в линейно-поляризованное. Затем излучение проходит через оптическую анизотропную среду, свойства которой изменяются в зависимости от модулирующего воздействия. В такой среде волна либо поворачивает плоскость поляризации под действием магнитного поля (эффект Фарадея), либо испытывает двойное лучепреломление и становится эллиптически поляризованной под действием электрического поля (электрооптический эффект). Искусственно вызываемые упругие напряжения также могут быть использованы для изменения свойств среды. Создание в среде контролируемых упругих напряжений можно осуществить с помощью ультразвукового поля или пьезоэффекта. Через анализатор проходит только та составляющая эллиптически поляризованного излучения, поляризация которой лежит в плоскости поляризации анализатора. Так как поляризатор и анализатор имеют взаимно перпендикулярные плоскости поляризации, то при отсутствии анизотропии среды интенсивность выходного излучения равна нулю. Увеличивая анизотропию среды, получаем возрастание интенсивности излучения, т. е. амплитудную модуляцию.
Линейный электрооптический эффект наблюдается в твердых телах (эффект Поккельса), а квадратичный возникает в жидкостях (эффект Керра).
Для полупроводниковых лазеров возможна внутренняя модуляция путем изменения тока возбуждения. Верхняя граница модуляции составляет несколько десятков гигагерц. Эффективным методом внутренней модуляции импульсных лазеров является модуляция добротности, или Q-модуляция. Для этого в открытый резонатор лазера вводится специальный затвор, который периодически скачкообразно изменяет добротность резонатора. Когда добротность резонатора мала, генерации нет, и под влиянием энергии накачки на верхнем энергетическом уровне активной среды накапливаются возбужденнее Частицы. При резком увеличении добротности генератор самовозбуждается и излучает очень мощный кратковременный («гигантский») импульс длительностью в несколько десятков наносекунд.
11.9. Применение лазеров в технике связи
Изобретение лазера создало предпосылки для создания оптических линий связи очень большой информационной емкости, так как частота его колебаний лежит примерно в области , что в 100 тыс. раз выше, чем частота существующих в настоящее время высокочастотных систем связи. Однако вскоре после первых экспериментов стало ясно, что открытая атмосфера является далеко не оптимальной средой для передачи излучения. Линия связи должна быть защищена от воздействия различного рода осадков и температурных изменений, так как наличие дождя, тумана, снега, пыли значительно увеличивает затухание и связь прекращается.
Наиболее перспективной направляющей системой для оптической связи оказались диэлектрические волноводы или волокна, как их называют из-за малых размеров и метода получения. В 1972 г. затухание в волоконных световодах было , а в 1979 г. его удалось снизить до
. Успехи в технологии получения световодов с малыми потерями стимулировали работу по созданию волоконно-оптических линий связи ВОЛС, которые, обладают рядом преимуществ по сравнению с обычными кабельными линиями:
–– высокая помехоустойчивость, нечувствительность к внешним электромагнитным полям и практически отсутствие перекрестных помех между отдельными волокнами, уложенными вместе в кабель; значительно большая широкополосность;
–– малая масса и габариты; ожидается уменьшение массы и габаритов примерно в 10 раз по сравнению с существующими кабельными системами связи при одинаковом числе каналов связи. Это приведет к уменьшению стоимости и времени прокладки оптического кабеля;
–– полная электрическая изоляция между входом и выходом системы связи, поэтому не требуется общее заземление передатчика и приемника. Можно производить ремонт оптического кабеля, не выключая оборудования;
–– отсутствие коротких замыканий; волокна могут быть использованы для пересечения зон с горючими и легковоспламеняющимися средами без боязни коротких замыканий, являющихся причиной пожара;
–– потенциально низкая стоимость; хотя волокна изготавливаются из сверхчистого стекла, имеющего примеси меньше чем несколько частей на миллион, при массовом производстве их стоимость должна быть невелика. Кроме того, в производстве волокон не используются такие дорогостоящие цветные металлы, как медь и свинец, запасы которых на земле ограничены.
Оптические волокна должны иметь малое затухание в тех участках спектра, где существуют источники излучения. Для ВОЛС в качестве источников излучения используются лазеры и светодиоды. Передатчики ВОЛС должен работать при комнатной температуре, не требовать специальной системы охлаждения, быть компактным и удобным в обслуживании, иметь большую надежность. Наиболее перспективным лазером является полупроводниковый лазер с двойной гетероструктурой. В таких лазерах путем изменения тока можно осуществлять модуляцию излучения до 1 ГГц.
Для ВОЛС на короткие расстояния в качестве источника излучения используются светодиоды. Излучение светодиода из арсенида галлия соответствует инфракрасной области спектра , где волокна обладают малыми потерями. Эти светодиоды имеют большой КПД, компактны, просты в изготовлении, неприхотливы в работе.
Достигнутые успехи в разработке и испытаниях ВОЛС позволяют считать, что они уже в ближайшее время займут значительное место в технике связи, область их применений весьма широка — от линий внутригородской связи и бортовых комплексов до систем связи на большие расстояния с высокой информационной емкостью. На основе оптической волоконной связи могут быть созданы принципиально новые системы передачи информации, а также существенно улучшены и удешевлены существующие системы.
Разрабатываются ВОЛС для диапазона длин волн , где вначале были достигнуты малые потери в волокнах. Однако последние испытания оказали, что найболее обещающей областью длин волн для ВОЛС является
. Здесь получены минимальные потери в волокнах и низкая дисперсия материала волокон. Однако на этих длинах волн пока отсутствуют достаточно эффективные и надежные излучатели и фотоприемники.
Широкополосные ВОЛС сделают в будущем видеотелефонную связь такой обычной, как в настоящее время обыкновенная телефонная связь.
Развитие кабельного телевидения также связано с использованием оптических кабелей, так как только в этом случае можно обеспечить высокое качество изображения в массовых системах этого типа, рассчитанных на индивидуальных абонентов. Кабельное телевидение приведет к качественному расширению возможностей информационного обслуживания. Речь идет о передаче через абонентский телевизор изображений газетных, журнальных и книжных страниц из библиотек и специальных информационных или учебных центров.
В ВОЛС будет использоваться преобразование речевых сигналов в оптические непосредственно с помощью акустооптических преобразователей. Для передачи изображения будут применять аппаратуру с непосредственным сканированием и разложением оптического изображения и последующей передачей его без применения электронных схем. Все это дает возможность значительного упрощения оконечного оборудования системы и улучшения их технико-экономиких показателей.
Типичный оптический ретранслятор или передатчик, включающий лазер, модулятор, детектор, линзы и т. д., выполненный на оптической скамье, имеет много недостатков. Традиционные оптические приборы должны быть юстированы с чрезвычайно высокой точностью, и, следовательно, они чувствительны к изменениям температуры и малейшим вибрациям раздельно установленных частей. Решение этих проблем состоит в том, чтобы объединить оптические компоненты на одной подложке, соединив их миниатюрными оптическими волноводами.
Интегральная оптика является оптическим аналогом интегральной электроники. Она дает возможность выполнить сложные оптические устройства в виде одного блока подобно интегральным схемам более низкочастотного диапазона.
Она базируется на факте, что световые волны благодаря явлению полного внутреннего отражения могут распространяться в тонких пленках из прозрачных материалов, которые нанесены на подложки с коэффициентом преломления меньше, чем у пленки. Физически системы интегральной оптики отличаются от обычных оптических систем тем, что световые волны распространяются как направляемые волны внутри диэлектрических тонких пленок, а не как дифракционно ограниченные пучки в свободном пространстве. Тонкопленочные диэлектрические волноводы являются основой почти всех устройств интегральной оптики. Если оптические волноводы создать в электрооптическом материале, то фазовые скорости распространения света в световодах можно менять путем приложения электрического поля к электрооптическому материалу, приводящему к изменению его коэффициента преломления.
Так как на оптических частотах длина волны очень мала, то вся система будет очень компактной и будет иметь высокую концентрацию компонентов. Интегральные оптические системы будут потреблять незначительную мощность, обладать большой скоростью обработки информации, высокой помехозащищенностью, иметь большую надежность, лучшую механическую и температурную стабильность.
Весьма перспективно применение лазеров для голографии, так как получение голограмм возможно только при использовании источников света, обладающих временной и пространственной когерентностью. Примером использования голограмм является получение периодических структур для лазеров с распределенной обратной связью, изготовление амплитудно-фазовых фильтров для оптической обработки информации и т. д. Близки к практической реализации быстродействующие голографические запоминающие устройства большой емкости, обеспечивающие хранение информации с высокой плотностью и надежное ее воспроизведение. Указывается, что на стандартной фотографической пластинке размером может быть записана информация, достигающая
Интересным применением голографии является цветное трехмерное телевидение.
Лазеры применяются в системах космической связи, на линиях «Спутник — Земля», в оптической локации, в системах записи и обработки информации, в метрологии, медицине, для обработки материалов.
Ионные лазеры используются в системах подводной связи, так как в воде наилучшим образом распространяется сине-зеленый свет, который соответствует длине волны излучения аргонового лазера Лазеры на С02 является перспективными для наземных установок, так как их излучение
находится в полосе прозрачности атмосферы.
В учебнике рассмотрены принципы работы, характеристики и параметры основных электровакуумных, полупроводниковых и квантовых приборов СВЧ и квантовых приборов оптического диапазона. Применение СВЧ приборов охватывает диапазон сантиметровых волн и длинноволновую часть миллиметрового диапазона, но все больше проявляется тенденция применения в радиолокации и системах связи миллиметровых и субмиллиметровых волн.
В настоящее время усиленно развиваются полупроводниковые приборы миллиметрового диапазона. Улучшение технологии изготовления кремниевых ЛПД импульсного действия (длительность импульса ) привело к увеличению мощности до
на
и до
на
Разрабатываются для этого диапазона частот способы сложения мощностей нескольких ЛПД и малошумящие смесители для входных устройств.
Среди новых мощных приборов миллиметрового диапазона следует отметить ЛБВ с выходной мощностью в импульсном режиме 1кВт и коэффициентом усиления 50дБ на частоте 94ГГц. Кроме того, ведется разработка усилительного трехрезонаторного клистрона с распределенным взаимодействием (§ 3.4) на частоту 95ГГц с импульсной мощностью 1кВт, коэффициентом заполнения 10% и коэффициентом усиления 30дБ. Масса этого клистрона при использовании самарий-кобальтовых фокусирующих магнитов составит 7кг.
В последние годы широко проводятся разработки приборов, основанных на магнитном циклотронном резонансе (МЦР) (§ 5.8). В одном из приборов на МЦР-гиротроне получена в непрерывном режиме мощность 100кВт на частоте 28ГГц. В другой разновидности приборов на МЦР ожидают получить при вдвое меньшем магнитном поле, чем в гиротроне, на частоте 90ГГц в непрерывном режиме 1кВт при КПД 95%.
В субмиллиметровом диапазоне волн для создания усилителей и генераторов могут быть использованы методы как обычной электроники СВЧ, так и квантовой электроники.
В качестве генераторов колебаний пригодны лампы обратной волны типа О. Выходная мощность ЛОВО превышает 10мВт на частоте более 300ГГц при рабочем напряжении 3—9кВ. Для получения хорошей фокусировки электронов при малых размерах, замедляющих систем в этом диапазоне частот требуется большое продольное магнитное поле. В ЛОВО обычно используют магнитный сплав самарий-кобальт. Прогнозируется применение субмиллиметровых ЛОВО в космосе. В связи с этим стоит задача увеличения срока службы ЛОВО до срока службы спутников.
В генераторах на ЛПД, работающих в специальном режиме, достигнуты такие же рабочие частоты, как в ЛОВО. Частотный предел в ЛПД ограничивается толщиной слоя лавинного размножения носителей. С повышением рабочей частоты требуется меньшая толщина этого слоя, при этом она может стать настолько тонкой, что увеличение напряженности поля вызовет туннельный эффект. Если туннельный эффект специально использовать для ввода импульсов заряда в область дрейфа ЛПД, то можно повысить рабочую частоту до 500—1000ГГц. Такой режим работы ЛПД получил название TUNNET-режим (сокращение от слов Tunnеll Transit Time).
В субмиллиметровом диапазоне волн для генерации колебаний используется явление дифракции. Генератор с дифракционным излучением (ГДИ) состоит из открытого резонатора, образованного сферическим зеркалом и плоским зеркалом, на поверхности которого изготовлена периодическая дифракционная решетка (замедляющая система). Ленточный электронный поток проходит вблизи решетки. Если скорость электронов близка к фазовой скорости одной из пространственных гармоник, то начнется эффективное взаимодействие электронов и поля, а при определенных условиях и генерация колебаний, как в лампе обратной волны. Работают ГДИ в диапазоне волн 8—0,96мм с выходной мощностью от нескольких сотен милливатт до десятков ватт. Механическая перестройка в ГДИ достигает октавы, а электронная перестройка в десятки раз меньше, чем в ЛОВО.
В субмиллиметровом диапазоне волн становится перспективным использование методов квантовой электроники. Возможно, например, применение молекулярных квантовых генераторов на газах, в которых частота квантовых переходов соответствует субмиллиметровому диапазону. В генераторах на молекулах аммиака получают излучение на волне
а на молекулах
— на волне 0,485 мм. Достоинство этих генераторов — высокая стабильность частоты
недостаток — очень низкая мощность. Поэтому молекулярные генераторы используются в качестве стандартов частоты.
Разработаны генераторы субмиллиметрового диапазона, подобные лазерам с оптической накачкой. При использовании паров воды наблюдается излучение с длинами волн Применение соединений, содержащих углерод, водород и азот, как правило, приводит к излучению на волнах
Мощность этих квантовых генераторов мала (в импульсном режиме — милливатты, в непрерывном — микроватты) и зависит от состава газа, тока разряда и параметров зеркал резонатора. Стабильность частоты значительно выше, чем в ЛОВО.
В субмиллиметровом диапазоне можно также использовать приборы на магнитном циклотронном резонансе. Однако в этом диапазоне требуются очень высокие напряженности магнитного поля, которые можно обеспечить только при сверхпроводящих соленоидах.
Сравнение выходной мощности электронных приборов миллиметрового диапазона волн произведена на рисунке, где 1 — гиротроны, 2 — пролетные клистроны с распределенным взаимодействием, 3 — лампы бегущей волны,
4 — импульсные магнетроны, 5 — лампы обратной волны, 6 — генераторы с дифракционным излучением, 7 — лавинно-пролетные диоды, 8 — отражательные клистроны, 9 — диоды Ганна. Значения мощности указаны в непрерывном режиме работы, для импульсных магнетронов приведено среднее значение выходной мощности.
В настоящее время благодаря развитию полупроводниковых приборов, совершенствованию электровакуумных приборов и развитию технологии интегральных схем появилась возможность полностью использовать преимущества миллиметрового диапазона волн: широкие полосы, повышенную разрешающую способность, уменьшенные размеры и массу аппаратуры.
Основные обозначения
— коэффициент Эйнштейна для спонтанного излучения
— вектор магнитной индукции
— коэффициенты Эйнштейна для вынужденных переходов
— параметр усиления в приборе типа О
— скорость света
d — расстояние между электродами
Е — вектор напряженности электрического поля
Е0 — постоянная составляющая напряженности электрического поля
— амплитуда пространственной гармоники с номером m
— энергия уровня i
е — заряд электрона
Н — вектор напряженности магнитного поля
— пусковой ток
— амплитуда m-й гармоники наведенного тока
— конвекционный ток
— емкостный ток
— наведенный ток
— ток смещения
j— плотность тока
— функция Бесселя первого рода т-го порядка
— амплитуда напряжения первой гармоники
V — вектор скорости
— скорость электрона в статическом режиме
— скорость электрона
— фазовая скорость
— групповая скорость
— скорость насыщения
— переносная скорость в приборах типа М
W — вероятность вынужденных переходов
— кинетическая энергия электронов
— потенциальная энергия электронов
— вероятность безызлучательных переходов
X — параметр группирования
— коэффициент ионизации
— коэффициент фазы
Г — постоянная распространения волн при наличии электронного потока
— ширина спектральной линии
— ширина линии излучения лазера
— диэлектрическая проницаемость
— магнитная проницаемость
— угол пролета электрона
— электронный КПД
— показатель усиления в квантовых приборах
— длина волны
— частота поля накачки
— частота поля сигнала
— частота колебаний продольной моды оптического резонатора
— частота квантового перехода уровней j и i
o — объемная плотность заряда
— коэффициент усиления по мощности
— коэффициент усиления по напряжению
— коэффициент шума
L— период замедляющей системы
М — коэффициент эффективности
взаимодействия электронов с СВЧ
m — масса электрона
— масса покоящегося электрона .
N — электрическая длина замедляющей системы, число резонаторов в магнетроне, число Френеля
— населенность уровня
— коэффициент замедления
— число вынужденных переходов
— число спонтанных переходов
Рп — мощность потерь
S — поток энергии
— нагруженная добротность
— сопротивление связи
Т — температура, период колебаний
Тп — температура квантового перехода
Тш — шумовая температура
— амплитуда переменного напряжения на сетке
— ускоряющее напряжение
— напряжение отражателя
— проводимость
— время пролета, время жизни на уровне
— сдвиг фаз
— круговая частота
— собственная частота резонатора
— частота генерации
— циклотронная частота
1. Дулин В. Н. Электронные приборы. Изд.3-е. М.: Энергия, 1977.
2. Лебедев И. В. Техника и приборы сверхвысоких частот. Т. 1. Изд. 2-е. М.: Высшая школа, 1970.
3.Лебедев И. В. Техника и приборы сверхвысоких частот. Т. 2. Изд. 2-е. М.: Высшая школа, 1972.
4.Тараненко В. П. Электронные и квантовые приборы СВЧ. Киев: Вища школа, 1974.
5.Кацман Ю. А. Приборы сверхвысоких частот. Т. 2. М.: Высшая школа, 1973.
6.Кац А. М., Ильина Е. М., Манькин И. А. Нелинейные явления в СВЧ приборах О-типа с длительным взаимодействием. М.: Сов. радио, 1975.
7.Силин Р. А., Сазонов В. П. Замедляющие системы. М.: Сов. радио, 1966.
8.Тараненко З. И., Трохименко Я. К. Замедляющие системы. Киев: Техшка, 1965.
9.Лошаков Л. Н., Пчельников Ю. Н. Теория и расчет усиления лампы с бегущей волной. М.: Сов. радио, 1964.
10. Победоносцев А. С. Гибридные приборы О-типа. — Электронная техника, серия 1, 1966, № 9, с. 43—62.
11. Варбанский А. М. Передающие телевизионные станции. М.: Связь, 1980.
12. Гайдук В. И., Палатов К. И., Петров Д. М. Физические основы электроники сверхвысоких частот. М.: Сов. радио, 1971.
13. Альтшулер Ю. Г., Татаренко А. С. Лампы малой мощности с обратной волной. М.: Сов. радио, 1963.
14. Голант М. Б., Бобровский Ю. Л. Генераторы СВЧ малой мощности. Вопросы оптимизации параметров. М.: Сов. радио, 1977.
15. Полупроводниковые приборы в схемах СВЧ: Пер. с англ./Под ред. М. Хауэса, Д. Моргана. М.: Мир, 1979.
16.Тагер А. С, Вальд-Перлов В. М. Лавинно-пролетные диоды и их применение в технике СВЧ. М.: Сов. радио, 1968.
17.Левинштейн М. Е., Пожела Ю. К., Шур М. С. Эффект Ганна. М.: Сов. радио, 1975.
18. СВЧ-полупроводниковые приборы и их применение: Пер. с англ./Под ред.
Г. Уотсона. —М.: Мир, 1972.
19. Кэролл Дж. СВЧ-генераторы на горячих электронах: Пер. с англ. М.: Мир, 1972.
20. Техника субмиллиметровых волн/Валитов Р. А., Дюбко С. Ф., Камышан В. В. и др. — М.: Сов. радио, 1969.
21. Штейншлейгер В. Б., Мисежников Г. С, Лифанов П. С. Квантовые усилители СВЧ (мазеры). М.: Сов. радио, 1971.
22. Ищенко Е. Ф., Климков Ю. М. Оптические квантовые генераторы. М.: Сов. радио, 1968.
23. Микаэлян А. Л., Тер-Микаэлян М. Л., Турков Ю. Г. Оптические квантовые
генераторы на твердом теле. М.: Сов. радио, 1967.
24. Дьяков В. А., Тарасов Л. В. Оптическое когерентное излучение. М.: Сов. радио, 1974.
25.Григорянц В. В., Жаботинский М. Е., Золин В. Ф. Квантовые стандарты частоты. М.: Наука, 1968.
26.Рябов С. Г., Торопкин Г. Н., Усольцев И. Ф. Приборы квантовой электроники. Характеристики, применение, тенденции развития. М.: Сов. радио, 1976.
27.Справочник по лазерной технике/Под ред. Ю. В. Байбородина, Л. 3. Криксунова, О. Н. Литвиненко. Киев: Техшка, 1978.
28.Справочник по лазерам: Пер. с англ./Под ред. А. М. Прохорова. Т. 1 и 2. М.: Сов. радио, 1978.
29.Батраков А. С. Квантовые приборы. Л.: Энергия, 1972.
30.Унгер Г. Г. Оптическая связь: Пер. с нем. М.: Связь, 1979.
31.Интегральная оптика/Под ред. Т. Тамира. М.: Мир, 1978.
32.Волоконно-оптические линии связи и принципы их построения/Гуляев Ю. В. и др. — Радиотехника, 1975, т. 34, № 5, с. 25—32.
33.Страховский Г. М., Успенский А. В. Основы квантовой электроники. М.: Высшая школа, 1973.
34.Тарасов Л. В. Физические основы квантовой электроники (оптический диапазон). М.: Сов. радио, 1976.
35.Смирнов В. А. Введение в оптическую радиоэлектронику. М.: Сов. радио;. 1973.
36.Квантовая электроника. Маленькая энциклопедия/Под ред. С. А. Ахманова и др. М.: Советская энциклопедия, 1969.
37.Белостоцкий Б. Р., Любавский Ю. В., Овчинников В. М. Основы лазерной, техники. Твердотельные ОКГ. М.: Сов. радио, 1976.
38.Мощные электровакуумные приборы СВЧ: Пер. с англ./Под ред;. Л.Клэмпитта. М.: Мир, 1974.
39.Носов Ю. Р. Оптоэлектроника. М.: Сов. радио, 1977.
Источник