книги / Многоканальные системы передачи оптического диапазона

непрерывного действия имеют большие габариты и мас­ су и потребляют много электроэнергии. Если по условиям эксплуатации применение систем охлаждения невозмож­ но, приходится снижать требования к мощности излуче­ ния или переходить на импульсный режим работы.

В таблице 2.2 приводятся некоторые ориентировоч­ ные данные лазеров (в непрерывном режиме), наиболее подходящих для космических систем оптической связи.

Таблица 2.2

Выбор лазера для систем космической связи произ­ водится по оптимальной оценке всей совокупности пара­ метров как самого лазера, так и системы в целом.

Требования к источникам оптического излучения при использовании их в волоконно-оптических линиях связи (ВОЛС) в целом менее жестки. Однако условия доста­ точной мощности излучения при малых габаритах и массе, а также высокая надежность и долговечность являются непременными и здесь, поскольку они определяют эко­ номическую целесообразность и возможность хорошего согласования их с ВОЛС.

3.РАСПРОСТРАНЕНИЕ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В АТМОСФЕРЕ И НАПРАВЛЯЮЩИХ СРЕДАХ

3.1.Ослабление оптического излучения в атмосфере

Основное уравнение систем передачи информации опти­ ческого диапазона может быть записано в виде Р„рл/ Рпр» = LaF, где Р прд, A.PN— мощности на выходе пере­ датчика и на входе приемника; L — затухание в опти­ ческих элементах передающего и приемного устройств; а — затухание в свободном пространстве; F — затуха­ ние, обусловленное влиянием атмосферы.

Величина L рассчитывается известными в оптике методами без особых принципиальных трудностей. Она может быть определена и экспериментально. В общем случае она составляет 3—10 дБ.

Для расчета величины а можно использовать извест­ ную формулу дальности: а = 4 я/?2/(Л„рм Опрд)=А.2R2/(Лпрмх Х А арл\ где R — длина трассы; А,рн—А,ря — апертура

приемной и передающей антенн; Спрд — усиление пере­ дающей антенны.

Наиболее сложно определить F. Этот параметр за­ служивает более подробного рассмотрения. Применение лазеров для передачи информации стимулирует интенсив­ ное развитие исследований распространения в атмо­ сфере электромагнитных волн оптического диапазона. Ре­ зультаты этих исследований позволяют в настоящее время создать достаточно полную картину переноса оптических сигналов в атмосфере. При распространении в атмо­ сфере оптическая волна испытывает превращения, вызванные молекулярным поглощением и рассеянием атмосферными газами, аэрозольным, комбинационным и резонансным рассеянием, рефракцией, нелинейным взаимодействием излучения со средой. Существенным отличием оптических волн от электромагнитных волн радиодиапазона является сильная зависимость распро­ странения их в атмосфере от ее свойств. При распро­ странении в земной атмосфере оптический сигнал претерпевает следующие изменения: энергетическое ослаб­

52

ление; флуктуации амплитуды и фазы волны; рефрак­ цию, вызванную вертикальной и горизонтальной неодно­ родностями атмосферы. Как правило, эти эффекты могут рассматриваться независимо, что позволяет решать

и пространства и поэтому может характеризоваться за­ коном ее распределения или моментами. Вместе с тем в ряде случаев можно рассматривать затухание, предпо­ лагая регулярное состояние атмосферы для наилучшего и наихудшего случаев, и найти соответственно мини­ мальное Fmin и максимальное Fmax значения, а также установить некоторые качественные особенности яв­ ления.

Ослабление излучения при прохождении через атмо­

сферу может быть описано уравнением Бугера:/(v)=/0(v)X X exp (— fJ(v)tf), где /o(v) — излучение на входе среды,

p (v )— коэффициент затухания, равный сумме коэффи­ циентов молекулярного поглощения 0МП и рассеяния на

частицах 0р.

На высотах до 12 км основную роль в поглощении излучения играют молекулы углекислого газа и водяных паров (концентрация водяных паров колеблется от 10-3 до 4 % по объему, а углекислого газа от 0,03 до 0,05 %).

Твердые и жидкие включения замутняют атмосферу и играют большую роль в образовании облаков, тумана, являясь ядрами конденсации водяных паров. Главная причина помутнения атмосферы — дым, наземная пыль, бактерии, соли. Над городами, индустриальными цент­ рами возникают так называемый слой смога (густой туман с дымом и копотью) и другие образования, свя­ занные с загрязнением воздуха.' Известно, что в тумане водяные пары имеют размеры от 0,1 до 50—60 мкм.

лаках 2—30 мкм, дымки (очень слабый туман) примерно 1 мкм (их количество достигает 40—50 на 1 см3, а в силь­ ном тумане — до 50—600 на 1 см3) .

Затухание в «чистой атмосфере» (дальность метеови­ димости sM^ 1 0 км) определяется в основном рассея­ нием в аэрозоле. Параметр sMдля дневных условий опре­ деляется как расстояние, на котором фотометрический контраст Сф равен контрастной чувствительности ео глаза;

53

Сф= (£ф—Ви) Вф— е0, где Ви— яркость цели (предмета);

Вф— яркость фона, на котором наблюдается предмет. На рис. 3.1 представлены графики коэффициентов пропускания та, обусловленные поглощением молекулами водяного пара (а), двуокиси углерода (б) и озона (в). Эти кривые были сняты с относительно низкой спект­ ральной разрешающей способностью. Поэтому можно счи­ тать, что изменение ослабления, показанное на рис. 3.1, представляет грубую картину пропускания. В действи­ тельности поглощение в атмосфере резко изменяется при изменении частоты излучения, поскольку спектр молеку­ лярного поглощения имеет линейчатый характер, а не полосовой. Определение такой структуры поглощения в

настоящее время является предметом исследований.

На основе графиков, приведенных на рис. 3.1, и при наличии подобных графиков тонкой структуры погло­ щения можно правильно выбрать несущую частоту ОКГ и сделать вывод о необходимости ее стабилизации в областях с минимальным поглощением. В целом полу­ чить точные оценки величин поглощения и рассеяния

54

излучения в атмосфере трудно, поскольку концентрация ее составляющих определяется температурой и давлением, зависящими от географической широты, высоты слоя и со­ стояния погоды. Поэтому продолжаются теоретические и экспериментальные поиски с целью получения исчер­ пывающих сведений об ослаблении излучения лазера в атмосфере.

Необходимо отметить еще один фактор, оказываю­ щий отрицательное влияние на системы передачи ин­ формации оптического диапазона,— нарушение когерент­ ности излучения лазера в турбулентной атмосфере, возникающее вследствие завихрения воздуха или наличия ячеек воздуха с различными показателями преломления, что вызывает отклонение центральной оси диаграмм направленности излучения, а в ряде случаев и фазовые искажения волнового фронта. Размеры и число завих­ рений на пути распространения излучения постоянно меняются из-за воздушных потоков. Вызванные турбу­ лентностью потери примерно пропорциональны длине пути распространения и площади апертуры приемника. Сложность проблемы, связанной с турбулентностью, ста­ вит под сомнение вопрос о возможности супергетеродин­ ного приема в лазерных системах передачи информации в условиях атмосферы.

3.2.Физические принципы распространения излучения

внаправляющих средах

При прохождении луча света из одной среды в другую на границе раздела сред происходит отражение и пре­ ломление (рис. 3.2) света. При этом справедливо соот­

преломления в среду с меньшим показателем преломле­ ния, т. е. Л1 > П 2, то sina2> sin a i и а г > а |. В этом случае, как видно из рис. 3.2, луч /, падающий под углом oci, частично отражается (луч /') и частично про­ никает в среду с показателем преломления пг под углом

55

/

Рис. 3.3.

реннее отражение. Падающий под таким углом луч света 2 полностью отражается от границы раздела сред (луч 2') по законам зеркального отражения с коэффициентом, близ­

ким к 1.

Рассмотрим двухслойное волокно (рис. 3.3), состоящее из сердечника (центральной жилы) 2 и оболочки /. Поле направляемой волны сосредоточено в основном в области сердцевины волокна, некоторая часть поля проникает в оболочку, но оно спадает почти экспоненциально в ра­ диальном направлении от границы сердцевины. Величина этого поля на наружной поверхности волокна может быть сделана сколь угодно малой. Числовая апертура i4o=nsinp при данном п определяет максимальный телес­ ный угол конуса лучей, пропускаемых волокном. При превышении этого угла в световолокне с оболочкой не происходит полного внутреннего отражения луча на гра­ нице сердцевина — оболочка. Он будет преломляться и распространяться в оболочке, т. е. светоизоляция серд­ цевины будет нарушена.

Для двухслойного волокна числовая апертура А0= = (n2— п1У/2- Из этой формулы следует, что чем больше разность между п\ и 112, тем больше числовая апертура и конический пучок лучей с большим телесным углом пройдет через световолокно. Однако максимальное зна­ чение п\ ограничивается светопропусканием используе­ мого материала. Так, для стекол чем больше показатель преломления п, тем меньше их светопропускание. Таким образом, числовая апертура Ао позволяет оценивать соби­ рательную способность волокна в отношении падающего на него потока излучения: чем больше числовая апер­ тура, тем выше собирательная способность волокна, тем большую интенсивность имеет поток излучения на выходе из волокна.

56

Обычно цилиндрические волокна изготовляют, исполь­ зуя для сердцевины высокопреломляющие тяжелые флинты, а для оболочки — легкие кроны. Для такой пары стекол при П| = 1,75 и п2= 1,52 числовая апертура Ао= = 0,86, что соответствует пропусканию лучей с углом при вершине около 2 рад, падающих из воздуха на входной торец световолокна.

Одна из важнейших характеристик световолокна — светопронускание т=Ф /Ф о, где Ф, Фо— прошедший и падающий световые потоки.

Назовем несколько причин, вызывающих потери излу­ чения при распространении сигнала по световоду.

Первая причина — поглощение и рассеяние в мате­ риале волокна. Многочисленные ионы металлов и ионы группы ОН, присутствующие в стекле и имеющие электрон­ ные переходы, вызывают полосы поглощения. Длина волны пика поглощения и ширина полосы для данного иона могут быть различными для разных составов стекол. Следовательно, технология изготовления стекла оказывает существенное влияние на зависимость потерь волокна от длины волны излучения. Для обеспечения низкого уров­ ня потерь на поглощение требуется высокая чистота материала.

Существует ряд механизмов рассеяния, которые вызывают потери,— рэлеевское рассеяние, так называемое Ми-рассеяние, вынужденное комбинационное рассеяние, рассеяние Мандельштама — Вриллюэна. Рэлеевское рас­ сеяние обусловлено тепловыми флуктуациями на интер­ валах, меньших длины волны. Ми-рассеяние происхо­ дит на неоднородностях, сравнимых по размеру с длиной волны. Вынужденное комбинационное рассеяние и рассея­ ние Мандельштама — Вриллюэна вызываются нелиней­ ными эффектами. Их влияние сказывается, начиная с не­ которого порогового значения мощности излучения. Явле­ ние нелинейного взаимодействия между распространяю­ щейся волной и материалом приводит к перекачке мощности первоначальной волны в излучения с другими длинами волн. При передаче сигналов на большие расстояния эти нелинейные эффекты определяют верхний предел уровня мощности, которая может быть передана по каналу связи.

Потери за счет поглощения и рассеяния в материале

57

Вторая причина — потери на входном и выходном торцах оптического волокна за счет отражений (фре­ нелевские потери). Эти потери можно учесть формулой

где р* — коэффициент френелевского отражения. Форму­ ла (3.1) учитывает ту часть энергии потерь, которая пройдет через оба торца.

Третья причина — потери за счет неполноты отражения от боковых направляющих поверхностей волокна при распространении излучения (неполного внутреннего отра­ жения). Эти потери могут быть весомыми при большой длине оптического волокна и соответственно большом числе отражений. Учесть их можно выражением а отр = р'", где р — коэффициент отражения при однократном отра­ жении; т — число отражений. Необходимо отметить, что р является сложной функцией углов р. Однако, учитывая его малое изменение, приближенно можно считать р по­ стоянной величиной.

Кроме рассмотренных, могут быть и другие, менее су­ щественные причины потерь (рассеяние за счет геометри­ ческой вариации размера сердцевины волокна, рассея­ ние в оболочке, излучение вследствие искривлений свето­ вода и др.). В общем случае расчет светопропускания достаточно сложен. Однако приближенные оценки можно получить, используя вышеприведенные формулы.

Если источник излучения расположен симметрично относительно оси волокна, а интенсивность излучения постоянна, светопропускание можно оценить выражением

T “ ( I - P * ) 2« - t - j | | ' p 7 " d p ,

где Pi — критический угол; d — диаметр световолокна. Эта формула справедлива для случая, когда попереч­ ные размеры волокна намного больше длины волны из­ лучения, т. е. При d~% световолокна работают

как диэлектрические волноводы.

Конический пучок лучей, падающий на входной торец световолокна, дифрагирует на нем и возбуждает внутри сердцевины и в оболочке дискретный набор отдельных типов волн. Чем меньше размеры d по срав­ нению с X, тем меньшее число типов волн может распро­ страняться в световолокне. Таким образом, световолокна

58

б

сравнению с многомодовыми волокнами со ступенчатым профилем показателя преломления (рис. 3.4, в). Волокно с параболическим профилем показателя преломления получило название SELFOC.

Волокно, представленное на рис. 3.4, г, отличается аксиально-симметричным распределением показателя пре­ ломления с максимальными значениями вблизи г = г1П;|Х. Изменение, показателя преломления по поперечному се­ чению волокна не превышает I %. Хотя выбор такого

60