Электрооптический частотный модулятор

На рис. 2 изображен электрооптический частотный модулятор. Ячейка Поккельса является кристаллом с тройной вращательной симметрией. Ортогонально приложенные к ячейке напряжения равны

u_x = u cos u_y = u sin

При этих условиях фазовая задержка линейно зависит от u .

Эллипсоид коэффициентов преломления кристалла вращается на угол (относительно кристаллографических осей), который линейно пропорционален .Операционная матрица модулятора, отнесенная к кристаллографическим осям, получается следующим преобразованием

Или после выполнения операций

Лазерный луч (интенсивностью I₀) линейно поляризуется под углом 45⁰ по отношению к осям и далее проходит через четвертьволновую пластину. Результирующий световой луч, который поступает на модулятор, имеет правую круговую поляризацию и характеризуется поляризационной матрицей

в которую включена функция времени e^iwt. Поляризационная матрица светового излучения на выходе модулятора после некоторых тригонометрических преобразований имеет вид

Таким образом, световое излучение на выходе модулятора, состоит из двух лучей. Первый луч характеризуется правой круговой поляризацией, частотой несущей w и амплитудой, пропорциональной cos(Г/2), второй – левой круговой поляризацией, частотой w-2(dq/dt) и амплитудой, пропорциональной sin(Г/2).

При аналоговой частотной модуляции задержка Г устанавливается равной p радиан для того, чтобы вся мощность лазерной несущей была сосредоточена в составляющей с правой круговой поляризацией. Тогда частотная модуляция управляющего напряжения приводит к частотной модуляции оптической несущей. Для получения дискретной (двоичной) частотной модуляции необходимо установить желаемое значение e (которое определяет требуемое частотно разделение между частотами передаваемых излучений) и затем манипулировать значение фазовой задержки Г (0 или p) в соответствии с передачей «единицы» или «нуля».

Методы модуляции

Входная часть оптических приемников может быть построена на основе одного из двух приемников приема: прямого фотодетектирования (некогерентный метод) и фотосмещения (гетеродинный и гонодинный метод). На выходе фотодетектора схемаоптического приемника не отличается от схемы обычного приемника радиодиапазона. Рассмотрим коротко основные характеристики обоих методов приема. При прямом фотодетектировании (рис. 4) сигнал на выходе фотоприемника воспроизводит изменение мощности принимаемого модулированного света, а информация о частоте и фазе несущей теряется. Выходной ток фотодетектора пропорционален усредненному по времени (за период несущей) мгновенному значению интенсивности несущей с(t) , т.е.

Рис.4

D=eh/(hn) - коэффициент преобразования фотодетектора.

Поскольку ток фотодетектора в рабочем диапазоне спектра не зависит от частоты и фазы несущей, приемное устройство прямого детектирования само по себе может быть использовано лишь для демодуляции АМ и ИМ колебаний. Этот метод приема не позволяет различить фотоны сигнала и фона и практически не критичен и углу падения принимаемого излучения. Для спектральной селекции необходимо использовать оптические фильтры, а для пространственной – уменьшать угол зрения входной оптической системы. Достоинство некогерентного приёма – простота приемного устройства. При оценке его помехоустойчивости при приеме на ФЭУ можно пренебречь тепловыми шумами усилителя, т.к. коэффициент внутреннего усиления очень велик. Если при этом пренебречь шумами фона и темного тока, то

h - квантовая эффективность фотоприемника,

Ф - световой информационный поток,

h - постоянная Планка,

n - частота света,

Df - полоса пропускания фильтра на выходе фотоприемника.

Это выражение определяет предельную чувствительность приемника, в котором шумы определяются дробовым шумом. При приеме на фотодиод без внутреннего усиления тепловой шум значительно больше дробового.

При гетеродинном методе приема можно представить напряженность поля излучения на фоточувствительной поверхности в виде суммы полей сигнала и гетеродина

где

A_c, w_c, j_c, A_г, w_г, j_г - соответственно амплитуда, частота и фаза полей сигнала и гетеродина,

v_x - скорость перемещения волны вдоль фоточувствительной поверхности.

Предполагаем, что плоскость падения лучей сигнала и гетеродина перпендикулярна плоскости фоточувствительной поверхности. Для определения сигнала промежуточной частоты необходимо провести усреднение интенсивности света по времени и по поверхности фотодетектора.

е - заряд электрона.

Т.к. v_x=c/siny (c - скорость света, y - угол между направлениями распространения излучений сигнала и гетеродина), то сигнал промежуточной частоты зависит от точности юстировки приемника.

Если Ф_г>>Ф_0иФ_ф и то на выходе детектора промежуточной частоты

Фотосмещение ослабляет фон, т.к. создает для него спектральную и пространственную фильтрацию. Спектральная фильтрация обусловлена тем, что усиливаются только те шумовые компоненты, которые оказываются в полосе частот фильтра промежуточной частоты Df. Т.к. Df_пр<<Df_опт; Df_опт - полоса частот оптического фильтра, то получается значительный выигрыш в снижении фона (в при Ф_г >>Ф_ф). Пространственная фильтрация фона обеспечивается тщательным согласованием гетеродинного и сигнального световых потоков. Если направления распространения полей сигнала и фона не совпадают, то фон будет ослабляться или совсем отсутствовать.

Сравнивая указанные методы, можно отметить, что отношение сигнал/шум в полосе полезного сигнала гетеродинного приемника в 2 раза больше, чем у приемника прямого фотодетектирования.

Особенность фотосмещения – наличие гетеродина. Если в некоторых локационных системах передатчик и приемник находятся в одном месте, и можно использовать в качестве гетеродина ОКГ передатчика, то в связных системах они находятся всегда в разных местах и в качестве гетеродина используется специальный ОКГ. Это обстоятельство предъявляет высокие требования к стабильности параметров излучения передающего и гетеродинного ОКГ, что достигается, в частности, автоматической подстройкой частоты, резко усложняющей аппаратуру. Кроме того, необходимо использовать ОКГ, обладающие монохроматичностью излучения, а, как известно, не все ОКГ обладают этим свойством.

Существенным условием фотосмещения является пространственное фазирование излучений гетеродина и передающего ОКГ на поверхности фотоприемника. Это условие ограничивает допустимые размеры входной апертуры приемника, т.к. при разности хода лучей от различных точек приемной антенны до фотокатода, сравнимой с длиной волны света, теряется пространственная фазировка. Естественно, что требования к оптической настройке при использовании фотосмещения снижаются с переходом к более длинным оптическим волнам. Так, в настоящее время успешно проводятся эксперименты по гетеродинному методу приема на длине волны 10,6 мкм. Учитывая сказанное, можно заключить, что вплоть до ближней инфракрасной области использование фотосмещения в качестве метода приема представляет серьезные трудности.