ность 8 вт, размеры модулятора 1,9X8,9 см. На кристалле КДР: резонансная частота 10 Ггц, полоса модуляции 20 Мгц, мощность, потребляемая устройством, 50 вт.

Основным достоинством модуляторов, в которых используется эффект Поккельса, является линейная зависимость сдвига фаз между обыкновенными и необыкновенными лучами от приложенного напряжения, в результате чего для модуляции на высокой частоте требуется меньшая мощность ем для модулятора, работающего с использованием квадратичного эффекта Керра. Недостатками рассмотренных электрооптических модуляторов являются значительные потери, большая подводимая мощность, большая сосредоточенная емкость устройства, ограничивающая ширину полосы частот моду-ляпии, ограниченная Длина взаимодействия светового излучения с СВЧ сигналом. В целях получения наиболее широких полос модуляции построены электрооптические модуляторы типа бегущей волны. В таких модуляторах кристалл КДР помещается в по-лосковом волноводе, в котором распространяются световая и модулирующая СВЧ волны. В результате изменения скорости распространения света в кристалле пЯГ влиянием модулирующего сигнала осуществляется фазовая модуляция излучения лазера. Высшая частота модуляции такого устройства определяется потерями на излучение или появлением высших типов волн в линии передачи. Полоса частот модуляции может составлять несколько гигагерц. Потребляемая мощность примерно 10 вт.

29-8. СПОСОБЫ ПРИЕМА ИЗЛУЧЕНИЙ ОКГ

Способы построения приемников оптического диапазона

Несмотря на общность физической природы радио и оптических излучений, большое количественное различие в частоте (104-105 раз) приводит к невозможности прямого использования в оптическом диапазоне многих привычных для радиоспециалиста представлений.

Можно отметить два существенных обстоятельства, которые влияют как на конструктивное выполнение, так и на характеристики приемных устройств оптического диапазона:

1) размеры излучающих и-восприиимаю-щих энергию элементов значительно превышают длину волны %;

2) энергия фотона hf при нормальных температурах ~300° К значительно превышает спектральную плотность теплового шума КГ.

Первое обстоятельство в значительной мере влияет на построение излучающих элементов ( антенн ), световодов ( волноводов ), резонаторов, способы сопряжения антенн с приемниками и т. д. С большими электрическими размерами элементов аппаратуры приходится сталкиваться уже в ко-

ротковолновой части СВЧ диапазона. Однако там удается выполнить устройства с одним типом волны. В оптическом диапазоне создание устройств с одним типом волны является трудноразрешимой задачей.

Малость длины волны предъявляет весьма жесткие требования к точности выполнения и поддержания (при изменении температуры и других внешних условий) геометрических размеров отдельных элемен-. тов приемо-передающих трактов (оптических систем, резонаторов и т. д.).

Ряд особенностей зависит также от того, что на оптических частотах антенны (линзы, зеркала) сопрягаются не с точечными, а с площадными приемниками. Как преобразование, так и детектирование сигналов осуществляется на некоторой поверхности (например, фотокатоде), которую часто можно рассматривать как совокупность многих элементарных приемников. В результате в оптическом диапазоне возникает возможность выполнения мозаичных приемных систем, на выходе которых выдается совокупность видеонапряжений (система с большим количеством выходов). Это создает предпосылки для создания ряда трудновыполнимых в радиодиапазоне устройств, например систем опознавания образа предметов, подобных фотографическим устройствам, в которых одновременно воссоздаются все элементы изображения.

В радиодиапазоне обычно удается четко разделить радиоприемное устройство на антенную часть и собственно приемник. В оптическом диапазоне собственно приемник в ряде случаев выполняет также задачу первичного формирования диаграммы направленности приемного устройства. Антенна как бы органически входит в состав приемника (например, в приемниках с квантовым усилителем и в супергетеродинах). Отметим, что это положение в равной мере относится и к передающим устройствам с квантовыми генераторами. Дополнительная оптическая система служит в них для создания требуемой результирующей диаграммы направленности. В связи с этим возникает необходимость более широкого привлечения антенной терминологии для анализа и синтеза систем оптического диапазона. Для анализа чисто приемных проблем здесь важно отметить, что интенсивность воспринимаемых приемником внешних помех определенным образом зависит от способа построения приемника. Но от способа построения приемника зависят также его шумовые характеристики, определяющие влияние собственно приемника на принимаемую информацию. Поэтому в отличие от радиодиапазона, где часто удается независимо решать задачи пространственной селекции внешних помех с помощью антенны и достижения высокой пороговой чувствительности собственно приемника, в оптическом диапазоне эти задачи оказываются взаимосвязанными.

Рассмотрим основные способы построения приемников в оптическом диапазоне. Несколько лет назад для приема оптических

излучений применялись вакуумные или полупроводниковые фотоэлементы, фотоумножители, болометры и другие типы детекторов излучения, которые в определенном смысле можно считать аналогами детекторного радиоприемника, С разработкой оптических квантовых генераторов появилась возможность практической реализации принципов прямого усиления оптической несущей, а также супергетеродинного метода приема. Таким образом, в настоящее время для приема оптических сигналов можно осуществить те же способы построения приемников, которые известны в радиодиапазоне, а именно:

1) приемники прямого усиления;

2) супергетеродинные приемники;

3) детекторные приемники.

Внешне блок-схемы приемников различных типов тождественны блок-схемам приемников радиодиапазона. Наиболее специфическими с точки зрения используемых физических процессов здесь являются фотодетекторы и усилители оптической несущей. Остальные блоки имеют отличия по чисто количественным показателям. Так, первая промежуточная частота в супергетеродине оптического диапазона может лежать в диапазоне СВЧ. Использование как более высоких, так и более низких промежуточных частот в оптических приемниках встречает определенные технические трудности. Частота модуляции оптической несущей может достигать сотен или тысяч мегагерц. Поэтому последетекторные каскады здесь можно назвать видеоусилителями также лишь весьма условно. Ясно, что эти отличия не носят принципиального характера, но влияют на способы технического осуществления тех или иных каскадов.

Для приема излучений оптического диапазона могут быть использованы следующие физические явления: внешний фотоэффект; внутренний фотоэффект; тепловое действие излучения.

Развитие квантовой электроники открыло также возможность прямого усиления оптических колебаний путем использования взаимодействия излучения с возбужденной (активной) средой (квантовые усилители).

Приведенный перечень явлений не претендует на полноту. Кроме того, в некоторых случаях бывает затруднительно четко определить характер явления. Так, при внутреннем фотоэффекте поглощенные фотоны переходят на более высокие энергетические уровни из валентной зоны в зону проводимости. Однако когда граница между зонами расплывчата, то говорят о тепловом действии излучения: Возникновение горячих электронов в решетке полупроводника под влиянием света представляет собой нечто среднее между внутренним фотоэффектом и тепловым действием.

Детекторный прием оптических излучений

Любое приемное устройство принимает сигнал в виде электромагнитного излучения

и выдает информацию в форме демодули-рованиого сигнала. Поэтому приемное устройство должно содержать специальный элемент - детектор, с помощью которого осуществляется выделение модулирующего сигнала. В радиодиапазоне принято различать две категории детекторов:

I) использующие нелинейный элемент, 2) использующие линейный элемент с переменным параметром (синхронные или когерентные детекторы). Однако детекторы второй группы, в которых для выделения модулирующего сигнала принципиально необходимо опорное переменное напряжение, будем считать в дальнейшем разновидностью смесителей *.

В дальнейшем под детектором будем понимать нелинейный элемент, воспринимающий излучение и выдающий видеонапря-жение; детекторными будем называть приемники, в которых отсутствует усиление излучения до детектора.

Простейшими устройствами подобного типа, как уже упоминалось, являются приборы, основанные на использовании фотоэффекта и теплового действия излучения: вакуумные и полупроводниковые фотодиоды, фотосопротивления, болометры. -

Обычно принято считать, что приборы, использующие тепловое действие излучения, являются весьма инерционными и поэтому малопригодны для информативных систем. Однако это ие так: если излучение нагревает вещество с малой теплоемкостью (например, электронный газ в решетке полупроводника при сверхнизких.температурах), то постоянная времени прибора может быть очень малой.

Отметим, что, несмотря на внешнее сходство, фотодиоды имеют определенные отличия от обычных радиочастотных диодов. В последних напряжение входного сигнала включено последовательно с диодом и нагрузкой, а приходящий сигнал воздействует иа уже имеющиеся в приборе носители тока.

В фотодиодах кванты сигнала создают носители тока, причем входной сигнал не включен последовательно в цепь прибора и при используемых уровнях сигналов отсутствует обратная реакция прибора на излучение. Вследствие наличия ускоряющего напряжения фотодиоды могут усиливать принимаемый сигнал. Поэтому фотодиод скорее имеет аналогию не с обычным, а с анодным или сеточным детектором.

Пусть процесс фотопреобразования характеризуется квантовой эффективностью tj, определяющей среднее количество первичных носителей тока на один фотон на входе. Тогда ток детектора будет равен:

1Д = n Ne. (29-28)

где N - число падающих на фотоповерхность фотонов в секунду; е - заряд электрона.

* В литературе иногда прием с использованием синхронного детектора называют гомодиниым.

Это выражение показывает, что фото-ток пропорционален мощности оптического сигнала, так как

iK~N; Nhf = PBX. (29-29)

При этом выходная мощность Рвых~1д~ ~ PgX, т. е. фотодетектор является квадратичным устройством. Иа этом основании детекторные, приемники часто называют квадратичными приемниками.

В радиодиапазоне часто ставится задача точного воспроизведения огибающей несущих колебаний, для чего необходимо, чтобы мгновенные значения напряжения на выходе были пропорциональны амплитуде сигнала на входе:

В этом случае предъявляются определенные требования к режиму работы детектора - детектор должен быть линейным . Слово линейный взято в кавычки, так как детектор по существу является всегда нелинейной системой. Однако в режиме линейного детектирования (сильных сигналов) зависимость между мгновенным значением выходного напряжения и амплитудой несущей на его входе становится линейной.

У оптических детекторов не существует режимов, аналогичных линейному детектированию радиосигналов. Единственным способом приема оптических излучений, при котором можно осуществить воспроизведение огибающей без существенных нелинейных искажений, является супергетеродинный с преобразованием частоты оптического сигнала в промежуточную радиочастоту и с последующим радиочастотным детектором. Далее будет показано, что режим точного воспроизведения огибающей амплитудно-модулированных колебаний не является оптимальным по чувствительности в оптическом диапазоне и стремление к его реализации не имеет в большинстве случаев практического смысла.

В процессе детектирования излучений возникают свободные носители тока. Для ослабления влияния на чувствительность приемника шумов усилительных каскадов, следующих за фотодетектором, целесообразно осуществить усиление электронных потоков, возникших в результате взаимодействия света с веществом. Такое усиление можно осуществить двумя различными способами.

Во-первых, это можно сделать путем умножения числа носителей. Такой способ используется, например, в фотоэлектронных умножителях (ФЭУ).

Во-вторых, поскольку инерция фотоэффекта невелика н для модуляции оптических квантовых генераторов можно использовать очень высокие частоты модуляции, для усиления фототока могут быть использованы классические методы усиления СВЧ сигналов. В результате сочетания фотоэлектрон-

ных преобразователей с СВЧ усилителями в последние годы были созданы фотоклистроны, фото-ЛБВ, фотопараметрические усилители и некоторые другие приборы. Назовем эту вторую группу приборов устройствами с усилением мощности фото т о к а после детектирования.

Эти две группы фотоприборов: с умножением носителей и с усилением мощности фототока после детектирования - отличаются не только механизмом усиления, но и достижимыми чувствительностямн

Существенное различие между этими типами фотоприборов заключается в том, что механизм умножения тока при приеме импульсных оптических сигналов является N бесшумным (при непрерывных видах модуляции информация искажается из-за флуктуации коэффициента умножения), а мощность тепловых шумов нагрузки пере-считывается на вход фотоприбора путем деления на коэффициент передачи мощности, пропорциональный квадрату коэффициента умножения тока. В приборах с усилием мощности фототока, например в фото-ЛБВ, тепловой шум на входе спирали такой же, как н иа выходе.

Названные типы приборов не являются взаимоисключающими; возможны сочетания р;азных механизмов усиления (ФЭУ + фото-ЛБВ); возможны также случаи, когда затруднительно провести различие в способах усиления сигнала.

В общем случае всякий фотоприбор можно представить состоящим из трех основных секций: 1) фотообразователя или собственно детектора, в котором осуществляется преобразование излучения в носители тока; 2) усилительной секции, в которой осуществляется усиление (умножение) тока;3) токосъемника (спираль ЛБВ, анод ФЭУ и т. п.), который преобразует усиленный ток в сигнал, подаваемый к дальнейшим каскадам приемника. Свойства указанных элементов влияют на усиление, частот-, ную характеристику и чувствительность детекторных приемников.

Весьма существенной и специфической особенностью оптических детекторов является возможность и целесообразность реализации режима приема отдельных фотонов, который не имеет аналога в радиодиапазоне. В оптическом диапазоне тепловое излучение при нормальных температурах ничтожно мало и приемник, воспринимающий отдельные кванты, становится целесообразным.

В связи с этим в оптическом диапазоне можно реализовать два характерных режима детекторного приема: режим приема огибающей; режим счетчика фотонов.

Различие между этими режимами целесообразно провести по числу фотоэлектронов, приходящихся на время разрешения приемника