Волоконно-оптические линии связи
— желаемую инверсию населенностей
энергетических зон в области р-n перехода. Таким образом, полупроводник
накачан, он запас энергию.
Если спонтанно и случайно произойдет переход от такого возбужденного
состояния атомов в основное состояние (рекомбинация носителей заряда), то
излучаемый свет будет некогерентен. Его мощность тем выше, чем больше
прикладываемое напряжение, чем больше ток через р-n переход и чем больше
число возбужденных атомов. В этом состоянии такой прибор еще не лазер, а
светоизлучающий диод.
Однако если повышать далее ток через переход, то при определенном токе
при наличии обратной связи будет достигнуто такое усиление, когда будет
выполняться условие самовозбуждения, являющееся предпосылкой стабильного
излучения. При этом так называемом пороговом токе диод начинает
генерировать лазерное излучение, это означает, что выходящий свет
синхронизирован по фазе и когерентен. Теперь с возрастанием тока его
мощность увеличивается приблизительно пропорционально току.
В твердотельном и газовом лазерах необходимо наличие зеркальных
поверхностей для образования оптических резонаторов. В полупроводниковом
лазере объем резонатора много меньше: р-n переход, в области которого
образуется индуцированное излучение, имеет толщину менее 1 мкм и ширину
несколько десятков микрометров. Крепление зеркал при таких габаритах
затруднено, да в этом и нет необходимости, так как очень высокий
коэффициент преломления арсенида галлия (GaAs), который сегодня применяется
в качестве основного материала для светоизлучающих диодов, позволяет
реализовать функцию отражения в самом кристалле. Так, если разломить
кристалл полупроводника в определенном направлении, то ровные поверхности
излома работают аналогично отражателям оптического резонатора.
Глава четвертая
УТОПИЯ И РЕАЛЬНОСТЬ
4.1 Фантастические возможности
Когда к началу б0-х годов появились первые пригодные к эксплуатации
лазеры, стало очевидным, что свет предстал в новом качестве — когерентное
электромагнитное колебание на несколько порядков раздвинуло границы
применяемого в технике связи диапазона частот. Оптимистические расчеты едва
или можно было опровергнуть: длины волн около 1 мкм соответствуют частоте 3-
1014 Гц. Если приняты лишь 1% этого значения в качестве ширины полосы
сигнала, которыми можно модулировать данное колебание, то получим значение
3000 Ггц. Это соответствовало бы приблизительно миллиарду телефонных
разговоров или миллиону телевизионных программ, которые можно было бы
передать одним единственным световым лучом! Известно, что самый лучший и
самый дорогой коаксиальный кабель с медными проводниками обладает едва ли
одной тысячной долей этой пропускной способности и что в будущем крайне
необходимо будет передавать информацию очень большого объема. Число
телефонных абонентов в мировой телефонной сети постоянно и неудержимо
растет, а растущие хозяйственные и промышленные отношения между странами и
континентами требуют все больше качественных каналов связи. Когда же в
сферу рассмотрения перспективных проектов включили возможность
использования видеотелефона (а передача одного-единственного изображения
требует почти тысячекратной пропускной способности по равнению с телефонным
сигналом), то стало необходимым считаться с сильно возросшей потребностью в
канале передачи информации.
4.2 Модуляция интенсивности излучения
Горизонтально натянутая струна соответствующим возбуждением на одном
конце приводится в колебательное состояние. Волна распространяется вдоль
струны и может быть зарегистрирована на другом конце. Такая механическая
волна может быть понята как модель световой волны, которая движется от
источника света к приемнику. Горизонтально натянутая струна может быть
возбуждена по-разному — отклонение струны может происходить или в
вертикальной, или в горизонтальной плоскости. Когда речь идет о световой
волне (или о радиоволне, излучаемой антенной), говорят в первом случае о
вертикальной, а во втором случае - о горизонтальной поляризации волны. Если
горизонтальная и вертикальная компоненты появляются в определенной
временной последовательности, то это приводит к круговой поляризации
электромагнитных колебаний. Для приемника колебаний на другом конце линии
это тонкое различие в свойствах светового потока не существенно. Так же как
и человеческий глаз, он не реагирует на плоскость поляризации света и
регистрирует только мощность света (в модели — степень отклонения струны);
он не различает горизонтальную и вертикальную поляризацию света. Однако
имеются оптические элементы, которые реагируют на поляризацию света. Их
называ-' ют поляризационными фильтрами. Будучи поставлены в определенном
положении относительно направления распространения луча, они становятся
светопроницаемыми для определенного вида поляризации, для света же с
направлением поляризации, повернутым на 90°, они, напротив, почти полностью
непроницаемы. Только когда сам фильтр поворачивают на такой же угол (вокруг
оси направления распространения света), он пропускает свет второго вида
поляризации, преграждая при этом путь первому.
Этот эффект применяется для модуляции световых лучей, когда имеется
возможность изменять плоскость поляризации света желаемым образом, в
соответствии с изменением модулирующего (передаваемого) сигнала.
Осуществить такую модуляцию можно с использованием известного
электрооптического эффекта: если послать луч света через кристалл
определенного состава и к нему перпендикулярно направлению распространения
света приложить электрическое поле, то плоскость поляризации света тем
больше поворачивается в зоне действия поля, чем выше его напряженность, т.
е. чем выше приложенное для создания поля напряжение.
Для этой цели подходят монокристаллы дигидрофосфат аммония (NH4H2PO4)
и дигидрофосфат калия (КН2РО4}, коротко они обозначаются как ADP или KDP
кристаллы.
Описанным эффектом объясняется механизм действия электрооптического
модулятора. Свет, покидающий газовый лазер, попутно может быть поляризован
устройством в разрядной трубке оптического окна, расположенного под углом
Брюстера. Поляризация может быть осуществлена также и с помощью
поляризационного фильтра.
Линейная модуляция, прежде всего, преобразуется в круговую модуляцию с
помощью так называемой четвертьволновой пластинки. В кристалле ADP эта
модуляция в зависимости от сигнала становится более или менее
эллиптической. На выходе поляризационного фильтра затем получается свет,
модулированный по интенсивности. Если к электродам кристалла не приложено
напряжение, то направление поляризации в кристалле не меняется и ориентация
подключенного поляризационного фильтра соответствует плоскости поляризации
света, выходящего из лазера (или после модулятора), причем свет проходит
через все устройство практически неослабленным. Но если напряжение на
электрооптическом кристалле повышается и при этом увеличивается угол
поляризации выходящего света, то через поляризационный фильтр проходит
уменьшающаяся часть света. При изменении поляризации на 90° второй фильтр
полностью поглощает излучение и на выходе устройства образуется темнота.
Подобные модуляторы подходят также для очень быстрых изменений
прилагаемого модулирующего напряжения. Они преобразуют передаваемый сигнал
в полосе выше 1 ГГц, гораздо большей, чем это было возможно электрическими
методами.
Модуляция интенсивности лазерного излучения без модуляции направления
поляризации несомненно представляла бы собой технически более изящное
решение. Кроме описанного конструктивного принципа (так называемой внешней
модуляции лазера) можно реализовать другие варианты. Кристалл можно было
бы, например, встроить в корпус резонатора газового лазера и обойтись
значительно меньшей мощностью модулирующего сигнала (внутренняя модуляция).
Тем самым устранялся бы существенный недостаток кристаллических
модуляторов, обладавших в целом хорошими модуляционными характеристиками:
потребность в больших напряженностях управляющего поля и соответственно
высоких управляющих напряжениях (до нескольких сотен вольт).
В результате развития лазерной техники выяснилось, что для инженера
простая модулируемость имеет преимущество перед когерентностью. Недостатки
газового лазера, включая сложную модуляцию его излучения, уравновесили в
системах связи потери в приемнике прямого усиления. Поэтому газовый лазер в
основном исчез с рабочих столов инженеров по оптической технике связи и
освободил место инжекционным лазерам и светоизлучающим диодам, даже с
учетом ряда их недостатков, которые можно было устранить только в процессе
последовательной неустанной работы по их совершенствованию.
4.3 Как передают свет?
Когда задача быстрой модуляции излучения газового лазера не была еще
как следует решена, все же была ясна ее принципиальная возможность. Однако
в 60-е годы еще нельзя было твердо сказать о решении важной проблемы —
проблемы передачи модулированного света от одного места к другому. Только в
космосе передача представляется сравнительно простой, поскольку свет в нем
распространяется без ослабления. Когда удается очень сильно сфокусировать
свет, т. е. получить пучок света толщиной с иглу (а это возможно для
когерентного св
| |  скачать работу |
Волоконно-оптические линии связи |
