Главная  Электронные квантовые приборы СВЧ 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 [ 29 ] 30

активно используется больший объем полупроводникового кристалла. ОКГ с электронным возбуждением генерируют в инфракрасном, видимом и ультрафиолетовом диапазонах, тогда как инжекционные ОКГ - только в инфракрасной и красной областях спектра.

Разработаны также полупроводниковые ОКГ с оптической накачкой, где инверсная населенность в чистом полупроводнике создается воздействием интенсивного света. Эти приборы не получили распространения, так как источниками накачки для них служат другие ОКГ.

§ 10.8. ЖИДКОСТНЫЕ ОКГ

Оптические квантовые генераторы с жидкой активной средой потенциально объединяют в себе преимущества твердотельных и газовых приборов. Так же, как и твердотельным ОКГ, им свойственна большая концентрация активных частиц, а следовательно, возможность получения высоких энергий с 1 см активного вещества. С другой стороны, вследствие высокой оптической однородности жидкостей такие ОКГ по направленности и когерентности генерируемого излучения приближаются к газовым.

Жидкостные ОКГ могут работать в непрерывном режиме, так как выделяющееся тепло легко отводить, применив циркуляцию жидкости. Они более перспективны по сравнению с импульсными ОКГ на твердом теле, которые часто выходят из строя вследствие больших внутренних потерь, приводящих к растрескиванию, а змогда и к взрыву активного материала. Важ1ными цреимущвствами жидкостных ОКГ являются относительно низкая стоимость и возможность плавной перестройки частоты. Частота перестраивается, например, плавным изменением длины кюветы, в которую помещена рабочая жидкость. Для этого одно из окон кюветы перемещают под действием гидростатического давления, создаваемого поршнем в резервуаре с жидкостью.

В качестве активной среды чаще всего используют растворы органических красителей (пиронина, родамина, трипафлавина, триаминофталамида и др.) в спиртах, глицерине, серной кислоте или воде. Применяются также неорганические жидкости, например, раствор неодима в хлорокиси селена.

Источниками оптической иакачки для жидкостных ОКГ служат либо другие ОКГ (на рубине, на неодимовом стекле), либо импульсные лампы. Коэффициент преобразования энергии накачки в энергию когерентного излучения может достигать 50%.

В настоящее время получена импульсная мощность излучения до 1 МВт при длительности импульса порядка долей микросекунды. Ширина линии генерации находится в пределах 5-10 -2-10-* мкм. Расходимость пучка выходного излучения иа порядок меньше расходимости у твердотельных ОКГ. Генераторы на органических красителях созданы в видимой и инфракрасной областях спектра.

§ 10.9. АМПЛИТУДНАЯ МОДУЛЯЦИЯ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Успешное применение ОКГ в системах связи и радиолокации возможно только при наличии эффективных средств модуляции оптического излучения. Действительно, для полного использования огромной информационной емкости перспективных линий связи видимого диапазона (частота несущей 5-10 Гц) необходимы полосы модуляции с верхним пределом 10 -10 Гц, что соответствует миллиметровому и субмиллиметровому диапазонам длин волн.

Разработка столь широкополосных модуляторов, а также фотоприемников в ближайшее время невозможна. Более приемлемо частотное или временное уплотнение оптических каналов. Например, в системе частотного уплотнения на соседних участках спектра ОКГ можно расположить сравнительно узкополосные сигналы

большого числа каналов и тем самым сформировать широкополосный групповой сигнал и облегчить требования к модуляторам и фотоприемникам. Однако даже в этом случае требуется полоса модуляции порядка сотен мегагерц.

При разработке модуляторов оптического диапазона, кроме проблемы широкополосности, важное значение имеют вопросы снижения потребляемой мощности и обеспечения линейности модуляционной характеристики в большом динамическом диапазоне.

Различают внешние и внутренние методы модуляции ОКГ. В первом случае модулирующие устройства воздействуют на уже сформированный луч вне квантового генератора, во втором случае воздействуют на сам источник излучения в процессе генерации.

В оптическом диапазоне используют амплитудную, частотную, фазовую и некоторые другие виды модуляции. Амплитудная модуляция реализуется проще других, и потому наиболее распространена.

Рассмотрим рис. 10.22. Выходное излучение ОКГ / поступает на поляризатор 2, после которого волна становится линейно поляризованной в плоскости, указанной стрелкой. Далее волна проходит через оптическую анизотропную среду 3, свойства которой мо-


Рис. 10.22. Схема внешнего амплитудного модулятора поляризационного типа:

/ - ОКГ: 2 - поляризатор; 3 - ани-эотролиая оотичеокая о)ела; 4 -

анализатор .

гут изменяться 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). Через анализатор 4 проходит только та составляющая излучения, которая поляризована в указанной стрелкой плоскости. В изображенном модуляторе поляризатор и анализатор скрещены, так что при отсутствии анизотропии среды 3 интенсивность выходного излучения равна нулю. Увеличивая анизотропию среды, получим возрастание интенсивности излучения, т. е. амплитудную модуляцию.

Различают линейный электрооптический эффект, наблюдаемый в твердых телах (эффект Поккельса). и квадратичный, возникающий в жидкостях (эффект Керра). В модуляторах видимого излучения наиболее часто используют кристаллы первичнокислого фосфата калия - KDP и первичнокислого фосфата аммония - ADP. Схема модулятора, использующего эффект Поккельса, показана на рис. 10.23. Коаксиальный резонатор с кристаллом возбуждается свч генератором, колебания которого модулируются по амплитуде низкочастотным генератором. Таким образом, свч колебания выполняют здесь роль поднесущей. Высокодобротный резонатор необходим для создания на кристалле переменного напряжения порядка нескольких киловольт. Вектор напряженности электрического поля в кристалле совпадает с осью резонатора.

Под действием электрического поля в кристалле возникает двойное лучепреломление, и между обыкновенным и необыкновенным лучами появляется раз-



ость фаз, в результате чего плоскополяризованный свет превращается в эллиптически поляризованный Оси эллипса изменяются в соответствии с модулирующим напряжением, т. е. вектор поляризации света на выходе кристалла вращается. При скрещенных поляризаторе и анализаторе интенсивность (плотность) выходного излучения определяется выражением

/ = /о sin2

(10 23)

К 2 .

тде (У - напряжение, приложенное к кристаллу; X -оптическая длина волны-преломления для обыкновенного луча; г - электрооптический коэффициент; <ро -- фазовый сдвиг в фазовращателе.

Ф 4в


Рнс. 10.23. Схема модулятора с электрооптическим кристаллом;

- низкочастотный генератор; 2 - свч генератор: 3 - коаксиальный резонатод)- 4- кристалл; 5 - фазовращатель; - анализатор; 7 - шоляризатор; S -ОКГ

Рис. 10.24. Модуляционная характеристика

Модуляционная характеристика (10.23) при фо=0 имеет вид, показанный а рис. 10.24. При Цв = л/2 начальная точка О располагается посредине линейного участка характеристики. Фазовращатель образован тонкой пластинкой слюды, в которой вследствие двоЙ1.-ого лучепреломления возникает фиксированная разность фаз между лучами на выходе.

11араметры типичного модулятора на кристалле ADP таковы: размер кристалла 19X89 мм; резонансная частота объемного резонатора 850 МГц; полоса частот модуляции 2 МГц; входная мощность на сопротивлении 50 Ом-8 Вт; глубина модуляции 30%; рабочая температура 25°С Кристаллы KDP можно применять для модуляции излучения ОКГ на частотах до 10 ГГц при полосе модуляции 20 МГц и потребляемой мощности 50 Вт. Инерционность самого элект- рооптического эффекта весьма мала и составляет всего 10 с.

В модуляторах инфракрасного диапазона используют кристаллы арсенида таллия, которые хорошо пропускают излучение в диапазоне 1,2-15 мкм и обладают существенным электрооптическим эффектом.

Квадратичный электрооптический эффект наблюдается в таких жидкостях, как нитробензол, сероуглерод, бензин, спирт и др. Основной частью модулятора с жплкоГ; средой яеДястся н--;ёйка Керра - 1:осуд с иролрачными плоскопарал-лельпыми стенками, заполненный электрооптической жидкостью, в которую введены электроды. Ячейка помещена между скрещенными поляризатором и анализатором, а к электродам подведено модулирующее напряжение. Модуляцион-<1ая характеристика определяется выражением

/ = /osin2

(10 24)

где / - длина пути излучения в жидкости; d -расстояние между электродами; В - электрооптическая постоянная; И - модулирующее напряжение.

Модуляторы такого типа сейчас применяются редко вследствие нелинейности модуляционной характеристики, значительных потерь излучения, трудности герметизации ячейки н быстрого замутиения жидкости под влиянием электролиза.

В модуляторах, основанных на эффекте Фарадея, магнитооптическое вещество помещено внутрь соленоида, создающего переменное магнитное поле. Модуляционная характеристика при скрещенных поляризаторе и анализаторе имеет вид

/=/osin4CW), (10.25)

где Н - напряженность магнитного поля; / - длина образца магнитооптического вещества; С - постоянная Верде.

Наибольшие значения постоянной С имеют ферромагнитные материалы, например, железо-иттриевый гранат. Модуляторы с соленоидами являются узкополосными вследствие большой индуктивности соленоида.

Для газовых и полупроводниковых ОКГ возможна внутренняя амплитудная модуляция путем изменения тока возбуждения. Применительно к газовым генераторам этот метод не имеет практической ценности, так как модуляция возможна только в диапазоне звуковых частот. Для полупроводниковых ОКГ такая модуляция очень перспективна. Верхняя граница модуляции составляет 10 Гц, т. е. выше, чем при использовании электрооптического эффекта.

Эффективным методом внутренней модуляции импульсных ОКГ является модуляция добротности, или Q-модуляция. Для этого в резонатор ОКГ вводится специальный затвор, который периодически скачкообразно изменяет добротность резонатора. Когда добротность резонатора мала, генерации нет, и под влиянием энергии накачки на верхнем уровне накапливаются возбужденные частицы. При резком увеличении добротности генератор самовозбуждается и излучает очень мощный кратковременный ( гигантский ) импульс длительностью в несколько десятков наносекунд. В ОКГ на неодимовом стекле были получены гигантские импульсы мощностью 6 ГВт.

В качестве затворов для модуляции добротности используют электрооптический модулятор, помещаемый внутрь резонатора, или вращающуюся призму. Эта призма является одним из отражателей резонатора, причем параллельность ее с другим отражателем достигается только в определенные моменты времени.

§ 10.10. ФАЗОВАЯ И ЧАСТОТНАЯ МОДУЛЯЦИИ

Фазовая модуляция реализуется при помощи электрооптических сред, в которых скорость распространения излучения меняется в зависимости от приложенного управляющего напряжения. Для широкополосной модуляции свч сигналом используют принцип взаимодействия бегущих волн, когда излучение ОКГ и управляющий свч сигнал распространяются в электрооптической среде с одинаковой скоростью. При этом обеспечивается длительное взаимодействие волн излучения с управляющим напряжением одной и той же фазы, в результате чего уменьшается требуемая мощность модулирующего воздействия.



Поскольку диэлектрическая проницаемость кристалла зависит от частоты, скорость распространения свч колебаний оказывается в несколько раз меньше скорости оптического излучения. Для уравнивания этих скоростей предложены различные методы.

В коллинеарных модуляторах бегущей волны направления распространения оптического излучения и модулирующего сигнала совпадают. Уравнивание скоростей достигается тем, что свч полосковая линия заполняется электрооптической средой частично, причем оптическое излучение полностью распространяется внутри этой среды. Таким образом, эквивалентные диэлектрические проницаемости выравниваются. Экспериментальный коллииеарный модулятор на кристаллах ADP позволил осуществить фазовую модуляцию в полосе ЗО-г-1000 МГц, При потребляемой мощности 12 Вт индекс модуляции становился равным единице.

В неколлинеарных модуляторах оптическое излучение и модулирующий сигнал распространяются по разным направлениям (рис. 10.25). Групповая скорость оптического луча замедляется вследствие многократных отражений от границ волновода. Анализ показывает, что излучение ОКГ должно быть поляризовано вдоль направления, перпендикулярного к плоскости падения (модулирующий сигнал поляризован в плоскости падения). Тогда выходящий луч сохраняет исходную поляризацию и амплитуду, но промодулирован по фазе.

По схеме рис. 10.25 может быть построен и широкополоснмй амплитудный модулятор. Оказывается, что в этом случае требуется поляризация излучения ОКГ под углом 45° к плоскости падения. Экспериментальные модуляторы такого типа обеспечивали при управляющей мощности 25 Вт модуляцию глубиной 100% в полосе частот до 1 ГГц.

Частотная модуляция ОКГ оюуществляеггся методами внутренней моду-с использованием эффектов Зеемана и Штарка или посредством изменения параметров Оптического резонатора. При изменении геометрических размеров резонатора одно из зеркал устанавливают на магнитострикционном стержне, на обмотку которого подают модулирующее напряжение. При изменении оптической длины резонатора в нем размещают электрооптический кристалл. Модуляция коэффициента преломления кристалла вызывает модуляцию оптической длины резонатора и частоты генерации. При помощи такого модулятора на кристалле KDP получено в видимой области спектра смещение частоты 50 МГц от управляющего напряжения 100 В.

§ 10.11. ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ОКГ В СИСТЕМАХ СВЯЗИ

В настоящее время в Советском Союзе и за рубежом производятся интенсивные исследования по использованию ОКГ в системах связи. Важным достоинством оптических систем связи является в перспективе их огромная информационная емкость. При частоте оптической несущей 5-10 Гц в линии может быть реализовано 10 телефонных каналов или 10 телевизионных каналов. Другим преимуществом системы связи с ОКГ является высокая направлевность луча и отсутствие боковых лепестков, что позволяет осуществить скрытность передачи информации, снизить потери на дифракцию, повысить помехозащищенность системы.

Однако разработка практических систем связи наталкивается на ряд принципиальных трудностей. Во-первых, полная реализация информационной емкости оптической линии связи требует разработки чрезвычайно широкополосных модуляторов и приемников излучения, а также очень сложных систем временного или частотного уплотнения каналов. Во-вторых, распространение оптических волн в атмосфере сопровождается поглощением, сильно зависящим от метеорологических условий. Для связи выбирают частоты, расположенные в окнах прозрачности атмосферы. Например, излуче-

ние гелий-неонового ОКГ (Л=0,63 мкм) при ясной погоде испытывает затухание в несколько децибел на километр, однако в условиях тумана, дождя или снегопада затухание может увеличиться до десятков децибел на километр. Для устранения влияния атмосферы могут быть применены световоды - искусственные линии, направляющие оптическое излучение. Существующие световоды пока не удовлетворяют требованиям техники связи, обладая значительным затуханием и сильной чувствительностью к изгибам.

Оптические приемные устройства построены по принципу прямого усиления или по супергетеродинной схеме. Гетеродином служит ОКГ, идентичный передающему генератору, однако работающий на другом типе колебаний, причем разность частот квантовых генераторов соответствует диапазону свч. В качестве смесителей используются приемники лучистой энергии с внешним фотоэффектом: фтоум'ножители, фогоэлементы с бегущей волной.

А

3 и.....~*1 А-А


<

Рис. 10.25. Схема неколлинеарного фазового модулятора бегущей волны:

бегущей волны:

/ - ОКГ; 2 - поляризатор; 3 - модулирующий свч сигнал; 4 - электрооптический кристалл; Б - модулированное излучение; 6 - анализатор; 7 - полосковый волновод

Принимаемый сигнал и излучение j гетеродинного ОКГ направляются ч на фотокатод смесителя (рис. 10.26). \ Фотокатод обладает квадратичной ха- - рактеристикой, и благодаря этой не- линейности на выходе образуется сигнал разностной частоты, содержащий переданную информацию.

Достоинством супергетеродинного

метода приема является высокая чув- р„с. io.26. Схема оптического ствительность и возможность решения супергетеродинного приемного задачи фильтрации сигнала на свч, а устройства:

е а оптических частотах. Однако /-принимаемое излучение; 2--П0-

лупоозрачное зеркало; 3 - диафраг-

ТаКИе приемники чувствительны к из- ма; 4-смеситель; 5-гег€1родииный

менениям (пространственной когерент-

ности излучения вследствие турбулентности атмосферы, а также к искажениям волнового фронта из-за несовершенства оптической системы. В частности, на практике трудно обеспечить требуемую высокую степень параллельности световых пучков сигнала и гетеродина. При непараллельности лучей фазовые соотношения для сме-



1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 [ 29 ] 30