когерентный оптический приемник
Классы МПК: | G01J1/04 оптические и механические |
Автор(ы): | Удовиченко В.Н., Шумаев В.В. |
Патентообладатель(и): | Государственное предприятие "Дальняя связь" |
Приоритеты: |
подача заявки:
1994-06-10 публикация патента:
10.11.1997 |
Использование: область волоконно-оптической связи. Сущность изобретения: в когерентный оптический приемник, содержащий оптический ответвитель, состоящий из двух оптических направленных ответвителей для формирования двух каналов, оптический усилитель, фазосдвигающий элемент со схемой управления, источник накачки оптического усилителя, фотоприемник, введена оптическая линия задержки, оптический усилитель выполнен, по крайней мере, из двух оптических усилителей, входного и выходного, между которыми установлен оптический вентиль, при этом второй выход первого оптического направленного ответвителя через оптическую линию задержки подключен к второму входу второго оптического направленного ответвителя, выходы которого подключены к входам фотоприемника, а фазовый сдвиг между оптическими колебаниями в каналах равен нечетному числу
/2. Кроме этого, источник накачки снабжен схемой управления, выход которой подключен к источнику накачки оптического усилителя, а вход подключен к выходу фотоприемника. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.
Рисунок 1
![когерентный оптический приемник, патент № 2095764](/images/patents/377/2095209/960.gif)
Формула изобретения
1. Когерентный оптический приемник, содержащий оптический ответвитель, состоящий из двух оптических направленных ответвителей для формирования двух каналов, оптический усилитель с источником накачки, фазосдвигающий элемент со схемой управления, фотоприемник, при этом первый выход первого оптического направленного ответвителя через оптический усилитель и фазосдвигающий элемент подключен к первому входу второго оптического направленного ответвителя, а выход фотоприемника подключен к схеме управления фазосдвигающего элемента, отличающийся тем, что в него введена оптическая линия задержки, оптический усилитель выполнен по крайней мере из двух оптических усилителей, входного и выходного, между которыми установлен оптический вентиль, при этом второй выход первого оптического направленного ответвителя через оптическую линию задержки подключен к второму входу второго оптического направленного ответвителя, выходы которого подключены к входам фотоприемника, а фазовый сдвиг между оптическими колебаниями в каналах равен нечетному числу n/2. 2. Приемник по п.1, отличающийся тем, что источник накачки оптического усилителя выполнен регулируемым и снабжен схемой управления, выход которой подключен к источнику накачки оптического усилителя, а вход подключен к выходу фотоприемника.Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к области волоконно-оптической связи и может быть использовано в приемной аппаратуре систем, где необходимо обеспечить максимальную дальность передачи без ретрансляции. Известен оптический гетеродинный приемник [1] содержащий лазер-гетеродин, фотоприемник и схему автоподстройки частоты рабочего излучения лазера-гетеродина, в которой сигнал ошибки вырабатывается по выходному сигналу фотоприемника. Недостатками известного устройства являются высокие требования к монохроматичности лазеров, сложность схем автоподстройки частоты лазера-гетеродина и, как следствие, недостаточно высокая стабильность гомодинного режима приема, обеспечивающего теоретически наивысшую чувствительность. Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является выбранный в качестве прототипа когерентный приемник [2] содержащий оптический направленный ответвитель для формирования двух каналов - сигнального, соединенного с фотоприемником, и второго канала, содержащего фазосдвигающий элемент и оптический усилитель. Автоподстройка когерентного оптического приемника-прототипа осуществляется с использованием фазосдвигающего элемента, который через схему регулирования связан с фотоприемником. Когерентный оптический приемник-прототип позволяет осуществить гомодинный прием, поскольку в нем в качестве гетеродинирующего оптического сигнала используется часть принимаемого сигнала, которая после усиления оптическим усилителем подается на вход фотоприемника совместно с другой частью того же принимаемого сигнала. Недостатком прототипа является то, что на вход фотоприемника поступает как принимаемый оптический сигнал, так и спонтанное излучение оптического усилителя, вследствие чего гетеродинирующий сигнал характеризуется высоким уровнем шума, снижающим чувствительность когерентного оптического приемника, которая по этой причине принципиально не может быть близкой к теоретически возможному значению. Другим недостатком прототипа является то, что при уровне мощности спонтанного излучения на входе оптического усилителя, соизмеримом или выше мощности оптического сигнала, происходит, за счет обратной связи, захват и лавинное усиление излучения со случайной длиной волны, соответствующей наиболее интенсивным спонтанным составляющим в спектральном диапазоне излучательных рекомбинаций активной среды оптического усилителя. Заявляемое техническое решение направлено на повышение чувствительности когерентного оптического приемника при одновременном сохранении стабильности его работы в гомодинном режиме. Указанная цель в заявляемом решении достигается за счет того, что оптический направленный ответвитель для формирования двух каналов состоит из двух оптических направленных ответвителей, при этом первый выход первого направленного ответвителя через оптический усилитель и управляемый фазосдвигающий элемент подключается к первому входу второго оптического направленного ответвителя, второй выход первого оптического направленного ответвителя через оптическую линию задержки подключен ко второму входу второго оптического ответвителя, оптический усилитель выполнен, по крайней мере, из двух оптических усилителей (входного и выходного), между которыми установлен оптический вентиль, выходы второго оптического направленного ответвителя подключены к входам фотоприемника, выполненного по балансной схеме, а выход фотоприемника подключен к схеме управления фазосдвигающим элементом, обеспечивающей фазовый сдвиг между оптическими колебаниями в каналах, равным нечетному числу![когерентный оптический приемник, патент № 2095764](/images/patents/377/2095209/960.gif)
![когерентный оптический приемник, патент № 2095764](/images/patents/377/2095099/964.gif)
Pвых1 Pс
![когерентный оптический приемник, патент № 2095764](/images/patents/377/2095006/183.gif)
где
Pш1 мощность шумовой составляющей выходного сигнала входного оптического усилителя 2, определяемая, в основном, биениями входного сигнала со спонтанным излучением самого входного оптического усилителя 2. Точное воспроизведение на выходе входного оптического усилителя 2 длина волны
![когерентный оптический приемник, патент № 2095764](/images/patents/377/2095034/955.gif)
Pвых2 Pвых1
![когерентный оптический приемник, патент № 2095764](/images/patents/377/2095006/183.gif)
Здесь PсG1G2 полезная (гетеродинирующая) составляющая мощности выходного сигнала оптического усилителя 12, Pш1G2+Pш2 результирующая мощность шумовой составляющей на выходе оптического усилителя 12. Значения коэффициентов усиления G1 и G2 устанавливаются для расчетного уровня принимаемого сигнала так, чтобы обеспечивалось максимальное отношение полезной и шумовой составляющих на выходе оптического усилителя 12, при этом уровень выходной мощности оптического усилителя 12 должен быть достаточным для преобладания дробовых шумов оптического сигнала над тепловыми шумами фотоприемника 7 ("квантовоограниченный" режим работы), а также условие эффективного гетеродинирования, Pвых2>>Pс. Кроме того, в устройство введена дополнительная петля автоподстройки рабочего режима когерентного оптического приемника, предназначенная для расширения диапазона входных уровней сигнала, в котором обеспечиваются нормальные характеристики. В эту петлю входят регулируемый источник 11 накачки оптического усилителя 12, т.е. входящих в него оптических усилителей (или хотя бы одного из них), а также схема 10 управления источником накачки 11, которая, в свою очередь, управляется напряжением, вырабатываемым схемой автоматической регулировки усиления (АРУ) фотоприемника 7. При повышении уровня принимаемого оптического сигнала и приближении к насыщению коэффициента усиления оптического усилителя 12, напряжение АРУ, воздействуя на схему 10 управления, обеспечит автоматическое снижение усиления оптического усилителя 12 до уровня, исключающего перегрузку фотоприемника 7, при этом снижается также шумовая составляющая гетеродинного излучения. С выхода оптического усилителя 12 мощность Pвых2 гетеродинирующего сигнала через управляемый фазосдвигающий элемент 5 подводится к первому входу второго оптического направленного ответвителя 6. Далее, оба поступающих на входы второго оптического направленного ответвителя 6 сигнала, Pс и Pвых2, делятся пополам и получают - вследствие общих свойств направленных ответвителей на связанных волноводах - относительный фазовый сдвиг, равный
![когерентный оптический приемник, патент № 2095764](/images/patents/377/2095209/960.gif)
![когерентный оптический приемник, патент № 2095764](/images/patents/377/2095023/916.gif)
![когерентный оптический приемник, патент № 2095764](/images/patents/377/2095223/8856.gif)
![когерентный оптический приемник, патент № 2095764](/images/patents/377/2095209/960.gif)
между оптическими сигналами в сигнальном и гетеродинном трактах создается управляемым фазосдвигающим элементом 5. При этом в одном выходном плече второго оптического направленного ответвителя 6 разность фаз сигнального и гетеродинного колебаний составит
![когерентный оптический приемник, патент № 2095764](/images/patents/377/2095223/8856.gif)
![когерентный оптический приемник, патент № 2095764](/images/patents/377/2095223/8856.gif)
![когерентный оптический приемник, патент № 2095764](/images/patents/377/2095223/8856.gif)
![когерентный оптический приемник, патент № 2095764](/images/patents/377/2095223/8856.gif)
![когерентный оптический приемник, патент № 2095764](/images/patents/377/2095209/960.gif)
![когерентный оптический приемник, патент № 2095764](/images/patents/377/2095764/2095764-2t.gif)
где
![когерентный оптический приемник, патент № 2095764](/images/patents/377/2095764/2095764-3t.gif)
![когерентный оптический приемник, патент № 2095764](/images/patents/377/2095099/951.gif)
q заряд электрона,
h постоянная Планка,
n частота несущего излучения принимаемого сигнала,
Kфп коэффициент усиления сигнала электронными цепями фотоприемника,
Eг напряженность полезной составляющей гетеродинирующего оптического поля (
![когерентный оптический приемник, патент № 2095764](/images/patents/377/2095034/955.gif)
![когерентный оптический приемник, патент № 2095764](/images/patents/377/2095034/955.gif)
Eшг напряженность шумовой составляющей гетеродинирующего оптического поля,
Eс напряженность полезной составляющей сигнального оптического поля,
Eш напряженность шумовой составляющей сигнального оптического поля,
K коэффициент несимметричности плеч балансного фотоприемника. При обеспечении высокой симметричности плеч K _
![когерентный оптический приемник, патент № 2095764](/images/patents/377/2095156/8594.gif)
![когерентный оптический приемник, патент № 2095764](/images/patents/377/2095034/955.gif)
![когерентный оптический приемник, патент № 2095764](/images/patents/377/2095006/183.gif)
![когерентный оптический приемник, патент № 2095764](/images/patents/377/2095006/183.gif)
![когерентный оптический приемник, патент № 2095764](/images/patents/377/2095764/2095764-4t.gif)
![когерентный оптический приемник, патент № 2095764](/images/patents/377/2095764/2095764-5t.gif)
где
nсп коэффициент инверсии населенности в активной среде полупроводниковых лазерных усилителей; характерная величина nсп=2. Остальные параметры расшифрованы выше. Подставляя в (5) соответствующие числовые данные, найдем
Pс=6,92
![когерентный оптический приемник, патент № 2095764](/images/patents/377/2095006/183.gif)
![когерентный оптический приемник, патент № 2095764](/images/patents/377/2095015/945.gif)
![когерентный оптический приемник, патент № 2095764](/images/patents/377/2095023/916.gif)
Класс G01J1/04 оптические и механические