устройство для оптического смешения сигналов
Классы МПК: | H04B10/06 приемники |
Автор(ы): | Яременко Ю.И., Дудко В.С. |
Патентообладатель(и): | Военная академия связи |
Приоритеты: |
подача заявки:
1995-09-18 публикация патента:
27.03.1998 |
Изобретение относится к передаче сигналов в оптическом диапазоне волн, более конкретно - к гетеродинным приемникам оптического излучения и может быть использовано в качестве оптического смесителя сигналов при гетеродинном детектировании. Целью изобретения является разработка устройства для оптического смешения сигналов при гетеродинном детектировании, сохраняющего чувствительность, близкую к предельной при снижении частотной стабильности излучений принимаемого сигнала и лазера гетеродина. Заявленное устройство состоит из последовательно расположенных оптической антенны, светоделителя, диафрагмы, световода, пьезопреобразователя, а также гетеродинного лазера. Гетеродинный лазер установлен во второй оптической ветви светоделителя. Световод установлен после диафрагмы. На поверхности световода размещен пьезопреобразователь. Выход пьезопреобразователя является выходом устройства в целом. Поставленная цель достигается благодаря использованию при оптическом гетеродинном детектировании сигналов способа электрострикционного возбуждения упругих колебаний в поле двух оптических пучков. 4 з.п.ф-лы, 2 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2
Формула изобретения
1. Устройство для оптического смешения сигналов, включающее последовательно расположенные и оптически связанные оптическую антенну, светоделитель и диафрагму, причем во второй оптической ветви светоделителя установлен гетеродинный лазер, отличающееся тем, что за диафрагмой дополнительно установлен световод с оболочкой, причем отверстие диафрагмы идентично форме поперечного сечения сердцевины световода, на поверхности оболочки световода размещен пьезопреобразователь, причем светоделитель установлен так, что оптические оси оптической антенны и оптического луча гетеродинного лазера, а также проекция оптической оси оптической антенны на поверхность светоделителя лежат в одной плоскости, а угол![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107009/945.gif)
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107009/945.gif)
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107058/946.gif)
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107024/920.gif)
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107058/946.gif)
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107024/920.gif)
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107024/920.gif)
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107997/2107997-8t.gif)
где С - скорость света в вакууме;
n1 - показатель преломления материала сердцевины световода;
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107281/957.gif)
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107022/969.gif)
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107022/969.gif)
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107022/969.gif)
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107022/969.gif)
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107022/969.gif)
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107022/969.gif)
где A = n1
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107281/957.gif)
а показатель преломления оболочки световода n2 выбран из условия n2
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107010/8773.gif)
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107024/920.gif)
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107306/937.gif)
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107022/969.gif)
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107022/969.gif)
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107281/957.gif)
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107001/960.gif)
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107306/937.gif)
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107022/955.gif)
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107001/960.gif)
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107022/969.gif)
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107024/920.gif)
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107997/2107997-9t.gif)
3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что поперечное сечение световода прямоугольное со сторонами b и d, причем b = 2rc, d = m
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107001/960.gif)
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107281/957.gif)
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107306/937.gif)
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107339/8734.gif)
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107306/937.gif)
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107001/960.gif)
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107281/957.gif)
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107006/8805.gif)
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107010/8773.gif)
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107022/955.gif)
5. Устройство по пп.1 - 4, отличающееся тем, что угол
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107058/946.gif)
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107058/946.gif)
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107213/176.gif)
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к передаче сигналов в оптическом диапазоне волн, более конкретно - к гетеродинным приемникам оптического излучения, и может быть использовано в качестве оптического смесителя сигналов при гетеродинном детектировании. Известен оптический смеситель информационного и гетеродинного сигналов, входящий в состав оптического гетеродинного детектора (Заявка Японии 1-170921, МКИ 4 G 02 F 2/00, H 04 B 9/00, опубл. 96.07.89), который содержит оптически соединенные оптический мультиплексор и фотодетектор, причем информационный и гетеродинный сигналы поступают на входы оптического мультиплексора, с выхода которого смешанный сигнал поступает на фотодетектор, который выдает на выходе электрический сигнал, содержащий компоненты биений частот, соответствующих световым сигналам. Известен также оптический смеситель для гетеродинного приема сигналов (Заявка Великобритании 2245117, МКИ 5 H 04 B 10/06, опубл. 18.12.91), который содержит оптически связанные гетеродинный лазерный диод, контроллер поляризации, светоделитель, имеющий два входа и два выхода, двулучепреломляющие элементы, фотодетекторы, причем информационный сигнал поступает на первый вход светоделителя, ан второй вход которого поступает сигнал от гетеродинного лазерного диода, прошедший через контроллер поляризации, с выходов светоделителя, смешивающего и преобразующего поляризацию, два ортогонально поляризованных смешанных сигнала поступают на входы двулучепреломляющих элементов, с выходов которых одинаково поляризованные сигналы поступают на фотодетекторы. Однако такие устройства требуют жесткого согласования волновых фронтов оптических излучений, высокой спектральной чистоты и стабильности лазеров передатчика и гетеродина, что при практической реализации наталкивается на большие технологические и конструкторские трудности. Рассогласование волновых фронтов и флуктуации частот лазеров передатчика и гетеродина приводит к снижению чувствительности приемника. Наиболее близким по своей технической сущности аналогом (прототипом) к заявленному устройству является устройство оптического смешения (Арсеньев В. В. и Давыдов Ю.Т. Приемные устройства оптического диапазона: Учеб. пособие. М. : Изд-во МАИ, 1992. - с. 77, рис. 3.4). Прототип содержит последовательно расположенные и оптически связанные оптическую антенну, светоделитель, диафрагму и фотодетектор. Во второй оптической ветви светоделителя установлен гетеродинный лазер. В светоделителе принимаемое поле пространственно совмещается с полем гетеродина. Такое устройство для оптического смешивания несколько снижает требования к согласованию волновых фронтов за счет ограничивающего действия диафрагмы. Недостатками данного устройства является пониженная чувствительность при снижении частотной стабильности информационного и гетеродинного оптических излучений. Целью изобретения является разработка устройства для оптического смешения сигналов при гетеродинном детектировании, сохраняющего чувствительность, близкую к предельной при снижении частотной стабильности излучений принимаемого сигнала и лазера гетеродина. Под предельной чувствительностью понимается чувствительность при абсолютной стабильности частот оптических излучений принимаемого сигнала и лазера гетеродина. Поставленная цель достигается тем, что в известном устройстве оптического смешения сигналов, содержащем последовательно расположенные и оптически связанные оптическую антенну, светоделитель и диафрагму с установленным во второй оптической ветви светоделителя гетеродинным лазером, за диафрагмой дополнительно установлен световод. На поверхности световода размещен пьезопреобразователь. Отверстие диафрагмы выбрано идентично по форме поперечному сечению сердцевины световода. Светоделитель установлен так, что оптические оси оптической антенны и оптического луча гетеродинного лазера, а также проекция оптической оси оптической антенны на поверхность светоделителя лежат в одной плоскости. Угол![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107009/945.gif)
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107009/945.gif)
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107058/946.gif)
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107024/920.gif)
где
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107058/946.gif)
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107024/920.gif)
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107024/920.gif)
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107997/2107997-2t.gif)
где
c - скорость света в вакууме, n1 - показатель преломления материала сердцевины световода, v - скорость распространения звуковых волн в материале сердцевины световода,
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107022/969.gif)
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107022/969.gif)
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107022/969.gif)
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107022/969.gif)
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107022/969.gif)
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107022/969.gif)
где
A = n1v/c, а показатель преломления оболочки световода n2 выбран из условия:
n2
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107010/8773.gif)
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107024/920.gif)
Толщина пьезопреобразователя l связана со значением разностной частоты
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107306/937.gif)
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107022/969.gif)
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107022/969.gif)
l= v
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107001/960.gif)
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107306/937.gif)
В качестве оптической антенны может быть использован коллиматор, радиус выходного зрачка которого rc связан с длиной волны оптического излучения принимаемого сигнала
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107022/955.gif)
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107001/960.gif)
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107022/969.gif)
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107024/920.gif)
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107997/2107997-3t.gif)
Поперечное сечение световода прямоугольное со сторонами "b" и "d". Причем
b = 2r/c, (7)
d = m
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107001/960.gif)
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107306/937.gif)
где где m = 1,2,3,..., +
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107339/8734.gif)
m-1< 2rc
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107306/937.gif)
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107001/960.gif)
Толщина сердцевины световода "a" определена из условия:
a
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107006/8805.gif)
а ее ширина равна "b". Расстояние между плоскостью оптической антенны по ее оси до поверхности входного торца световода l" составляет:
l"
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107010/8773.gif)
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107022/955.gif)
Угол
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107058/946.gif)
30
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107213/176.gif)
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107058/946.gif)
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107213/176.gif)
Выход пьезопреобразователя является выходом устройства в целом. Предлагаемое устройство реализует принцип функционирования оптического гетеродинного детектора (Яременко Ю. И. Теоретические основы построения и применения средств связи оптического диапазона. СПб.: ВАС. - 1992. - с. 160-172), основанного на использовании эффекта электрострикционного возбуждения звука. Принцип создания предлагаемого устройства основан на фокусировке и направлении оптических лучей в оптический световод для получения многократного повторения процесса генерации упругих колебаний разностной частоты в местах взаимодействия оптических лучей и последующего преобразования энергии упругих колебаний среды распространения в электрические колебания разностной частоты. Такое построение устройства позволяет значительно снизить требования к частотной стабильности оптических излучений. Таким образом, новая совокупность признаков обеспечивает сохранение чувствительности устройства для оптического смешения сигналов при гетеродинном детектировании, близкой к предельной при снижении частотной стабильности принимаемого сигнала и лазера гетеродина. Данное изобретение поясняется чертежами, на которых: на фиг. 1 изображена структурная схема устройства для оптического смешения сигналов; на фиг. 2 - рисунок, поясняющий работу устройства. Заявленное устройство, показанное на фиг. 1, состоит из последовательно расположенных оптической антенны 1, светоделителя 2, диафрагмы 3, световода 4, состоящего из сердцевины 5 и оболочки 6, пьезопреобразователя 7 с электродами 8, а также гетеродинного лазера 9. Гетеродинный лазер 9 установлен во второй оптической ветви светоделителя 2. Световод 4 установлен после диафрагмы 3. На поверхности световода 4 размещен пьезопреобразователь 7. Выход пьезопреобразователя 7 (о-о") является выходом устройства в целом. Отверстие диафрагмы 3 идентично форме поперечного сечения сердцевины 5 световода 4. Светоделитель 2 установлен так, что оптические оси оптической антенны 1 и оптического луча гетеродинного лазера 9, а также проекция оптической оси оптической антенны 1 на поверхность светоделителя 2 лежат в одной плоскости. Угол
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107009/945.gif)
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107024/920.gif)
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107022/969.gif)
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107306/937.gif)
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107022/969.gif)
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107022/969.gif)
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107022/955.gif)
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107024/920.gif)
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107058/946.gif)
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107022/969.gif)
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107022/969.gif)
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107022/969.gif)
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107022/969.gif)
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107022/969.gif)
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107022/969.gif)
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107024/920.gif)
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107306/937.gif)
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107022/969.gif)
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107022/969.gif)
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107022/969.gif)
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107022/969.gif)
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107997/2107997-4t.gif)
где
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107306/937.gif)
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107022/969.gif)
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107022/969.gif)
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107997/2107997-5t.gif)
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107022/969.gif)
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107022/969.gif)
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107022/969.gif)
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107024/920.gif)
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107306/937.gif)
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107022/969.gif)
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107022/969.gif)
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107022/969.gif)
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107306/937.gif)
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107024/920.gif)
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107213/176.gif)
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107605/697.gif)
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107605/698.gif)
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107058/946.gif)
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107058/946.gif)
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107058/946.gif)
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107009/945.gif)
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107010/183.gif)
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107997/2107997-6t.gif)
интенсивность оптического излучения за счет дифракционной расходимости на длине преобразователя L составит величину, равную половине значения интенсивности оптического излучения на выходе оптической антенны. При увеличении rс дифракционная расходимость уменьшается и, следовательно, не будет оказывать существенного влияния на чувствительность детектирования. При длине преобразователя L=1 м примем значение rс=10-3 м, что отвечает требованию неравенства (6). Тогда ширина сердцевины световода, определяемая выражением (7), равна b= 2
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107010/183.gif)
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107010/183.gif)
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107010/183.gif)
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107022/955.gif)
![устройство для оптического смешения сигналов, патент № 2107997](/images/patents/364/2107997/2107997-7t.gif)