Владимир Поляков - Посвящение в радиоэлектронику
Оптические системы — антенны.
Следующий прибор произвел подлинную революцию в геодезии и картографии. Назначение его ясно из названия — светодальномер. Прежде чем составить подробную и точную карту местности, необходимо найти и обозначить пункты, координаты которых были бы хорошо известны. Относительно их можно определять координаты и других пунктов: улиц, домов, холмов, оврагов, рек и озер. Вы неоднократно видели на возвышенных местах ажурные деревянные или металлические башни — геодезические сигналы. Они cтроятся над опорными пунктами геодезической сети. С одного сигнала обязательно видно два-три других. Ранее сигналы называли триангуляционными вышками, поскольку вся сеть строилась с помощью метода триангуляции[4]. Между двумя анналами как можно точнее измерялось расстояние, например, мерной лептой или проволокой. Это расстояние называется базисом. Затем с концов базиса определяли направление на третий пункт. Рассчитав все стороны получившегося треугольника по известной одной стороне и двум углам (классическая задача!), определяли положение третьего пункта, затем четвертого и т. д. Триангуляционная сеть уходила за горизонт, но точность угловых измерений теодолитами весьма высока, и координаты пунктов определялись довольно точно. Тем не менее ошибка накапливалась и накапливалась по мере удаления от базиса. А насколько трудоемкой была эта работа для геодезистов, вы сами теперь можете представить! Долгие месяцы вручную обрабатывались колонки многозначных цифр, измеренных в полевых экспедициях. Радиоэлектроника упростила геодезические работы. Я уж не буду говорить, что многозначные числа обрабатывает теперь ЭВМ — это очевидно. Но и углы в триангуляционной сети теперь никто не измеряет. Измеряют длину сторон с помощью портативных и очень полезных приборов — радио- и светодальномеров. Светодальномер обеспечивает большую точность. Он позволяет измерять расстояние в 10 км с ошибкой в один сантиметр! Зато радиодальномер действует в любую погоду: туман, плохая видимость ему не помеха.
Принцип работы свстодальномера несложен. Прибор содержит лазер излучатель света, модулятор и передающую оптику. В модуляторе установлен электрооптический кристалл, изменяющий свои параметры под действием электрического сигнала. Обычно используют синусоидальный сигнал с частотой 10…150 МГц (измерительная частота). Промодулированный кристаллом лазерный луч проходит к отражателю, установленному на другом конце измеряемой трассы. Отражателями служат трипель-призмы — стеклянные призмы с тремя взаимно перпендикулярными гранями. Они обладают важным свойством зеркально отражать луч именно в том направлении из которого этот луч пришел. Поэтому никакого наведения отражателя не требуется, надо лишь поставить его примерно перпендикулярно приходящему лучу. Трипель-призма является оптическим аналогом радиолокационного уголкового отражателя.
Отраженный свет попадает в приемную оптику и на фотоприемник. На выходе приемника выделяется модулирующий сигнал, но фаза его запаздывает относительно фазы сигнала в модуляторе оптического передатчика. Измерив разность фаз, можно затем рассчитать и расстояние до отражателя. В современных дальномерах это делает встроенный микропроцессор, и результат — дистанция в миллиметрах выдается на многоразрядный цифровой дисплей.
Наконец, третий пример, оптрон. Это уже не прибор, перекрывающий большие расстояния, а элемент электронных схем. Оптрон представляет собой пару: светодиод — фотодиод, объединенные в одном непрозрачном корпусе. Выводы светодиода и фотодиода электрически не соединены друг с другом, поэтому оптрон может служить прекрасным элементом связи или развязки между электрическими или электронными устройствами. В качестве примера можно привести случай, когда нужно вывести информацию из установки, находящейся под высоким напряжением, а соединительные провода использовать нельзя из-за ограниченной электрической прочности изоляции или по условиям техники безопасности.
Конструкции оптронов могут быть самыми разными. Если высоковольтной изоляции не требуется, то весь оптрон, включая светодиод и фотодиод, выполняется в виде единой конструкции. Такие оптроны часто используют как элементы электронных схем, например в качестве элемента связи в триггерах, мультивибраторах или операционных усилителях. Интересна конструкция оптрона с открытым воздушным оптическим каналом. Он допускает механическую модуляцию светового потока. Предположим, что требуется с высокой точностью знать частоту вращения вала. На вал насаживают обтюратор — диск с чередующимися прозрачными и непрозрачными секторами. Секторы прерывают поток света в оптическом канале оптрона, и на выходе фотодиода появляются импульсы, следующие с частотой, кратной частоте вращения. Другое применение — счет деталей на конвейере и тому подобное.
Оптрон.
Применение оптрона.
От оптрона к оптической линии связи
Однажды нашей лаборатории понадобилось изготовить только что описанный датчик скорости вращения вала. Включили светодиод, но подвели к нему питание не от источника постоянного тока, а от звукового генератора, чтобы на выходе фотодиода получить переменный звуковой сигнал, который легко усилить и измерить. Стали добиваться предельной чувствительности системы, подбирая режим элементов, схему усилителя.
А как проверить чувствительность? Очень просто: отодвигать фотодиод от светодиода. По мере совершенствования устройства добились расстояния между излучателем и приемником более метра. И тут возникла мысль: а не снабдить ли светодиод и фотодиод собирающими линзами? Нашли линзу, попробовали поставить ее на пути, да так, чтобы фотодиод оказался в фокусе. Сигнал возрос, но отодвигать фотодиод дальше не позволяли размеры лаборатории. Не беда. Посчитали теоретически. Получилось, что даже с двумя относительно небольшими линзами диаметром около 40 мм дальность действия нашего оптрона достигает километра! И вторая мысль — вместо монотонного писка звукового генератора передавать обычный человеческий голос. Разумеется, мы уподобились современным изобретателям велосипедов — светотелефон давно известен, — но зато как интересно своими руками сделать подобную конструкцию. Светотелефон был изготовлен. Каждый аппарат действовал всего от двух элементов с напряжением 1,5 В, которых хватило на целый сезон. Дальность действия не превысила, правда, полутора километров, но ведь использовались слабенький светодиод с некогерентным излучением и случайно оказавшиеся под рукой линзы.
Линии оптической связи с лазерами в качестве источников света могут обеспечивать дальность в десятки и сотни километров; практически она ограничена только поглощением света в атмосфере. Значит, в космосе..? В космосе лазерная линия связи может перекрыть миллионы километров благодаря очень малой расходимости в пространстве лазерного луча.
У оптической линии связи есть еще одно громадное достоинство. Любой канал связи обычно бывает узкополосным. Во всяком случае полоса передаваемых частот оказывается не более нескольких процентов частоты несущей. На частоте 10 ГГц (длина волны 3 см) в СВЧ диапазоне можно передать полосу частот 100 МГц, что примерно соответствует скорости передачи двоичной информации 100 Мбит/с. А в КВ диапазоне на частоте 10 МГц (длина волны 30 м) она не может превзойти 100 кбит/с. да и передавать полосу частот 100 кГц на КВ не позволит ни одна инспекция электросвязи.
Иное дело в оптическом диапазоне. При длине волны 1 мкм частота несущей составляет 3·108 МГц, а полоса передаваемых частот может достигать 3·106 МГц, или 3000 ГГц. Скорость передачи информации 3000 Гбит/с! Пока это фантастика, но теоретически возможная. В настоящее время скорость передачи информации в оптическом диапазоне ограничена только инерционностью фотоприемников, и пределы ее повышения практически неисчерпаемы. Это позволяет передавать огромные объемы информации. В Москве давно уже функционирует линия оптической связи между двумя высотными зданиями. Она используется как часть городской телефонной сети. Тоненький красный луч лазера переносит многие тысячи телефонных разговоров. Представляете, сколько меди, свинца и пластика оказалось возможным не укладывать под землю.
Теперь мы вплотную приблизились к очень интересной теме.
Волоконная оптика
Трудно предположить, что Москву часто будет окутывать непроницаемо густой туман и лазерная линия связи перестанет функционировать. И все-таки, а вдруг? Хотелось бы иметь линию связи, совершенно не зависящую от погодных условий. Такие линии есть — это кабели. Но они дороги, на их изготовление идет масса дорогих цветных металлов, а пропускная способность все время остается недостаточной. Возникла идея пустить световой сигнал по стеклянному волокну.
