RU2154909C1 - Optical communications system - Google Patents

Abstract

FIELD: optical communications for space and ground services. SUBSTANCE: system has modulator, wavelength adjusting unit, communications monitoring unit, adjustable-wavelength laser, guidance system, superconducting sensor incorporating provision for self-recovery in case of post-annealing radioactive and electromagnetic rays, cryogenic system, setting, working- point stabilizing, and annealing unit, detector, and demodulator. System receiving component is suitable for operation at extended working spectrum and reduced response to background, electromagnetic, radioactive, and ionizing rays compared with semiconductor transmitting parts. EFFECT: improved noise immunity and operating stability. 1 dwg

Description

Изобретение относится к области оптической связи и может быть использовано для космической и наземной связи, в ситуациях повышенных требований к устойчивой работоспособности при засветках и радиоактивном облучении. The invention relates to the field of optical communications and can be used for space and terrestrial communications, in situations of increased requirements for sustainable performance under exposure and exposure to radiation.

Известна система оптической связи с использованием в качестве приемных элементов фотодиодов или фотоэлектронного умножителя (ФЭУ-51) (Загороднюк В. Т. , Паршин Д.Я. Лазерная оперативная связь с промышленными объектами. - М.: Связь, 1979, с. 94, 95, рис. 6.2, 6.3.), принятая в качестве прототипа. Известная система содержит модулятор, сигнал с которого поступает на генератор накачки лазера, к выходу которого подключен лазер, сориентированный системой наведения. Оптический сигнал с него принимается фотодетектором оптического излучения на полупроводниковой основе или на основе ФЭУ, сигнал с которого поступает на регенератор импульсов, выделяющий и усиливающий из принимаемого сигнала информационную последовательность, а с него на выход системы. A well-known optical communication system using photodiodes or a photomultiplier tube (PMT-51) as receiving elements (Zagorodniuk V.T., Parshin D.Ya. Laser operational communication with industrial facilities. - M .: Communication, 1979, p. 94, 95, Fig. 6.2, 6.3.), Adopted as a prototype. The known system contains a modulator, the signal from which is fed to a laser pump generator, to the output of which a laser is connected, oriented by the guidance system. The optical signal from it is received by the photodetector of optical radiation on a semiconductor basis or on the basis of a photomultiplier, the signal from which is fed to a pulse regenerator that extracts and amplifies the information sequence from the received signal, and from it to the output of the system.

Однако известная система не достигает требуемого технического результата, а именно помехоустойчивости работы линии связи оптического диапазона в условиях изменяющейся проницаемости среды, устойчивости к влиянию засветок, электромагнитных, радиоактивных и ионизирующих излучений. However, the known system does not achieve the required technical result, namely, the noise immunity of the optical range communication line under conditions of varying permeability of the medium, resistance to the influence of light, electromagnetic, radioactive and ionizing radiation.

Сущность изобретения заключается в том, что известная система, содержащая передатчик, состоящий из модулятора, соединенного с генератором накачки лазера, связанным с лазером, управляемым системой наведения, и приемник, содержащий фотодетектор излучения, электрически связанный с демодулятором, отличающается тем, что в нее введен блок установки, стабилизации рабочей точки и отжига, а в качестве фотодетектора излучения использован сверхпроводящий датчик с восстанавливающимися свойствами при радиационном и электромагнитном облучении после отжига, расположенный в криогенной системе. The essence of the invention lies in the fact that the known system comprising a transmitter consisting of a modulator connected to a laser pump generator coupled to a laser controlled by a guidance system and a receiver comprising a photodetector electrically coupled to a demodulator is characterized in that it is introduced unit for installation, stabilization of the operating point and annealing, and as a radiation photodetector, a superconducting sensor with recovering properties under radiation and electromagnetic irradiation by le annealing, located in a cryogenic system.

Введение сверхпроводящего датчика позволяет увеличить чувствительность к оптическому излучению за счет большой крутизны сверхпроводящего перехода. В рабочей точке чувствительность такого приемника излучения значительно выше, чем у полупроводниковых аналогов и приближается к квантовому пределу детектирования (Хребтов И.А. Приборы и техника эксперимента. 1984, N 4, с. 21-22). The introduction of a superconducting sensor can increase the sensitivity to optical radiation due to the large steepness of the superconducting transition. At the operating point, the sensitivity of such a radiation detector is much higher than that of semiconductor analogs and approaches the quantum limit of detection (I. Khrebtov. Instruments and experimental equipment. 1984, No. 4, pp. 21-22).

Известно, что в качестве фотодетектора может быть использован сверхпроводящий датчик (US 4894542 A (PROGRESS TECHNOLOGY CORPORATION), H 01 L 39/00, 16.01.90, 6 с.). В качестве рабочей точки сверхпроводящих датчиков используют середину сверхпроводящего перехода, обеспечивающую максимальную чувствительность. Детектор имеет устройство для помещения его в среду с определенной температурой. Однако в данной системе установка и стабилизация рабочей точки обеспечивается криогенной системой, которая имеет высокую инерционность. Предлагается для установки сверхпроводящего датчика в середину перехода сверхпроводящего ввести блок установки, стабилизации рабочей точки и отжига с помощью измерительного тока. Это позволит во время работы в режиме стабилизации рабочей точки корректировать работу датчика. It is known that a superconducting sensor (US 4894542 A (PROGRESS TECHNOLOGY CORPORATION), H 01 L 39/00, 1/16/90, 6 p.) Can be used as a photodetector. As the operating point of the superconducting sensors, the middle of the superconducting transition is used, providing maximum sensitivity. The detector has a device for placing it in an environment with a certain temperature. However, in this system, the installation and stabilization of the operating point is provided by a cryogenic system, which has a high inertia. It is proposed to install a unit for stabilizing the operating point and annealing using the measuring current to install a superconducting sensor in the middle of the superconducting transition. This will allow you to adjust the operation of the sensor during operation in stabilization mode of the operating point.

Известно, что полупроводниковые датчики излучения чрезвычайно чувствительны к радиационному и электромагнитному облучению (Лазерная космическая связь. Под ред. Кацмана М. - М.: Радио и связь, 1993, с. 17). При этом они выходят из строя и не восстанавливают своих свойств. Однако в таком случае для сверхпроводников известен способ восстановления свойств при отжиге их током в течение определенного времени (С.В. Антоненко, К.В. Брызгунов, В.Е. Жучков, СФХТ, 1984, т.5). Для восстановления рабочих свойств болометра необходимо в течение некоторого времени пропускать достаточно высокий электрический ток через болометр. Это приводит к отжигу дефектов в датчике, которые образуются при радиоактивном облучении. It is known that semiconductor radiation sensors are extremely sensitive to radiation and electromagnetic radiation (Laser space communications. Edited by M. Katzman - M .: Radio and communications, 1993, p. 17). However, they fail and do not restore their properties. However, in this case, for superconductors, a method is known for restoring properties when annealed by current for a certain time (S.V. Antonenko, K.V. Bryzgunov, V.E. Zhuchkov, SFKhT, 1984, v.5). To restore the working properties of the bolometer, it is necessary to pass a sufficiently high electric current through the bolometer for some time. This leads to annealing of defects in the sensor, which are formed during radiation exposure.

Эта задача может быть выполнена с помощью блока установки, стабилизации рабочей точки и отжига без ввода дополнительных устройств. В таком случае при облучении сверхпроводящего датчика радиоактивным или др. излучением, выводящим его из строя, измерительный ток через сверхпроводящий датчик, обеспечиваемый блоком установки и стабилизации рабочей точки и отжига, может быть увеличен до значения, необходимого для отжига сверхпроводящего болометра. Это позволяет упростить схему системы связи и обеспечить возможность восстанавливать свойства приемника после выхода его из строя. This task can be performed using the installation unit, stabilization of the operating point and annealing without entering additional devices. In this case, when the superconducting sensor is irradiated with radioactive or other radiation that destroys it, the measuring current through the superconducting sensor provided by the installation and stabilization unit for the operating point and annealing can be increased to the value necessary for annealing the superconducting bolometer. This allows us to simplify the circuit of the communication system and provide the ability to restore the properties of the receiver after its failure.

Известно, что канал оптической связи характеризуются окнами прозрачности атмосферы, которые характеризуют области длин волн, для которых потери излучения являются минимальными (Зуев В.Е. Прозрачность атмосферы для видимых и инфракрасных лучей. - М.: Сов. радио, 1996, с. 318). При этом в случае изменения свойств среды окна прозрачности могут меняться. Однако прототип (так же, как и оптические излучатели, известные по кн. "Лазерная космическая связь", под ред. М.Кацмана, - М.: Радио и связь, 1993, с. 100, 101, обеспечивающие управление длиной волны только на этапе их изготовления) не обеспечивает возможности динамически перестраивать длину волны излучения в случае изменения оптических свойств среды во время работы. It is known that the optical communication channel is characterized by atmospheric transparency windows that characterize the wavelength region for which the radiation loss is minimal (Zuev V.E. Atmospheric transparency for visible and infrared rays. - M .: Sov. Radio, 1996, p. 318 ) In this case, if the properties of the environment change, the transparency windows may change. However, the prototype (as well as optical emitters, known by the book. "Laser space communication", under the editorship of M. Katzman, - M .: Radio and communication, 1993, S. 100, 101, providing wavelength control only on stage of their manufacture) does not provide the ability to dynamically rebuild the radiation wavelength in the event of a change in the optical properties of the medium during operation.

Повышение устойчивости связи в условиях изменяющейся оптической проницаемости среды можно достичь как благодаря введению в систему лазера с перестраивающейся во время работы длинной волны в наиболее широком диапазоне длин волн, задаваемым блоком перестройки длин волн, инициализируемым блоком контроля качества оптического канала связи, так и равномерной и широкой спектральной чувствительностью сверхпроводящего датчика, которая обеспечивается его тепловой природой детектирования. An increase in the stability of communication under conditions of varying optical permeability of the medium can be achieved both through the introduction of a laser with a long wavelength tunable during operation in the widest range of wavelengths, specified by the wavelength adjustment unit initialized by the quality control unit of the optical communication channel, and uniform and wide spectral sensitivity of the superconducting sensor, which is provided by its thermal nature of detection.

Совокупность этих признаков обеспечивает возможность во время работы системы оптической связи перестраиваться на ту длину волны, для которой пропускная способность окружающей среды максимальна в данных условиях для поддержания устойчивой связи в изменяющихся атмосферных и иных условиях. The combination of these features provides the opportunity during the operation of the optical communication system to tune to the wavelength for which the throughput of the environment is maximum under these conditions to maintain stable communication in changing atmospheric and other conditions.

На чертеже представлено заявляемое устройство, состоящее из модулятора 1, генератора накачки лазера 2, лазера с перестраиваемой длинной волны излучения 3, системы наведения 4, сверхпроводящего датчика излучения с восстанавливающимися свойствами при радиационном и электромагнитном облучении после отжига 5, криогенной системы 6, системы установки, стабилизации рабочей точки и отжига 7, регенератора импульсов 8, демодулятора 9, блока перестройки длин волн 10 и блока контроля качества канала связи 11. The drawing shows the inventive device, consisting of a modulator 1, a laser pump generator 2, a laser with a tunable radiation wavelength 3, a guidance system 4, a superconducting radiation sensor with restored properties after radiation and electromagnetic irradiation after annealing 5, cryogenic system 6, installation system, stabilization of the operating point and annealing 7, a pulse regenerator 8, a demodulator 9, a wavelength adjustment unit 10 and a communication channel quality control unit 11.

Оптическая система связи со сверхпроводящим приемным элементом работает следующим образом. An optical communication system with a superconducting receiving element operates as follows.

Информационный сигнал, поступая на модулятор 1, преобразуется в последовательность импульсов, управляющих генератором накачки лазера 2, который запускает лазер 3, сориентированный системой наведения 4 на сверхпроводящий приемник с восстанавливающимися свойствами при радиационном и электромагнитном облучении после отжига 5, находящийся в криогенной системе 6, в оптимальных условиях, обеспечиваемых системой установки, стабилизации рабочей точки и отжига 7, из выходного сигнала которого выделяется информационная последовательность регенератором импульсов 8 и преобразуется демодулятором 9 в выходной сигнал. The information signal arriving at modulator 1 is converted into a sequence of pulses controlling the pump generator of laser 2, which starts the laser 3, oriented by the guidance system 4 to the superconducting receiver with restored properties under radiation and electromagnetic radiation after annealing 5, located in the cryogenic system 6, optimal conditions provided by the installation system, stabilization of the operating point and annealing 7, from the output signal of which the information sequence regene pulse generator 8 and is converted by the demodulator 9 into an output signal.

В случае изменения оптических свойств среды распространения оптического сигнала блок контроля качества канала связи 11 переключает лазер 3 на другую длину волны через систему перестройки длин волн 10 до тех пор, пока не установится устойчивая связь. Так как сверхпроводящий датчик излучения имеет почти постоянную спектральную чувствительность, то вне зависимости от длины волны излучения лазера при постоянной падающей на датчик мощности выходной сигнал будет неизменного уровня. Т.е. датчик не будет вносить погрешности при поиске области спектра с хорошей пропускной способностью. If the optical properties of the optical signal propagation medium change, the quality control unit of the communication channel 11 switches the laser 3 to a different wavelength through the wavelength adjustment system 10 until a stable connection is established. Since the superconducting radiation sensor has an almost constant spectral sensitivity, regardless of the wavelength of the laser radiation with a constant incident on the power sensor, the output signal will be a constant level. Those. the sensor will not introduce errors when searching for a region of the spectrum with good bandwidth.

В случае радиационного облучения сверхпроводящего датчика и потери его работоспособности блок установки, стабилизации рабочей точки и отжига повышает измерительный ток через сверхпроводящий датчик до требуемых условий отжига и поддерживает его в течение определенного интервала времени, обеспечивающего отжиг дефектов, образовавшихся в датчике. После чего система возвращается в режим ее функционирования в качестве системы связи. In the case of radiation exposure of the superconducting sensor and the loss of its functionality, the unit for stabilizing the operating point and annealing increases the measuring current through the superconducting sensor to the required annealing conditions and maintains it for a certain time interval, which provides annealing of defects formed in the sensor. Then the system returns to its mode of operation as a communication system.

Таким образом, предлагаемое изобретение обеспечивает повышение помехоустойчивости работы линии связи оптического диапазона, расширение рабочего спектра приемного элемента и понижение его чувствительности к влиянию засветок, электромагнитного и ионизирующего излучений по сравнению с полупроводниковыми приемными элементами. Thus, the present invention improves the noise immunity of the optical communication line, expanding the working spectrum of the receiving element and lowering its sensitivity to the influence of light, electromagnetic and ionizing radiation in comparison with semiconductor receiving elements.

Claims (1)

Система оптической связи, содержащая передатчик, состоящий из модулятора, соединенного с генератором накачки лазера, связанным с лазером, управляемым системой наведения, и приемник, содержащий фотодетектор излучения, электрически связанный с демодулятором, отличающаяся тем, что в нее введен блок установки, стабилизации рабочей точки, соединенный с фотодетектором излучения, в качестве фотодетектора излучения использован сверхпроводящий датчик с восстанавливающимися свойствами при радиационном и электромагнитном облучении после отжига, расположенный в криогенной системе, а в качестве лазера использован лазер с перестраиваемой длиной волны излучения, последовательно электрически связанный с блоками перестройки длин волн и контроля качества оптического канала связи. An optical communication system comprising a transmitter consisting of a modulator connected to a laser pump generator coupled to a laser controlled by a guidance system and a receiver comprising a photodetector electrically coupled to a demodulator, characterized in that an installation point stabilization unit is inserted into it connected to a radiation photodetector, a superconducting sensor with recovering properties under radiation and electromagnetic radiation after annealing is used as a photodetector of radiation ha, located in a cryogenic system, and a laser with a tunable radiation wavelength, electrically connected in series with the blocks for tuning wavelengths and quality control of the optical communication channel, was used as a laser.