40. Квантовые генераторы и передатчики оптических линий связи

Для создания электромагнитных колебаний СВЧ в квантовых генераторах используется внутренняя энергия микрочастиц атомов, молекул, ионов. Квантовые генераторы называют еще лазерами. Принцип действия квантового генератора состоит в следующем. При рассмотрении энергетической структуры вещества было показано, что изменение энергии микрочастиц (атомов, молекул, ионов, электронов) происходит не непрерывно, а дискретно порциями, названными квантами (от латинского quantum – количество).

В настоящее время лазеры изготовляют из полупроводниковых материалов.

Лазер на рубине. Для изготовления лазера в качестве рабочего вещества используют различные диэлектрические и полупроводниковые кристаллы, стекла, пластмассы, жидкости и газы. Но все они содержат основные две функциональные части: систему накачки, приводящую рабочее вещество в активное состояние, т. е. обеспечивающую накопление энергии, способной переходить в энергию электромагнитного излучения; систему, обеспечивающую условия перехода накопленной энергии в электромагнитную энергию излучения.

Для изготовления рубинового лазера используют стержень, выполненный из монокристалла синтетического рубина – окиси алюминия (Аl₂О_З) с примесью хрома (Cr). Ионы хрома Cr³⁺ заменяют в кристалле часть (0,5%) трехвалентных ионов алюминия А1³⁺. Уровни 1 и 3 являются короткоживущими, а уровень 2 – долгоживущим (метастабильным). Рабочим является переход между метастабильным 2 и основным 1 уровнями. Оптическая накачка энергии состоит в быстром и интенсивном перенесении электронов с уровня 1 на уровень 3. Для этого кристалл рубина освещается очень короткими, но очень интенсивными вспышками высокомощной лампы накачки. Рубин поглощает сине-зеленую часть спектра излучения лампы накачки. В результате этого электроны с уровня 1 переходят на уровень 3, приобретая энергию. Так как уровень 3 короткоживущий, его избыточная населенность долго не удерживается. Электроны сразу переходят в основном на уровень 2 и накапливаются на нем, пока не будут выполнены условия самовозбуждения лазера. Затем с уровня 2 электроны вынужденно или спонтанно (самопроизвольно) переходят на уровень 1, излучая фотоны с частотой, соответствующей красному свету.

Для самовозбуждения необходима положительная обратная связь. Она достигается за счет расположения активного элемента между двумя строго параллельными друг другу высококачественными зеркалами. Эти зеркала образуют открытый оптический резонатор, в котором фотоны могут многократно проходить вдоль активного элемента (стержня) лазера. Основными параметрами лазера являются; длина волны излучения, выходная мощность, КПД, энергия, излучаемая за время импульса (для импульсных лазеров).

О птические линии связи (ОЛС) представляют собой наиболее коротковолновые из когда-либо существовавших линий связи. Они работают в диапазоне видимого и ближнего инфракрасного излучения ( 0,6...1,6 мкм). В качестве задающих генераторов в ОЛС используются лазеры и светодиоды разного типа. По своим конструктивно-эксплуатационным свойствам их можно разделить на два основных вида: ОЛС, работающие открытым лучом, и ОЛС, в которых сигналы распространяются по оптическим волноводам, обычно называемым световодами. Работоспособность ОЛС первого вида в значительной степени зависит от прозрачности среды, а длина трассы ограничена пределами прямой видимости. OJIC другого вида – световодные или, как их еще называют, волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) – свободны от этих недостатков и благодаря целому ряду преимуществ перед обычными линиями связи находят все более широкое применение.

Основными достоинствами ВОЛС по сравнению с используемыми линиями связи являются чрезвычайно широкая полоса пропускаемых частот (до 10 ГГц/км); скрытность и помехоустойчивость передачи; универсальность и гибкость использования в различных условиях; малые масса и габаритные размеры; экономия дефицитных цветных металлов, прежде всего меди.

В ажнейшим элементом ВОЛС является диэлектрический волоконный световод с малыми потерями, по которому сигналы распространяются между передающими и приемными пунктами. Оптические и механические параметры световодов, а также стоимость волоконно-оптических кабелей, изготавливаемых на их основе, в значительной мере определяют возможности ВОЛС, их эксплуатационные и экономические характеристики.