4.2 Модуляция интенсивности излучения

Горизонтально натянутая струна соответствующим возбуждением на одном конце приводится в колебательное состояние. Волна распространяется вдоль струны и может быть зарегистрирована на другом конце. Такая механическая волна может быть понята как модель световой волны, которая движется от источника света к приемнику. Горизон­тально натянутая струна может быть возбуждена по-разному — отклонение струны мо­жет происходить или в вертикальной, или в горизонтальной плоскости. Когда речь идет о световой волне (или о радиоволне, излучаемой антенной), говорят в первом случае о вертикальной, а во втором случае - о горизонтальной поляризации волны. Если гори­зонтальная и вертикальная компоненты появляются в определенной временной последо­вательности, то это приводит к круговой поляризации электромагнитных колебаний. Для приемника колебаний на другом конце линии это тонкое различие в свойствах светового потока не существенно. Так же как и человеческий глаз, он не реагирует на плоскость поляризации света и регистрирует только мощность света (в модели — степень отклоне­ния струны); он не различает горизонтальную и вертикальную поляризацию света. Одна­ко имеются оптические элементы, которые реагируют на поляризацию света. Их называ-' ют поляризационными фильтрами. Будучи поставлены в определенном положении отно­сительно направления распространения луча, они становятся светопроницаемыми для определенного вида поляризации, для света же с направлением поляризации, повернутым на 90°, они, напротив, почти полностью непроницаемы. Только когда сам фильтр пово­рачивают на такой же угол (вокруг оси направления распространения света), он пропус­кает свет второго вида поляризации, преграждая при этом путь первому.

Этот эффект применяется для модуляции световых лучей, когда имеется возмож­ность изменять плоскость поляризации света желаемым образом, в соответствии с изме­нением модулирующего (передаваемого) сигнала. Осуществить такую модуляцию можно с использованием известного электрооптического эффекта: если послать луч света через кристалл определенного состава и к нему перпендикулярно направлению распростране­ния света приложить электрическое поле, то плоскость поляризации света тем больше поворачивается в зоне действия поля, чем выше его напряженность, т. е. чем выше при­ложенное для создания поля напряжение.

Для этой цели подходят монокристаллы дигидрофосфат аммония (NH4H2PO4) и дигидрофосфат калия (КН2РО4}, коротко они обозначаются как ADP или KDP кристал­лы.

Описанным эффектом объясняется механизм действия электрооптического моду­лятора. Свет, покидающий газовый лазер, попутно может быть поляризован устройством в разрядной трубке оптического окна, расположенного под углом Брюстера. Поляризация может быть осуществлена также и с помощью поляризационного фильтра.

Линейная модуляция, прежде всего, преобразуется в круговую модуляцию с помо­щью так называемой четвертьволновой пластинки. В кристалле ADP эта модуляция в за­висимости от сигнала становится более или менее эллиптической. На выходе поляриза­ционного фильтра затем получается свет, модулированный по интенсивности. Если к электродам кристалла не приложено напряжение, то направление поляризации в кристал­ле не меняется и ориентация подключенного поляризационного фильтра соответствует плоскости поляризации света, выходящего из лазера (или после модулятора), причем свет проходит через все устройство практически неослабленным. Но если напряжение на электрооптическом кристалле повышается и при этом увеличивается угол поляризации выходящего света, то через поляризационный фильтр проходит уменьшающаяся часть света. При изменении поляризации на 90° второй фильтр полностью поглощает излуче­ние и на выходе устройства образуется темнота.

Подобные модуляторы подходят также для очень быстрых изменений прилагаемо­го модулирующего напряжения. Они преобразуют передаваемый сигнал в полосе выше 1 ГГц, гораздо большей, чем это было возможно электрическими методами.

Модуляция интенсивности лазерного излучения без модуляции направления поля­ризации несомненно представляла бы собой технически более изящное решение. Кроме описанного конструктивного принципа (так называемой внешней модуляции лазера) мож­но реализовать другие варианты. Кристалл можно было бы, например, встроить в корпус резонатора газового лазера и обойтись значительно меньшей мощностью модулирующего сигнала (внутренняя модуляция). Тем самым устранялся бы существенный недостаток кристаллических модуляторов, обладавших в целом хорошими модуляционными харак­теристиками: потребность в больших напряженностях управляющего поля и соответст­венно высоких управляющих напряжениях (до нескольких сотен вольт).

В результате развития лазерной техники выяснилось, что для инженера простая модулируемость имеет преимущество перед когерентностью. Недостатки газового лазера, включая сложную модуляцию его излучения, уравновесили в системах связи потери в приемнике прямого усиления. Поэтому газовый лазер в основном исчез с рабочих столов инженеров по оптической технике связи и освободил место инжекционным лазерам и светоизлучающим диодам, даже с учетом ряда их недостатков, которые можно было уст­ранить только в процессе последовательной неустанной работы по их совершенствова­нию.

4.3 Как передают свет?

Когда задача быстрой модуляции излучения газового лазера не была еще как сле­дует решена, все же была ясна ее принципиальная возможность. Однако в 60-е годы еще нельзя было твердо сказать о решении важной проблемы — проблемы передачи модули­рованного света от одного места к другому. Только в космосе передача представляется сравнительно простой, поскольку свет в нем распространяется без ослабления. Когда уда­ется очень сильно сфокусировать свет, т. е. получить пучок света толщиной с иглу (а это возможно для когерентного света), то можно в полном смысле слова перекрыть астроно­мические расстояния. (Правда, мы не говорим о скрытой стороне этого положения. Необ­ходимо послать необычайно узкий световой луч и достигнуть далеко отстоящий пункт с максимально возможной световой мощностью, поэтому требуется очень высокая ста­бильность расположения передатчика, и положение приемника должно быть точно из­вестно).

Что касается свойств атмосферы как передающего канала для модулированных световых лучей, то она является, очевидно, ненадежной средой с сильно изменяющимся и значительным ослаблением.

Несмотря на эту не совсем ободряющую ситуацию, приблизительно с 1965 по 1970 г. были испытаны все средства при рассмотрении возможностей техники оптической свя­зи в атмосфере. Были созданы довольно простые и дешевые размером с портфель прибо­ры, которые позволили осуществить передачу через атмосферу телевизионного изобра­жения.

Если сравнить средние значения по многим измерениям, то можно установить: атмосферная оптическая связь рационально применима только в специальных редких случаях и только для очень коротких расстояний при весьма незначительных количествах передаваемой информации. Если речь идет только о единственном телефонном канале, то можно перекрыть несколько километров с надежностью линии передачи, равной 95 %. (Никакое управление связи и никакие телефонные абоненты не смирились бы с этим!) Приблизительно в 5% времени такая линия связи прерывается из-за погоды. Высокая на­дежность оптической связи в атмосфере может быть достигнута только в результате сильного уменьшения длины участка.