Исследование влияния статистических характеристик частично когерентных лучей при их использовании в оптических системах связи

Распространение электромагнитных волн в атмосфере представляет большой теоретический и практический интерес поскольку использование лазерного излучения для передачи информации через земную атмосферу имеет много очевидных преимуществ по сравнению с традиционными методами связи. Однако, неоднородности показателя преломления, связанные со всегда существующей турбулентностью атмосферы, обуславливают фрагментацию светового поля в плоскости приема и отклонение луча от начального направления. Указанные факторы приводят к высокой вероятности погрешностей при декодировании сигнала и являются главными препятствиями дальней высокоскоростной оптической связи. Поэтому разработка методов уменьшения пространственных вариаций интенсивности (сцинтиляций) лазерного луча в турбулентной атмосфере является чрезвычайно актуальной, ведь до настоящего времени проблема передачи информации с высокой скоростью в турбулентной атмосфере в мировой науке не решена. Необходимо фундаментальное исследование пространственной динамики спекл полей и полей оптических вихрей в условиях вариации показателя преломления в зависимости от статистических характеристик случайных состояний атмосферы, что относится к главным проблемам современной оптики.

Учитывая это, в работе проведен анализ причин неустойчивости оптической атмосферной связи, на основе проведенных численных экспериментов предложены методы улучшения статистических характеристик лазерного луча в турбулентной атмосфере при передаче данных на дистанции порядка десятка километров в условиях слабой и сильной турбулентности.

Установлено, что для уменьшения индекса сцинтиляций необходимо компенсировать случайные смещения луча и обеспечить статистическую независимость сигналов. Выполнить эти условия возможно, если воспользоваться набором частично когерентных лучей (ЧКП) с заранее выбранными углами распространения относительно оси z, направленной точно на детектор. Предложен новый метод использования в качестве инструмента для передачи информации комбинированного луча (гауссов луч и луч в виде оптического вихря), который, по данным численных исследований, способен компенсировать случайные смещения луча в турбулентной атмосфере, а также нивелирует необходимость использования высокочастотного фазового модулятора.

Результаты исследований позволяют создать теоретическую базу для реализации оптических каналов связи с возможностью передачи до 1 Гбит / сек на расстояние до 20-25 км. Разработана методика защиты от шумов и спектрального кодирования оптического канала связи.