Когерентная оптика и оптическая обработка информации

КОГЕРЕНТНАЯ ОПТИКА 
И ОПТИЧЕСКАЯ 
ОБРАБОТКА ИНФОРМАЦИИ

В.Ш. БЕРИКАШВИЛИ

Рекомендовано Межрегиональным учебно-методическим советом 
профессионального образования в качестве учебного пособия 
для студентов высших учебных заведений, обучающихся 
по направлениям подготовки 12.03.01 «Приборостроение», 
12.03.02 «Оптотехника», 12.03.03 «Фотоника и оптоинформатика» 
(квалификация (степень) «бакалавр») 
(протокол № 5 от 16.03.2020)

Москва
ИНФРА-М
2020

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

УДК 535(075.8)
ББК 22.34я73
 
Б48

Р е ц е н з е н т ы:
В.И. Нефедов, доктор технических наук, профессор МИРЭА — Российского технологического университета;
В.И. Шанин, доктор технических наук, профессор Московского 
авиационного института (национального исследовательского университета)

ISBN 978-5-16-014695-9 (print)
ISBN 978-5-16-107202-8 (online)
© Берикашвили В.Ш., 2020

Берикашвили В.Ш.
Б48  
Когерентная оптика и оптическая обработка информации : учебное 
пособие / В.Ш. Берикашвили. — Москва : ИНФРА-М, 2020. — 306 с. — 
(Высшее образование: Бакалавриат). — DOI 10.12737/999893.
ISBN 978-5-16-014695-9 (print)
ISBN 978-5-16-107202-8 (online)
Представленные в учебном пособии материалы относятся к раскрытию общих черт радиотехнических и оптических телекоммуникационных 
систем. Подробно рассмотрены устройство и принципы работы газовых, 
твердотельных и полупроводниковых лазеров, фотоприемных устройств, 
ключевых оптоэлектронных устройств, фототранзисторов, фототиристоров. Изучены устройства отображения информации. Большое внимание 
уделяется элементной базе волоконно-оптических систем сбора и передачи информации.
Соответствует требованиям федеральных государственных образовательных стандартов высшего образования последнего поколения.
Для студентов, обучающихся по направлениям «Фотоника и оптоинформатика», «Приборостроение» и «Оптотехника».

УДК 535(075.8)
ББК 22.34я73

Список сокращений

АВХ — амплитудно-волновая характеристика
АФХ — амплитудно-фазовая характеристика
ВКР — вынужденное рамановское/комбинационное рассеяние
ВОЛС — волоконно-оптические линии связи
ВРМБ — вынужденное рассеяние Мандельштама — Бриллюэна
ДГС — дисперсия групповых скоростей
ЛРОБ — лазер с распределенным отражателем Брэгга
ЛРОС — лазер с распределенной обратной связью
ОВ — оптическое волокно
ОМОВ — одномодовое оптическое волокно
ООС — оптическая обратная связь
ОС — обратная связь
ОУ — оптический усилитель
ОУЛН — оптический усилитель, легированный неодимом
ОУЛП — оптический усилитель, легированный празеодимом
ОУЛЭ — оптический усилитель, легированный эрбием
ПАМ — паразитная амплитудная модуляция
ПКМ — перекрестная модуляция
ПОФ — полосовой оптический фильтр
ППОУ — полупроводниковый оптический усилитель
ПЧМ — паразитная частотная модуляция
РЗЭ — редкоземельные элемен ты
УБВ — усилитель бегущей волны
УСИ — усиленное спонтанное излучение
УФП — усилитель (с резонатором) Фабри — Перо
ФКМ — фазовая кросс-модуляция
ФСМ — фазовая самомодуляция
ЧВС — четырехволновое смешение
ЧВЧВС — частично вырожденное четырехволновое смешение
ASE — amplified spontaneous emission (усиленное спонтанное излучение)
DPSS — diode-pumped solid-state laser (лазерный диод накачки)
DWDM — dense wavelength division multiplexing (плотное волновое мультиплексирование)
EDFА — erbium-doped fiber amplifier (оптический усилитель, легированном эрбием)
NF — noise figure (шум-фактор)

NDFA — neodim-doped fiber amplifier (оптический усилитель, легированный неодимом)
SDH — synchronous digital hierarchy (синхронная цифровая иерархия)
SNR — signal to noise ratio (отношение сигнал — шум, иногда 
представляют как динамический диапазон)
STM-n — synchronous transport module (level n) (транспортный 
модуль)
SONET — synchronous optical nets (синхронные оптические сети)
SOP — saturation output power (мощность насыщения)
WDM — wavelength-division multiplexing (мультиплексирование 
с разделением по длинам волн)

Введение

Настоящее время характеризуется бурным прогрессом информационных технологий, которые включают развитие как вычислительной техники и систем обработки информации, так и систем 
сбора и передачи информации. Последние называют часто телекоммуникационными системами, и их совершенствование сопряжено с развитием и эффективностью работы крупных вычислительных систем и сетей, связанных с передачей больших объемов 
информации на большие расстояния. Сейчас прогрессируют как 
специализированные системы обмена информацией (банковские, 
таможенные, правоохранительные системы), так и общедоступная 
международная сеть Интернет, обеспечивающая широкий доступ 
к библиотечной, художественной, учебной, научной и технической 
информации.
Современная эпоха характеризуется все более высоким спросом 
на большие объемы и скорости передачи информации. При этом 
возникает потребность как в местных, городских, регио нальных 
телекоммуникационных сетях, так и в линиях дальней связи, обеспечивающих передачу данных между странами и континентами. 
Местную голосовую связь обеспечивают современные проводные 
телефонные сети с быстрым электронным соединением абонентов. 
Однако она не удовлетворяет пользователей сети Интернет по скорости передачи данных. Развитие радиотехнических методов позволило создать современные сотовые телекоммуникационные 
системы, а также радиорелейные и спутниковые системы дальней 
связи. Недостатком таких систем является открытость канала связи, 
приводящая к наличию помех в системе передачи информации.
Известно, что увеличение несущей радиочастоты позволяет увеличить скорость передачи информации. Поэтому в современных 
радиотехнических системах передачи информации используют все 
более высокие частоты в области дециметровых и сантиметровых 
длин волн. С появлением оптических квантовых генераторов их начали применять в системах передачи информации в открытых каналах связи в зонах прямой видимости. Радиочастотный диапазон 
охватывает частоты 103…1013 Гц. Частоты оптического излучения 
занимают диапазон 1013…1018 Гц и обеспечивают полосу пропускания (1% от несущей частоты) 1011…1013. Это означает, что в оптическом диапазоне доступная для передачи полоса частот в 105 раз 
больше, чем в радиодиапазоне.

Начиная с 1980 г. достижения в области волоконной оптики 
позволили получать оптические волокна с затуханием менее 
3 дБ/км. Это позволило создавать линии связи без ретрансляторов 
длиной до 20 км. Одновременно успешное развитие электроники 
позволило получать малогабаритные и экономичные источники 
излучения (светодиоды и полупроводниковые лазеры), а также высокочувствительные фотоприемные устройства на основе фотодиодных структур.
Сейчас серийно производятся оптические волокна и кабели с затуханием 0,2 дБ/км, что позволяет создавать линии связи длиной 
до 200 км без ретрансляторов. Современные системы передачи 
информации, как правило, многоканальные и имеют скорости передачи информации до 20 Гбит/с и общую длину до 10 000 км. 
По стоимости такие линии связи конкурируют со спутниковыми 
системами связи, обладая высокой помехоустойчивостью и недоступностью для прослушивания.
Одновременно с развитием волоконно-оптических систем 
связи начали развиваться волоконно-оптические системы сбора 
информации. При этом развивается несколько успешных направлений: использование волокна для транспортировки излучения 
к чувствительному элементу, применение участка волокна в качестве чувствительного элемента и использование волокна в качестве распределенного чувствительного элемента по всей его 
длине.
Основной причиной обращения к оптическим длинам волн является то, что радиотехнические системы передачи информации 
и электромеханические датчики и измерительные приборы перестали удовлетворять многим запросам информационных технологий. В первую очередь это требование резкого увеличения 
объемов собираемой информации и скорости ее передачи.
В настоящем учебном пособии рассматриваются квантовые 
и оптоэлектронные устройства, являющиеся базовыми элементами волоконно-оптических систем сбора, передачи и обработки 
информации. Пособие предназначено для освоения оптических 
дисциплин студентами уровня бакалавриата, специалитета и магистратуры, обучающимися в области приборостроения, телекоммуникаций, автоматики и управления (направления подготовки 
12.00.00 «Фотоника, приборостроение» и 12.03.05 «Оптика и оптико-электронные приборы»).
Предполагается, что в процессе изучения студенты могут:
1) получить представление о существующих оптических системах передачи и извлечения информации, системах управления, 

навигационных системах и методах локационных исследований оптическими методами;
2) освоить теоретическую базу, позволяющую выбирать конкретный вариант оптической системы сбора, передачи и обработки 
информации исходя из стоящей задачи;
3) изучить перечень практических задач, решаемых с помощью 
оптических систем;
4) освоить методики количественной оценки параметров основных оптических устройств и систем.
В результате освоения дисциплины студент должен:
знать
 
• методы исследования, математического описания и моделирования оптических систем, предназначенных для извлечения, 
передачи и обработки информации, а также систем управления;
 
• методы исследования, математического описания и моделирования оптических информационных процессов и систем;
 
• принципы работы помехоустойчивых систем передачи информации, методы фильтрации, сжатия и кодирования информации;
уметь
 
• проводить анализ, синтез и декомпозицию оптических систем;
 
• проводить математическое описание, моделирование и анализ 
коммуникационных и вычислительных оптических систем;
 
• производить количественную оценку основных характеристик 
информационных и телекоммуникационных систем, вычислительных систем и систем управления различного типа;
 
• проводить исследование и математическое описание оптических 
систем, применять методы их статистической обработки;
 
• выбирать оптимальные методы помехоустойчивой передачи информации, сжатия и кодирования;
владеть
 
• методами анализа, синтеза и математического описания оптических систем применительно к информационным и телекоммуникационным системам;
 
• методами исследования и программами имитационного моделирования информационных и телекоммуникационных систем;
 
• способами расчета полосы пропускания и информационно-пропускной способности каналов связи;
 
• способами помехоустойчивого кодирования;
 
• методами сжатия и обработки информации.
Знания, умения и навыки, полученные студентами по дисциплине, могут быть использованы в выпускной квалификационной 
работе.

Глава 1. 
ОСОБЕННОСТИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ 
И НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ КВАНТОВЫХ 
И ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ

1.1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Оптоэлектроника — это наука об устройстве приборов для генерации, приема и преобразования оптического излучения в диапазоне от 0,1 до 100 мкм и процессах, происходящих в них.
Оптоэлектронные приборы — это электронные приборы, обеспечивающие преобразование электрической энергии в световую и, 
наоборот, световую в электрическую. Примеры: светодиод, фотодиод, фототранзистор.
Чаще всего эти приборы используют для преобразования сигналов при извлечении, передаче и отображении информации. 
В датчиках оптоэлектронные приборы осуществляют формирование электрического сигнала под влиянием физических воздействий (давления, температуры, звука и т.п.).
Оптоэлектронное устройство — это устройство, объединенное с другими вспомогательными электронными (или оптическими) приборами в единое целое для выполнения заданных 
функций. Например, светодиод с модулятором образуют передающий оптический модуль (ПОМ). Фотодиод (фототранзистор) 
вместе с усилителем образует оптоэлектронное устройство, которое называются приемным оптическим модулем (ПРОМ).
Квантовые приборы — это приборы, построенные на принципах использования квантовых эффектов при взаимодействии 
света с электронами атомов различных веществ. К этим приборам 
относят прежде всего лазеры, а также нелинейные и параметрические преобразователи света. Особенность квантовых приборов (лазеров) заключается в том, что они позволяют получать когерентное 
излучение, обладающее свойством монохроматичности (одночастотности) и стабильности фазы.
Как известно, свет представляет электромагнитные колебания 
очень высокой частоты. Когерентное излучение, обладающее свойством монохроматичности, наиболее близко к радиочастотным 
электромагнитным волнам. Отличие световых волн когерентного 

излучения в том, что их частота в тысячи раз больше, чем у радиоволн миллиметрового диапазона. Любую систему, действие 
которой основано на непосредственном использовании высокочастотных электромагнитных волн для передачи, сбора, извлечения, 
обработки и хранения информации, называют радиотехнической 
или оптической системой в зависимости от используемого диапазона.
Радиотехника — это наука о передаче и извлечении информации с помощью электромагнитных волн, а также об устройстве 
и работе приборов для генерации и приема электромагнитных колебаний с частотами от единиц килогерц до более чем 300 ГГц. Последняя цифра соответствует длине волны 0,1 мм, или 100 мкм, т.е. 
оптический диапазон следует непосредственно за пределом радиотехнического диапазона.
Радиооптика — наука об изучении и использовании волновых 
процессов в оптике и радиотехнике, основанная на общности законов оптики и радиотехники. В частности, оптические методы 
позволяют наблюдать и моделировать дифракционные и интерференционные явления, характерные для радиоволн. И наоборот, 
сейчас освоены гетеродинные методы обработки сигналов, впервые 
использованные в радиотехнике.
Современная эра систем передачи информации оптического 
диапазона длин волн начинает свой отсчет с момента обнаружения 
эффекта усиления радиосигналов в газовом разряде аммиака 
(Н.Г. Басов и А.М. Прохоров, 1954). Вскоре была разработана 
теория квантовых генераторов радиодиапазона (мазеров) и созданы первые действующие квантовые генераторы оптического 
диапазона — лазеры на рубине (1960), а затем газовые — с использованием газового разряда смеси гелия и неона (1961).
Основной причиной обращения к оптическим длинам волн является потребность в резком увеличении количества и скорости передачи информации. Передача по радиоволнам перестала удовлетворять многим запросам информационных технологий. В первую 
очередь это открытость радиоканала, наличие помех, большая энергоемкость. Вместе с тем достижения в области создания оптических 
волокон с низкими потерями, а также полупроводниковых лазеров 
и высокочувствительных фотоприемных устройств создали предпосылки для создания высокоскоростных оптических систем передачи информации.
Увеличение несущей частоты позволяет увеличить частоту модуляции и доступную для передачи полосу частот, а следовательно, 
увеличивает информационную емкость системы и скорость пере

дачи информации. Частоты оптического излучения занимают диапазон 1013…1018 Гц и обеспечивают полосу пропускания (1% от несущей частоты) 1011…1013. Это означает, что в оптическом диапазоне 
доступная для передачи полоса частот в 105 раз больше, чем в радиодиапазоне. Так, при использовании Не-Ne-лазера с длиной волны 
0,63 мкм (f = 4,7·1014 Гц) полоса пропускания составляет 4700 ГГц. 
В ней можно разместить около миллиона телевизионных каналов 
(один канал занимает 8 МГц). Кроме того, за счет высокой направленности излучения во много раз снижается требуемая мощность 
передатчика по сравнению с мощностью передатчика сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазона.
Таким образом, главными достоинствами радиооптических 
систем являются возможность передачи больших объемов информации с высокой скоростью, качественный прием и энергетический 
выигрыш.
Однако существуют и проблемы в использовании излучения оптического диапазона в наземных условиях. Основная из них — изменчивость прозрачности атмосферы (из-за осадков, загрязнений). 
Поэтому радиооптические системы не заменяют, а дополняют существующие традиционные радиотехнические системы (РТС).

1.2. КЛАССИФИКАЦИЯ ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Все оптические системы можно классифицировать по характеру 
работы с информацией на пять основных типов:
1) системы передачи информации;
2) системы сбора информации;
3) системы обработки информации;
4) системы отображения информации;
5) управляющие системы.
Системы передачи информации. К системам этого типа относятся системы связи и передачи информации в виде цифровых 
данных. Они разделяются на системы с открытым каналом и волоконно-оптические линии связи. Разделяют также одноканальные 
и многоканальные системы, аналоговые и цифровые, узко- и широкополосные, низко- и высокоскоростные, локальные регио нальные 
и глобальные.
Системы сбора информации. Предназначены для измерения 
и сбора сведений о параметрах и характеристиках объектов или процессов. Их разделяют по видам системы определения координат, 
размеров, дальности, скорости движения, взаимной ориентации 
объектов и т.д. К числу таких систем относят: лазерные локаци