Шумы квантовых усилителей

При анализе прохождения шумов по каскадам оптических приемных устройств исходные статистические распределения будут, конечно, трансформироваться в зависимости от типа каскада (как это, например, имеет место для квантового усилителя, см. [c.52]

При использовании в приемном устройстве квантового усилителя, устанавливаемого перед фотодетектором, уровень полезного сигнала повышается. Однако в системе увеличиваются шумы за счет собственных шумов усилителя, одним из источников которых является его спонтанная эмиссия. Повышение уровня полезного сигнала и появление дополнительных шумов в приемном устройстве должны учитываться при расчете вероятности обнаружения. Для решения этой задачи необходимо знать статистику распределения фотонов на выходе квантового усилителя и статистику распределения фотоэлектронов следующего за ним фотодетектора при известной статистике распределения фотонов на входе приемной системы. [c.89]

Чтобы теоретически оценить роль лазерного усилителя в лазерной системе связи [50], нужно ответить на два вопроса каков квантовый выход приемника в рассматриваемом диапазоне длин волн И, если усилитель повышает отношение сигнала к шуму, каким усилением можно пользоваться В лазерных локационных системах, в которых за приемником следует пороговый дискриминатор, значение лазерного предусилителя нельзя оценить только по ОСШ, но следует изучить также статистические свойства сигнала и шума. Подробнее данный вопрос разбирается в литературе [49]. Здесь достаточно рассмотреть систему связи для оптической области спектра, в которой высокая эффективная температура шумов лазерного усилителя ухудшает характеристики системы, особенно при использовании метода оптического гетеродинирования. [c.483]

Для приема очень слабых сигналов в супергетеродинах применяются малошумящие усилители (параметрический усилитель, квантовый усилитель, усилитель на лампе бегущей волны). Применение этих усилителей как входных ступеней значительно улучшает основные параметры Р. у. Для понижения уровня шумов и повышения избирательности Р. у. применяется когерентный радиоприем, основанный на близости фаз принимаемого сигнала и гетеродина. [c.303]

В линейном режиме усиления для увеличения интенсивности волны используется малая доля энергии, запасённой в активной среде. Проблема линейного усиления обычно возникает при передаче и приёме сигнала, несущего информацию. В этом случае решающим фактором являются шумовые свойства усилителя, характеризующие его шумовой температурой Г, . Принципиально неустранимым источником шумов являются квантовые флуктуации. Обусловленная ими шумовая темн-ра, отнесённая к входу усилителя, даётся ф-лой [c.549]

Теперь определим шумовые характеристики лазерного усилителя, пользуясь формулой Найквиста, обобщенной на квантовый случай. Рассмотрим шумы с мощностью Ре, испускаемые источником белого гауссова шума, находящимся при температуре Те. Пусть этот источник соответствующим образом соединен с усилителем, и пусть шумы на выходе усилителя (на единицу ширины полосы) до присоединения нашего источника были [c.456]

Лазерные усилители — это линейные усилители, сохраняющие фазу сигнала, и их можно было бы назвать усилителями напряжения [12]. Здесь мы совершенно не будем касаться усилителей типа квантовых счетчиков, которые не сохраняют фазу сигнала и имеют нулевую предельную температуру шумов [56]. [c.486]

Очень подходящим материалом для трехуровневого мазера является кристалл рубина. Рубин — это кристалл корунда АЬОз с небольшой примесью ионов хрома Сг +. Ионы СгЗ+ имеют спиновое квантовое число 5 = 3/2 нижний (основной) уровень иона Сг " расщепляется в магнитном поле на четыре подуровня, три из которых используются при работе мазера. Кристаллы рубина широко используются для создания усилителей СВЧ с низким уровнем шумов, которые нашли применение в радиоастрономии и для целей космической связи. [c.643]

С точки зрения прикладной нелинейной оптики эффект параметрического рассеяния является источником шумов, ограничивающих чувствительность параметрических усилителей и преобразователей частоты света и предельную стабильность параметрических генераторов света. Однако квантовые шумы могут, в принципе, найти полезное применение в метрологии света, стать основой квантовой фотометрии . Параметрический преобразователь частоты является одновременно абсолютным (не требующим калибровки) измерителем яркости света. Кроме того, одновременность и направленность вылета фотонов в парах при параметрическом рассеянии позволяет осуществить эталонный генератор фотонов, излучающий известное число фотонов. [c.10]

Другой важный параметр системы связи — отношение сигнал-шум определяется эффективным уровнем шума на входе усилителя приемника и полезной мощностью оптического сигнала на входе фотодетектора. Отличительная особенность оптических систем связи заключается в том, что шум приемника содержит составляющую, прямо пропорциональную мощности принимаемого оптического сигнала. Это так называемый дробовой (фотонный) шум, характерный для процесса детектирования, ограничиваемого квантовым шумом. Поэтому в большинстве обычных оптических систем связи, в которых используется модуляция оптического излучения по мощности, уровень шума зависит от величины сигнала. Важно отметить, что шум приемника обычно минимизирован, однако следует иметь в виду, что он увеличивается обычно пропорционально ширине полосы частот, занимаемой сигналом. [c.30]

ЛАЗЕРНЫЙ МИКРОПРОЁКТОР (лазерный ироек ционный микроскоп) — проекционный микроскоп, в к-ро.ч для увеличения яркости получаемых изображений используется усилитель яркости (УЯ), действующий на основе стимулированного (вынужденного) излучения. Стимулированное излучение повторяет все свойства вынуждающего, в т. ч. фазу, поляризацию, поэтому У Я на его основе, пе включающий никаких преобразований световых полей, можно ставить в любое место оптич. системы на пути распространяющихся в ней пучков света. При этом возникает только один неустранимый источник помех собственные шумы квантового усилителя. [c.559]

Существует универсальный способ усиления света с помощью вынужденного (стимулированного) излучения, к-рый используется во всех. тзерах. По самой своей природе вынужденное излучение позволяет усиливать любые пучки света, не внося в них искажений, т. к. оно повторяет все свойства вынуждающего излучения, включая фазу и поляризацию. У. я. на основе вынужденного излучения можно помещать в любое место оптич. системы, поскольку он не включает никаких преобразований. При этом возникает только один неустранимый источник помех — собственные шумы квантового усилителя. [c.243]

Шумы квантовых усилителей. Проведенный здесь вывод показывает, что ОЗК выполняется и для усиливающих сред с отрицательной те.мпературой для выделенной пары уровней (Ар т< 0). Согласно (4.4.13) спектральная яркость в фотонах на моду шумов квантового усилителя (т. е. яркость сверхлюминесценции ) равна [c.135]

Под действием мощной накачки на частоте (О13 населенность уровней El и Ез становится одинаковой и равной ( з + i) 2 = 1,0008 2, Как видим, уровень 3 оказывается инверсно заселенным относительно уровня 2, но разность в заселении этих уровней чрезвычайно мала и не может привести к сколько-нибудь высоким коэффициентам усиления. Аналогичные оценки, проведенные для Г = 4,2 К (жидкий гелий), показывают, что при этой температуре ( 3-f -Ь i)/2 = 1,07 2. Таким образом, понижение температуры рабочего Еещества с комдатной до л 4 К повышает инверсную заселенность на два порядка. Этим объясняется тот факт, что квантовые усилители СВЧ диапазона работают, как правило, при температуре жидкого гелия и используются в стационарных установках в высокочувствительных приемниках радиолокационных и ра-диотелескопических систем, в системах связи и т. д. Основным их преимуществом является исключительно низкий уровень собственных шумов. По величине отношения сигнал/шум они примерно в 1000 раз превышают обычные усилители СВЧ диапазона. Это позволяет с их помощью принимать сигналы, не улавливаемые обычной электронной аппаратурой. [c.336]

КВАНТОВЫЙ УСИЛИТЕЛЬ (мазер) — усилитель ал,-маги. волн СВЧ-диапазона, основанный на явлении вынужденного испускания эл.-магп. излучения возбуждёнными квантовыми системами (птомами, ионами, молекулами). Усиление обусловлено том, что ири вынужденном испускании частота /, фаза, поляризация и направление раснространения у излучённой и вынуждающей волн одинаковы (см. Кйантовая электроника), К. у. обладают чрезвычайно малыми собственными шумами, благодаря чему они применяются [c.333]

Приёмник Р. имеет низкий уровень шумов. Для обеспечения минимальности шумовой темп-ры системы антенна — приёмник охлаждается не только усилитель, но и облучатель или его входная часть до 15—20 К. Шумовая темп-ра малошумящих транзисторных усилителей 1—20 К и примерно равна частоте, выраженной в ГГц. На волнах миллиметрового диапазона применяются также квантовые усилители и параметрические усилители. После усиления сигнал обычно поступает на смеситель, где смешивается с сигналом гетеродина, и далее на анализатор. Это может быть просто квадратичный детектор, на выходе к-рого сигнал пропорционален измеряемой мощности (теми-ре), анализатор импульсного излучения пульсаров, спектроанализатор, система записи на широкополосный магнитофон (в случае наблюдений в режиме радиоинтерферометрии со сверх длинными базами). Результаты наблюдений обрабатываются на ЭВМ. [c.235]

Наим, шумами обладают квантовые усилители, у к-рых в условиях глубокого охлаждения жидким гелием уровень тепловых шумов становится соизмеримым с шумами спонтанного излучения активного вещества в диапазоне частот 0,520 ГГц Т 5- 6 К при охлаждении до 4,2 К. Обычно применяемые трёхуровневые мазеры строятся как регенеративные У. э, к., реже как усилители бегущей волны. Наличие громоздких и дорогостоящих криогенной охлаждающей и магн. систем ограничивает область применения квантовых усилителей уникальными приёмными устройствами радиоастрономии и сверхдальней космич. связи. С мазерами сравнимы по шумовым свойствам полупроводниковые параметрич. усилители (ППУ) при глубоком охлаждении (до 20 К и ниже), однако необходимость системы охлаждения заставляет использовать их в осн. в наземных радиосистемах, где требуются высокочувствит. радиоприёмные устройства, а габариты, масса и потребляемая мощность менее существенны. ППУ, в к-рых в качестве изменяемого энергоёмкого параметра служит нелинейная ёмкость полупроводникового диода — варикапа, работают в диапазоне частот 0,3- -35 ГГц, имеют относит, полосы пропускания от долей до неск. %, АГ,о= 17-нЗО дБ на каскад, широкий динамич. диапазон. В качестве источников накачки применяются генераторы на транзисторах СВЧ без умножения и с умножением частоты, на Ihmia диодах и на лавинно-пролётных диодах. Неохлаждаемые ППУ превосходят по шумовым параметрам неохлаждаемые У. э. к. на транзисторах СВЧ, но значительно уступают последним по сложности, технологическим и массогабаритным показателям, в связи с чем вытесняются ими, прежде всего из бортовой аппаратуры. [c.242]

При использовании в качестве входного каскада оптического приемного устройства квантового усилителя заметным источником шумов является спонтанная эмиссия. Такого же рода шумы наблюдаются при использовании в качестве приемного устройств а бломбергеновского квантового счетчика. Оба этих источника шумов характеризуются статистическим распределением Бозе—Эйнштейна. Наконец, следуег указать еще на один вид шумов, являющийся типичным в оптическом диапазоне, — квантовые шумы иа-лучения, появляющиеся лишь в присутствии излучения (в сущности, для излучения одномодового ОКГ с пуассоновским распределением фотонов квантовые шумы пропорциональны дисперсии этого распределения) вопросы оценки квантовых флуктуаций оптических полей и нахождения статистических распределений рассмотрены в приложении 2. [c.52]

Вынужденное излучение представляет собой лавинообразный процесс рождения тождественных фотонов. При этом возможно получение излучения чрезвычайно узкой спектральной ширины, что мы и подчеркивали б (V — Vo). Действительно, так для алюмоитриевого граната, активированного неодимом (ИАГ N(1 ), полуишрина спектра непрерывной генерации достигает 10" нм (50 Гц). Спектр же спонтанного излучения широк (в данном случае примерно 1 нм). Следует подчеркнуть, что полная вероятность перехода квантовой частицы из состояния / в состояние к с излучением фотона равна сумме вероятностей спонтанного и индуцированного излучений. При этом фотоны спонтанного излучения в отличие от фотонов вынужденного излучения не когерентны. Поэтому естественным источником шума, который ограничивает чувствительность квантового усилителя и стабильность генератора, будет спонтанное излучение. [c.28]

Р. у. импульсных сигналов (в виде посылок коротких радиоимпульсов) применяются при телеграфной передаче, в многоканальной радиосвязи, в радиолокации и т. д. Для неискаженного воспроизведения импульсных сигналов необходима передача широкой полосы частот Д/, связанной с длительностью импульса т соотношением Л/ = а/т, где а в пределах от 1 до 3 в зависимости от требований к точности воспроизведения формы импульса, а также от уровня шумов. При приеме коротких импульсов (10 —Ю оек) Р. у. должно обладать широкой полосой пропускания. В связи с этим несущая частота передатчлка и промежут. частота также выбираются высокими (10—100 Мгц), что достигается применением полосовых усилителей, работающих на связанных конт)фах или на усилит, ступенях с расстроенными контурами. Широко применяются малошумящие параметрические усилители и квантовые усилители. [c.304]

Появление спутниковой, тропосферной, космической связи и глобального радио- и телевещания на сверхвысоких частотах, сверхдальней радиолокации, радиоастрономии, радиосиектросконии потребовало создания радиоприемных устройств с ничтожно малым уровнем шума. Новые возможности в этом отношении открылись перед радиотехникой в связи с достижениями в области изучения свойств различных веществ при глубоком их охлаждении и в связи с освоением новых методов построения радиоприемных схем. В результате этого в 50-х годах появились идеи создания параметрических и квантовых парамагнитных усилителей. Такие схемы обычно охлаждают с помощью жидкого азота, а в последнее время — жидкого гелия. Современные параметрические усилительные схемы осуществляются на основе использования для изменения параметров схемы диодов, ферритов, полупроводников и других нелинейных элементов. Квантовые парамагнитные усилители в настоящее время строятся на двух нринцинах. В первом из них взаимодействие волны слабого сигнала с усиливающим парамагнитным веществом происходит в объемном резонаторе (усилители резонаторпого тина), а во втором — в замедляющих волноводах (усилители бегущей волны). Все эти устройства мало похожи на привычные радиоприемники и пока еще достаточно сложны в осуществлении и эксплуатации, но зато их чувствительность может быть доведена до 10 вт. [c.380]

В Р. у. прямого усиления функции МШУ и УРЧ могут выполняться разл. регенеративными усилителями квантовыми парамагнитными — мазерами, параметрическими, на шуккельных диодах, Ганна диодах и др., в к-рых в колебательную систему в сигнальном тракте вносится обусловленное разл. физ. явлениями отрицательное дифференциальное сопротивление, обеспечивающее усиление по мощности за счёт перекачки энергии от источника питания (накачки). Регенеративные усилители могут обладать весьма малыми коэф. шума н значительным усилением по мощности, что позволяет [c.232]

Чувствительность Р. у., особенно в СВЧ-диапазояе, решающим образом зависит от коэф. шума и усиления по мощности первых каскадов УТ. На рис. 3 приведены обобщённые шумовые характеристики МШУ и диодных смесителей. Наименьшим уровнем шумов обладают охлаждаемые квантовые парамагн. усилители, однако вследствие высокой сложности и стоимости, плохих массогабаритных показателей их использование ограничено практически радиоастрономическими Р. у. Весьма низким уровнем шумов обладают также охлаждаемые параметрич. усилители и усилители на полевых транзисторах с барьером Шоттки (УПТШ), причём массогабаритные показатели допускают их применение даже в бортовых Р. у. Оба типа устройств применяются препы. в наземных Р. у. систем космич. связи, причём вследствие большей простоты и технологичности полевых транзисторов они постепенно вытесняют пара мет- [c.233]

Если когерентный световой сигнал усиливать лазерным усилителем, то к нему добавляются шумы спонтанного излучения. Пользуясь описанной выше системой с дифракционным ограничением пучка, согласованием мод и пространственной фильтрацией, можно уменьшить дополнительный шум спонтанного излучения до значений, близких к теоретическому минимуму. Вопрос заключается в следующем можно ли получить выигрыш в чувствительности системы, т. е. в минимальном обнаруживаемом сигнале Как увидим ниже, ответ зависит от спектральных характеристик приемника. Если провести поверхностный анализ ОСШ для систем, основанных на использовании лазерных усилителей с небольшим усилением, работающих в видимой области спектра, для которой имеются фотоэлектронные приемники с хорошими характеристиками, то можно легко сделать вывод, что лазерный усилитель ухудшает характеристики большинства систем связи [19, 49], особенно если лазерный предусилитель сравнить с оптическими гетеродинными или гомодинными системами. Но более тщательный теоретический анализ (слишком подробный, чтобы воспроизводить его в данной книге) [50] показывает, что в зависимости от уровня инверсии лазерного усилителя и спектрального квантового выхода приемника при использовании лазерного предусилителя может снизиться минимальный обнаружимый уровень сигнала. Результаты измерений, проведенных на длине волны 3,508 мк (одно из лучших окон прозрачности атмосферы) с лазерным предусилителем на Хе, имеющем большое усиление [51, 52], показали, что вследствие сужения полосы усиления получен выигрыш в минимальном обнаружимом сигнале на 16 дб. Поскольку независимые измерения инверсии [c.482]

Наряду с быстрым развитием технических средств исследования свойств фотонов оптического диапазона большие успехи в этом направлении имеются в последние годы и в радиодиапазоне. Энергия фотонов радиодиапазона исключительно мала, намного меньше, чем тепловые флуктуации энергии, равные по порядку величины кТ (Т —шумовая температура в большинстве усилителей она принимается равной комнатной температуре). Следовательно, до сих пор в радиотехнике не было большой необходимости учитывать корпускулярную структуру поля. Однако недавнее изобретение малошумящих усилителей, использующих явления парамагнитного резонанса, до такой степени снизило шумовую температуру регистрирующих устройств, что при дальнейшем их совершенствовании окажется вполне возможной регистрация отдельных фотонов. Таким образом, даже в диапазоне СВЧ приходится в настоящее время учитывать корпускулярную структуру поля. Исследование корпускулярной природы электромагнитных полей представляет интерес еще и потому, что она ставит принципиальные ограничения при передаче информации с помощью этих полей. В данных лекциях мы не будем касаться вопросов теории информации, но сделаем некоторые замечания, относящиеся к теории шумов. Теория шумов является классической формой теории флуктуаций электромагнитного поля и, вполне естественно, связана с теорией квантовых флуктуаций электромагнитного поля. Все перечисленные выше вопросы составляют один общий раздел, который можно назвать статистикой фотонов. В него входит также теория когерентности, которая ставит сввей целью нахождение удобных способов классификации статистического поведения полей. [c.4]

В 50-е годы в связи с появлением парамагнитных и параметрических усилителей СВЧ-диапазона возникла задача о предельной чувствительности таких устройств. Квантовые шумы простейшей модели параметрического усилителя были рассмотрены в 1961 г. Люиселлом и др. [37] (см. также [3]). В этой работе исследовалось изменение во времени состояния двух мод объемного резонатора в случае гармонической модуляции накачкой диэлектрической проницаемости среды, заполняющей резонатор, и была [c.38]

Из определения (35) следует еще одно удобное свойство мультипликативности функции х Х Функция суммы нескольких независимых случайных величин равна просто произведению %-функций этих величин. Например, согласно (40а) можно считать, что на входе каждой моды идеального квантового или параметрического усилителя (реагирующего на антинормальные моменты), кроме истинного сигнала с х-функцией Хмрм, действует еще независимый квантовый шум с гауссовой характеристической функцией ехр (—(Х[Х ). [c.98]

Из рис. 12.1 видно, что фотодиод может по-разному использоваться для детектирования оптического излучеиия. В простейшем случае диод непосредственно подключается ко входу усилителя напряжения с высоким входным сопротивлением, который измеряет изменение (см. рис. 12.1). В другом случае ток диода усиливается усилителем тока, имеющим низкое входное сопротивление, т. е. напряжение на диоде поддерживается вблизи нуля. Прн этом оказываются весьма малыми шумы диодного тока. На практике, однако, фотодиоды в системах оптической связи почти всегда работают в режиме с обратным смещением. При этом квантовый выход и полоса значительно улучшаются. Причины этого будут обсуждены позже. Если обратное смещение увеличено до значения, близкого к пробойному Кцроб, фототок резко возрастает в результате того же самого процесса лавинной ионизации, который приводит к пробою. Область пробоя также показана на рнс. 12.1. Этот процесс лежит в основе работы лавинных днодов, которые будут обсуждаться в гл. 13. [c.310]

Относительный уровень слагаемого в, характеризуюш,его дробовой шум, зависит от значений Мир. Для р-1-п-фотодиода Л1 = 1, — 1, и дробовой шум незначителен. При использовании же хорошего кремниевого лавинного фотодиода с М = 100 и / = 6 наблюдается уменьшение слагаемых б и д и возрастание слагаемого в, вследствие чего дробовой шум становится домииируюш,им в широком диапазоне практических применений. В таком случае приемник работает в условиях квантового предела шу.мов и к нему применимы соотношения (14.4.13) и (14.4.14). Условия для обеспечения такого режима можно получить следующ,им образом. На низких частотах, т. е. при А/С (А/)о, когда слагаемое д шумового тока усилителя превышает слагаемое б шумового напряжения, дробовой шум становится доминирующим при выполнении условия [c.357]

Найденная величина характеризует абсолютный квантовый предел детектируемостн. Прн т] = 1 и X = 0,9 лжм получаем Вф = 1,38 эВ и Фд > 2,2 пВт/(Мбит/с). Сравнение этих цифр с упоминавшимися ранее значениями, полученными иа практике, показывает, что шум усилителя в практических системах связи приводит к ухудшению их чувствительности, так что требуемый уровень принимаемой мощности оказывается почти на два порядка выше этого квантового предела. Вероятно, болзе удобно выразить полученный результат в виде средней принимаемой энергии, приходящейся иа одни передаваемый бит. Если т] = 1, а О н 1 равновероятны, в соответствии с квантовым пределом детектирования на один бнт в среднем приходится 10 принимаемых фотонов. [c.379]

Теперь сравним чувствительность оптического приемника, в котором преобладает шум усилителя, с идеальным квантовым пределом детектирования, рассмотренным в 15.2. Для упрощ,ения сравнения предположим, что усилитель приемника имеет высокое входное сопротивле- [c.381]

На уровне квантового шума (т. е. когда шум усилителя пренебрежимо мал) вывести выражение для среднего значения принимаемой оптической мощности Фо, требуемой для того, чтобы обеспечить максимальное отноигение сигнал-шу.м/С оптической системы связи, использующей модуляцию по интенсивности и работающей в полосе пропускания. Л/, равной ширине спектра модулирующего сигнала. [c.467]

КВАНТОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА, область физики, изучающая методы усиления и генерации эл.-магн. колебаний и волн, основанные на использовании вынужденного излучения, а также св-ва квант, усилителей и генераторов и их применения. Практич. интерес к оптич. квант, генераторам— лазерам обусловлен тем, что их излучение обладает высокой степенью на- правленности и монохроматичности, а, также значительной интенсивностью. Квант, генераторы радио диапазона отличаются от др. радиоустройств высокой стабильностью частоты гене- рируемых колебаний, а квант, усилители радиоволн — предельно низким уровнем шумов. [c.270]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...