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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung, die mit elektrischen
Hochfrequenzsignalen optische Signale moduliert, und insbesondere
einen optischen Frequenzwandler, der alternierende Modulation verwendet,
die substanziell die gleichen Wirkungen aufweist, wie wenn Lichtmodulation
mittels eines Hochfrequenzsignals durchgeführt wird, das eine Frequenz
hat, die um ein ganzzahliges Vielfaches höher ist als die eines elektrischen
Hochfrequenzsignals.
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Bisher
sind Vorrichtungen zur Umwandlung der Frequenz von eingespeistem
Licht anhand verschiedener Methoden bekannt. Eine der Methoden besteht
darin, zwei Arten von Laserstrahlen auf einen nichtlinearen optischen
Kristall zu projizieren, um die Strahlen zu mischen. Diese Methode
ist bereits bekannt und wird verwendet, wenn die Frequenz eines
Laserstrahls verdoppelt werden soll. Eine andere Methode ist die
Verwendung eines modensynchronisierten/modengekoppelten Lasers.
Diese Methode beinhaltet einen Prozess zur Erzeugung von Lichtimpulsen,
indem ein Laserresonator mit einem Lichtmodulator, einem Isolator
und einem Fabry-Perot-Etalon ausgestattet wird; dieses Verfahren
ist auch bekannt als Prozess zur Erzeugung eines Seitenbandes mit
einer Frequenz fp höherer
Ordnung, die um das Km-fache höher
ist als die Phasenmodulationsfrequenz fm (fp = Km·fm). Eine
weitere Methode ist die Umwandlung einer Lichtfrequenz durch Modulation eines
Laserstrahls mittels eines Hochfrequenzsignals zur Erzeugung eines
Seitenbandes. Die vorliegende Erfindung ähnelt der dritten genannten
Methode und wird nachfolgend beschrieben.
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Lichtmodulation
durch Hochfrequenzsignale wird im Allgemeinen dadurch erreicht,
dass eine optische Trägerwelle
und ein elektrisches Hochfrequenzsignal in einen Lichtmodulator
eingespeist werden und eine Intensitätsmodulation, eine Phasenmodulation
oder eine andere derartige Modulation vorgenommen wird. Um bei dieser
Methode ein Seitenband mit einer Frequenz zu erhalten, die mindestens
so hoch wie die des angelegten elektrischen Hochfrequenzsignals
ist, wird das elektrische Hochfrequenzsignal vervielfacht, um ein
gesteigert höherfrequentes
Signal zu erhalten, das zur Lichtmodulation dient. Aber selbst wenn
man das elektrische Hochfrequenzsignal derart vervielfacht, wird
die maximale Modulationsfrequenz durch die Obergrenze des elektrischen
Signals bestimmt. Frequenzmäßig wird
folglich ein vervielfachtes oder verstärktes elektrisches Signal oder
ein anderes derartiges Signal durch die maximale Kenngröße des Stromkreises
begrenzt. Es gibt jedoch Fälle,
in denen als Modulationsfrequenz eine Hochfrequenz verlangt wird,
die höher
als die begrenzte Frequenz ist. Es besteht daher eine Notwendigkeit,
diesen Bedarf zu befriedigen.
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Es
gab Berichte über
Versuche, mittels Phasenmodulation mit einem hohen Modulationsindex
ein Seitenband mit einer Frequenz zu erzeugen, die höher als
die des angelegten Hochfrequenzsignals ist. Eine Quelle ("Generation of Ultrashort
Optical Pulses Using Domain-Inverted External Phase Modulator" ["Erzeugung ultrakurzer
Lichtimpulse mit einem domäneninvertierten
externen Phasenmodulator"]
von T. Kobayashi, OYO BUTURI; Bd. 67. Nr. 9 (1998), Seiten 1056–1060) beschreibt
das Anlegen eines elektrischen Signals von 16,26 GHz an einen Lichtmodulator
mit einem Wellenleiter, der von einem elektrooptischen Kristall
aus LiTaO3 gebildet wurde, auf dem ein Stripline-Resonator
angeordnet war. Bei einem auf 87 Radiant eingestellten Modulationsindex
betrug die spektrale Bandbreite etwa 2,9 THz.
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Zudem
offenbart das US-Patent Nr. 5.040.865 eine Methode zur Erzeugung
eines elektrischen Hochfrequenzsignals durch Modulation von monochromatischem
Licht mit einem elektrischen Hochfrequenzsignal, bei der ein Modulator
mit nichtlinearen Kenngrößen zur
Erzeugung eines Seitenbandes höherer
Ordnung sowie ein Fotodetektor zum Erkennen eines optischen Signals
des Seitenbandes verwendet werden. Dieses Patent offenbart auch
ein Verfahren, das folgende Schritte umfasst: Erzeugung eines ersten
elektrischen Hochfrequenzsignals durch das oben geschilderte Verfahren
mittels eines ersten Modulators und Anlegen des ersten elektrischen
Hochfrequenzsignals an einen zweiten Modulator, um es mit einem
zweiten elektrischen Hochfrequenzsignal zu modulieren. Da jedoch
das letztere Verfahren ein elektrisches Signal verwendet, das man
durch Vervielfachung eines gegebenen elektrischen Hochfrequenzsignals
erhält,
ist es Einschränkungen in
Bezug auf die Frequenz eines Stromkreises unterworfen.
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Um
ein Seitenband höherer
Ordnung zu erhalten, ist es nötig,
einen hohen Modulationsindex zu erreichen, wie es in der Phasenmodulations-Konfiguration
der vorgenannten Quelle gemacht wurde. Um einen hohen Modulationsindex
zu erreichen, muss ein elektrisches Hochfrequenzsignal mit großer Amplitude
verwendet werden. Um die Amplitude des Modulationssignals zu vergrößern, wird
als Modulator-Elektroden
ein Stripline-Resonator verwendet, was die Änderung der Modulationsfrequenz
schwierig macht. Darüber
hinaus kann man durch den Einsatz normaler Elektroden ohne Resonanzeigenschaft
und durch Verstärkung
eines elektrischen Hochfrequenzsignals die Verwendung eines Resonators
als Modulationselektroden vermeiden. Daher kann man sich leicht
eine Konfiguration vorstellen, bei der man die Modulationsfrequenz
ohne weiteres ändern
kann. Es ist aber bekannt, dass der das Modulationssignal verwendende
Verstärker
das als Modulationssignal dienende elektrische Hochfrequenzsignal
frequenzmäßig nach
oben begrenzen würde.
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US-Patent
Nr. 5.040.865 offenbart eine elektrooptische Modulatorkonfiguration
und Methode, mit der die Frequenz vervielfacht wird. Der Modulator
umfasst einen optischen Wellenleiter, der zwei Abzweigungen umfasst,
die zwischen einem optischen Ein- und Ausgang verlaufen. Der optische
Wellenleiter ist in einem Substrat aus einem Material mit elektrooptischen
Eigenschaften gebildet.
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JP 10 206 919 offenbart
eine Methode und Apparatur, um den breiten Wellenlängenbereich
von Licht kontinuierlich zu verändern.
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EP 1 168 040 offenbart ein
alternierendes optisches Modulationssystem, das eine Apparatur umfasst, die
Licht einer vorbestimmten Frequenz durch ein ganzzahliges Vielfaches
n moduliert, um eine Gruppe von Seitenbändern n-ter Ordnung davon zu erzeugen, ferner
eine Apparatur, welche die Seitenbänder n-ter Ordnung moduliert,
um Seitenbänder
höherer
Ordnung zu erzeugen, sowie eine Apparatur, welche zumindest einen
Teil der Seitenbänder
höherer
Ordnung auswählt.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein optischer Frequenzwandler bereitgestellt, der
alternierende Modulation gemäß Anspruch
1 verwendet.
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Es
kann ein optischer Frequenzwandler bereitgestellt werden, der alternierende
Modulation verwendet, um ein Seitenband höherer Ordnung selbst dann zu
erhalten, wenn die Modulation mit einem elektrischen Hochfrequenzsignal
erfolgt, das eine kleinere Amplitude besitzt als in der konventionellen
Konfiguration, die als Funktionsprinzip die Phasenmodulation verwendet,
die sich einen hohen Modulationsindex zu eigen macht.
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Der
Ausdruck "Seitenband
n-ter Ordnung" bezieht
sich auf ein Seitenband, das frequenzmäßig von der Trägerwelle um
das n-fache der Modulationsfrequenz beabstandet ist, und der Ausdruck "Seitenbandgruppe
n-ter Ordnung" bezieht
sich auf zwei Seitenbänder,
die bezüglich
der Trägerwelle
eine symmetrische Lage aufweisen.
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Der
optische Frequenzwandler kann eine oder mehrere Modulationseinrichtung(en)
zum Modulieren des Lichts der vorbestimmten Frequenz umfassen und
eine Laserlichtquelle beinhalten.
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Der
Frequenzwandler kann ferner einen Phasenmodulator zum weiteren Modulieren
des Signals beinhalten. Darüber
hinaus kann er noch eine Einrichtung zur Umwandlung eines Teils
des optischen Ausgangs in elektrische Signale sowie eine Einrichtung
für die
Rückeinspeisung
der elektrischen Signale in das Modulationssignal des Phasenmodulators
aufweisen.
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Es
werden nun Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung nur in Form von Beispielen beschrieben;
dabei wird auf die folgenden beigefügten Zeichnungen Bezug genommen:
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1 ist
ein Blockdiagramm der Grundausführung
eines optischen Frequenzwandlers mit alternierender Modulation.
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2 ist eine erläuternde Ansicht, die die Änderung
eines durch Modulation erzeugten Seitenbandes zeigt, wobei Spektren
eines neu erzeugten Seitenbandes durch Punkte dargestellt sind.
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3 ist
ein Blockdiagramm, das den Betrieb des optischen Frequenzwandlers
mit verbesserter alternierender Modulation veranschaulicht.
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4 ist
ein Blockdiagramm mit der Darstellung eines Experiments, mit welchem
das Prinzip des optischen Frequenzwandlers mit verbesserter alternierender
Modulation verifiziert wird, und
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5 ist
ein Blockdiagramm, das eine bevorzugte Ausführungsform des optischen Frequenzwandlers mit
verbesserter alternierender Modulation veranschaulicht.
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1 ist
ein Blockdiagramm, das die Grundausführung eines optischen Frequenzwandlers
mit alternierender Modulation veranschaulicht, und 2 zeigt
die Änderung
eines durch Modulation in der Konfiguration der 1 erzeugten
Seitenbandes, wobei Spektren eines neu erzeugten Seitenbandes durch
Punkte dargestellt sind.
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In 1 hat
das eingespeiste Licht die Frequenz f0.
Ein Schmalbandfilter (ein Bandpassfilter mit besonders schmalem
Durchlassbereich; d.Ü.) 1 lässt das
eingespeiste Licht der Frequenz f0 dort
durch, reflektiert jedoch Licht mit einer Frequenz, die auch nur
geringfügig
von dieser Frequenz abweicht. Das Schmalbandfilter 1 wird
deswegen als Reflexionseinrichtung verwendet. Ein Lichtmodulator
ist ein Intensitätsmodulator,
der mit einer identischen Modulationsfrequenz fm links und rechts
drehend polarisiertes Licht (left and right oriented light) modulieren
kann. Ein Schmalbandfilter 2 lässt Licht mit einer Seitenband-Frequenz
dritter Ordnung durch und reflektiert anderes Licht. Das Schmalbandfilter 2 wird
daher ebenfalls als Reflexionseinrichtung verwendet.
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Bei
der vorgenannten Konfiguration wird Licht der Frequenz f0 in 2(a),
das nach Passieren eines Schmalbandfilters 1 eingespeist
wird, moduliert; dies resultiert in einem in 2(b) abgebildeten
Seitenband. Der Einfachheit halber wird angenommen, dass lineare
Modulation vorgenommen wird, um eine Trägerwelle und eine Seitenbandgruppe
erster Ordnung zu erzeugen. Ein Schmalbandfilter 2 reflektiert
die Trägerwelle
und die Seitenbandgruppe erster Ordnung zurück durch den optischen Intensitätsmodulator.
Dieser unterzieht sie einer Modulation und erzeugt so die in 2(c) abgebildeten Spektren. Der Trägerwellenanteil
des Lichts passiert das Schmalbandfil ter 1, wodurch nur
noch das in 2(d) abgebildete Seitenband übrig bleibt,
das reflektiert und weiter moduliert wird, was zu dem Spektrum der 2(e) führt.
Dieser Modulationsprozess bringt somit Seitenbänder erster und dritter Ordnung
hervor. Das in 2(g) abgebildete hochfrequente
Seitenband dritter Ordnung passiert das Schmalbandfilter 2,
während
das in 2(f) abgebildete Seitenband
erster Ordnung davon reflektiert wird. Auf diese Weise wird das
eingespeiste Licht, das eine dreimal höhere Frequenz als die des elektrischen
Hochfrequenzsignals aufweist, vom Schmalbandfilter 2 ausgekoppelt.
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Die
obige Beschreibung wurde unter Bezugnahme auf den Intensitätsmodulator
vorgenommen. Den gleichen Effekt erzielt man jedoch auch mit einem
Phasenmodulator. Zu den verwendbaren Modulatoren gehören Resonanz-Modulatoren
und Wanderwellen-Modulatoren. Ein Wanderwellen-Modulator hat Elektroden an
beiden Enden; das bedeutet, dass ein Modulationssignal an beiden
Enden eingespeist werden kann und es möglich macht, dass die gleiche
Modulation auf das Licht übertragen
werden kann, unabhängig
davon, welchen Weg das Licht nimmt.
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3 ist
ein Blockdiagramm, welches eine Abwandlung der in 1 abgebildeten
Konfiguration des optischen Frequenzwandlers illustriert. Insbesondere
wurde das System der 1 durch einen Phasenmodulator
ergänzt.
Das eingespeiste Licht mit der Frequenz f0 passiert
das Schmalbandfilter 1 und wird vom Intensitätsmodulator
mit der Modulationsfrequenz fm1 moduliert.
Das modulierte Licht wird vom Phasenmodulator mit der Modulationsfrequenz
fm2 phasenmoduliert. Das phasenmodulierte
Licht wird in das Schmalbandfilter 2 eingespeist. Die Wirkung
des Schmalbandfilters ist die gleiche wie die in der Konfiguration
der 1. Das heißt,
das Schmalbandfilter lässt
Licht mit einer Seitenband-Frequenz dritter Ordnung pas sieren und
reflektiert Licht mit einer Seitenband-Frequenz erster Ordnung. Der Phasenmodulator
kann so ausgelegt werden, dass er Amplitudenmodulation durch eine Änderung
der Störbedingungen
durchführt,
die durch eine Änderung
der Phase des Lichts hervorgerufen wird, das in einem die Schmalbandfilter 1 und 2 umfassenden
optischen Resonator reflektiert wird. Der optische Ausgang kann
einer Intensitätsmodulation
unterzogen werden, indem der Phasenmodulator mit einem Modulationssignal
versorgt wird, dessen Frequenz sich von der Modulationsfrequenz
fm1 unterscheidet.
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4 ist
ein Blockdiagramm einer experimentellen Konfiguration. Die Reflexion
durch Fasergitter (FBG) 3 und 4 führt dazu,
dass das eingespeiste Licht den Phasenmodulator mehrmals passiert
und dadurch ein Seitenband höherer
Ordnung erzeugt. Als Laserlichtquelle dient ein 10-Milliwatt-Halbleiterlaser,
der bei einer Wellenlänge
von 1550 Nanometern arbeitet. Als Isolator wird eine von der Newport
Company hergestellte handelsübliche
Ausführung
verwendet. Die Fasergitter 3 und 4 sind ebenfalls
eine handelsübliche,
von der 3M Company hergestellte Bauart. Diese Fasergitterart ist
z.B. im Artikel "Trends
in the Development of Fiber Grating Technology" ["Tendenzen
in der Entwicklung der Fasergittertechnik"] von Akira Inoue, C-3-67, Hauptversammlung
[HV] des Elektronikinstituts 2000, Informations- und Kommunikatonsingenieure,
Seiten 246–247, beschrieben.
Der Modulator ist ein von der Sumitomo Osaka Cement Co., Ltd., hergestellter
handelsüblicher Wanderwellen-Phasenmodulator,
der elektrische Hochfrequenzsignal-Eingänge mit einer Frequenz von
bis zu 40 GHz bewältigen
kann. Mit dieser Konfiguration war es möglich, ein Seitenband von –32 dBm
mit einem Trägerfrequenzabstand
von 210 GHz aus einem Input eines Modulationssignals von 30 GHz
und 27,8 dBm zu erhalten.
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5 zeigt
die Anordnung eines weiteren optischen Frequenzwandlers. Zur Ausstattung
dieses Wandlers gehören
ein Isolator, um den Effekt zu unterdrücken, dass Licht vom Schmalbandfilter 1 zurückkehrt, ein
Dispersionskompensator, um zu verhindern, dass der Wirkungsgrad
der alternierenden Modulation selbst bei Seitenband-Frequenzen höherer Ordnung
abnimmt, sowie ein optischer Verstärker zur Erzielung einer hohen
Ausgangsleistung. Der Kompensator gleicht die in den anderen Komponenten
entstehende Dispersion aus. Man kann auf den Kompensator verzichten,
indem man die anderen Wandlerkomponenten mit dieser Funktion ausstattet.
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Im
Allgemeinen schwankt die Intensität des optischen Ausgangs. Der
Ausgang kann jedoch stabil gehalten werden, indem man z. B. den
optischen Ausgang mittels einer Fotodiode in ein elektrisches Signal
umwandelt, das zum Phasenmodulator zurückgeleitet wird. Der Grund
dafür ist,
dass die Schwankungen in der Intensität des optischen Ausgangs durch
Abweichungen in der Phase des Lichts bedingt sind, die aus Abweichungen
im Lichtweg entstehen, und dass die Schwankung des optischen Ausgangs
durch Ausgleich der Abweichungen unterdrückt werden kann.
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Es
ist wünschenswert,
im Schmalbandfilter 2 die transparente Spektralcharakteristik
extern zu steuern, das heißt über Spannung,
Strom, Temperatur, Magnetfeld, Druck, elektromagnetische Welle oder
dergleichen. Von diesem Standpunkt aus kann das in JP-A-HEI 11-95184
beschriebene variable Wellenlängenfilter als
Schmalbandfilter 2 eingesetzt werden.
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Statt
des Phasenmodulators kann ein Modulator dienen, der die Trägerwelle
dämpft
und beide Seitenbandgruppen übrig
lässt,
wie z. B. der Modulator, der im Artikel "Optical Subcarrier Generation Using
Integrated LN Phase Modulator" ["Erzeugung optischer
Zwischenträger
mit integriertem LN-Phasenmodulator"] von Shimozu und anderen, C- 3-20, HV des Elektronikinstituts
2000, Informations- und Kommunikatonsingenieure, Seite 199, beschrieben
ist. Ein Absorptionsmodulator auf Halbleiterbasis, ein Mach-Zehender-Interferenz-Intensitätsmodulator
oder ein Phasenmodulator mit elektrooptischem Effekt kann für den Modulator
verwendet werden.
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Der
Modulationsindex kann ohne weiteres verbessert werden, indem man
Resonanz-Intensitäts-
und Phasenmodulatoren verwendet, die die Modulation mit Elektroden
durchführen,
welche bei der Modulationsfrequenz mitschwingen. Wie ohne weiteres
zu verstehen ist, bedeutet dies, dass ausreichende Modulation erzielt
werden kann, indem man nur eine kleine Menge an Hochfrequenzenergie
verwendet. Die Eigenschaften eines Resonanzmodulators sind in der
Abhandlung "60 GHz
Band Resonance Type LiNbO3 Optical Modulator" ["LiNbO3-Resonanz-Lichtmodulatoren
für den
60-GHz-Band-Bereich"] von Sasaki und
anderen, C-3-125, HV des Elektronikinstituts 1999, Informations-
und Kommunikatonsingenieure, Seite 279, beschrieben.
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In
dem oben beschriebenen Modulator besitzt die präzise Position keine besondere
Relevanz, solange sich der optische Verstärker zwischen den Schmalbandfiltern 1 und 2 befindet.
In ähnlicher
Weise wird der Reihenfolge, in der der Modulator, der optische Verstärker, der
Kompensator und der Phasenmodulator angeordnet sind, keine besondere
Bedeutung beigemessen, weil selbst bei unterschiedlicher Reihenfolge
der gleiche Effekt erzielt werden kann.
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Nachstehend
wird die Wirksamkeit des Wandlers mit der im Vorgehenden erläuterten
Konfiguration beschrieben.
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Der
optische Frequenzwandler umfasst eine Einrichtung, die, nimmt man
n als vorbestimmte ganze Zahl 1 oder mehr, Licht einer vorbestimmten
Frequenz moduliert, um eine Gruppe einer Seitenbandgruppe n-ter
Ordnung davon zu erzeugen, eine Einrichtung, die die Seitenbandgruppe
n-ter Ordnung moduliert, um eine Seitenbandgruppe (n + 1)-ter Ordnung
zu erzeugen, sowie eine Einrichtung, die aus den Seitenbandgruppen
n-ter und (n + 1)-ter Ordnung ein spezifisches Seitenband auswählt. Indem
auf diese Art Einschränkungen im
Hinblick auf die Stromkreisleistung gemindert werden, kann man in
geplanter Weise Seitenbänder
höherer Ordnung
erhalten.
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Der
Wandler umfasst ferner eine Reflexionseinrichtung, die zum Umlenken
eines Lichtweges für
das Licht der vorbestimmten Frequenz und das modulierte Licht dient;
dadurch kann man den Wandler mit einem kurzen Lichtweg konfigurieren.
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Der
Wandler umfasst darüber
hinaus eine oder mehrere Modulationseinrichtung(en) zum Modulieren des
Lichts der vorbestimmten Frequenz; in eine davon wird eine Seitenbandgruppe
unterschiedlicher Ordnung eingespeist, was es möglich macht, durch Verringerung
der Anzahl der verwendeten Modulatoren die Herstellungskosten zu
senken.
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Der
Wandler umfasst weiterhin eine erste Reflexionseinrichtung, die
vor der Modulation das Licht der vorbestimmten Frequenz passieren
lässt und
den Teil des Lichts anderer Frequenzen reflektiert, sowie eine zweite
Reflexionseinrichtung, die in Bezug auf eine vorbestimmte ganze
Zahl n der Größenordnung
1 oder mehr Seitenbänder
(n + 1)-ter Ordnung passieren lässt
und den Teil des anderen Lichts reflektiert. Dadurch kann ein optischer
Frequenzwandler ohne weiteres konfiguriert werden, indem man ein
Filter verwendet, das für
einen Teil des Lichts durchlässig
ist, um einen optischen Resonator zu bilden.
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Der
Wandler hat zudem eine Laserlichtquelle und einen Lichtmodulator,
wobei die erste Reflexionseinrichtung ein erstes Schmalbandfilter
umfasst und die zweite Reflexionseinrichtung ein zweites Schmalbandfilter
umfasst, wodurch die Kosten gesenkt werden.
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Der
Wandler beinhaltet zudem einen Phasenmodulator, was die Modulation
des frequenzmodulierten optischen Signals erleichtert.
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Der
Wandler beinhaltet weiterhin eine Einrichtung zur Umwandlung eines
Teils eines optischen Ausgangs in elektrische Signale sowie eine
Einrichtung zur Rückeinspeisung
der elektrischen Signale in ein Modulationssignal des Phasenmodulators,
was es ermöglicht,
ohne weiteres ein stabiles frequenzgewandeltes optisches Signal
mit geringer zeitlicher Schwankung zu erhalten.
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Übersetzung
der in den Figuren vorkommenden englischen Begriffe
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