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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur optischen Datenübertragung von elektrischen Signalen durch Emission eines modulierten kohärenten Lichtstrahls umfassend einen Laser, mindestens eine Datenquelle, eine Modulationseinrichtung, einen optischen Modulator und eine Strahlformungseinrichtung.
Für Freiraum-Kommunikation zwischen Satelliten und Bodenstationen auf der Erde oder zwischen Satelliten und/oder Raumschiffen untereinander bieten die optischen Frequenzen viele Vorteile gegenüber herkömmlichen Technologien, wie etwa höhere Datenraten, geringere Strahlungsdivergenz oder geringere Sendeleistung. Gegenwärtige Freiraum-Kommunikationssystem umfassen entweder eine erdgebundene Station oder einen Satelliten im Orbit um optische Signale zu einem Missionsraumschiff zu senden und vom Selbigen zu empfangen.
Eine derartige optische Datenübertragungseinrichtung ist beispielsweise aus der US 4214807 A bekannt, die einen auf einer geostationären Umlaufbahn befindlichen Satelliten mit einer Lasereinrichtung zeigt, um an Erdstationen modulierte Laserstrahlen zu senden. Dabei bildet ein Laser die Strahlungsquelle, dessen Strahl einen optischen Modulator passiert, der wiederum von einer Datenquelle beaufschlagt wird. Der modulierte Laserstrahl wird anschliessend parallel aufgeweitet und einem Deflektor zugeführt, der mittels Steuersignale den Abstrahlwinkel des auf die Erde gerichteten Laserstrahls verändert. Die Wellenlänge des Laserstrahls liegt dabei im Infrarotbereich.
Die bislang bekannten optischen Freiraum-Kommunikationssysteme sind einerseits insbesondere im Hinblick auf eine effiziente und genaue Demodulation des gesendeten Signals im Empfänger entwickelt worden. Da kohärente Kommunikationsverfahren zusätzlich einen Laser als Empfangsoszillator benötigen, um das empfangene Licht mit dem Oszillatorlaser zu überlagern und daraus das Sendesignal wiederzugewinnen, sind im Stand der Technik mehr oder weniger komplizierte optische Sende-/Empfangssysteme bekannt geworden.
Zum anderen besteht schon seit den Uranfängen der Menschheit ein Bedürfnis, mit etwaigen interstellaren Lebensformen Kontakt aufzunehmen, bzw. auf sich aufmerksam zu machen. Zwar ist es bekannt, eine in den Weltraum gerichtete periodisch wiederkehrende Signalfolge im Radiofrequenzbereich zu senden, jedoch erfolgte dies bislang nur in Rahmen von nationalen Projekten in Zusammenhang mit der Raumfahrt unter Ausschluss der Öffentlichkeit.
Folglich ist es Aufgabe der im folgenden beschriebenen Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden und die Übermittlung von Daten und/oder Information in den interstellaren Raum einem grossen Teilnehmerkreis zu ermöglichen.
Die Erfindung betrifft sohin ein Verfahren zur optischen Datenübertragung von elektrischen Signalen unter Bereitstellung eines modulierten Laserstrahls sowie eine hiezu erforderliche Anordnung gemäss den Merkmalen der Ansprüche 1 und 18.
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Durch dieses Konzept ist vorteilhaft ein interplanetarer Sender geschaffen, unter Verwendung eines sichtbar modulierten Laserstrahls, aufbereitet mit Daten nach einem festgelegten Übertragungsstandard, der nicht an empfangsseitige
Demodulationsbedingungen gebunden ist. Durch die Wellenlänge des Laserlichts im grünen Bereich ist der Laserstrahl weithin mit freiem Auge sichtbar.
Weiterbildungen dieses Konzeptes beinhalten, dass verschiedene Datenquellen an die Datenübertragungseinrichtung angeschlossen werden können. Um eine
Nachricht durchzugeben, steht einem Benutzer beispielsweise der Zugang entweder über das öffentliche Telefonnetz oder über Internet zum interstellaren
Sender offen.
Dabei kann der erfindungsgemässe Datenprotokollwandler in Verbindung mit einer gängigen Telefonanlage (z. B. Siemens S 12) bis 128 Telefonanrufe gleichzeitig aufbereiten und der Sendemodulationseinrichtung zuführen.
Via Internet können vorteilhaft verschiedenste Daten, wie Text, Bild- Ton-, oder Videodaten dem Sender zugeführt werden.
Alternativ kann der Laserstrahls auch mit einem mit einem Musiksignal, beispielsweise einem Stereo-Audiosignal moduliert werden.
Vorteilhaft sind für den Anschluss der unterschiedlichen Datenquellen gängige Schnittstellen eingangsseitig des Datenprotokollwandlers vorgesehen.
Ein weiteres Konzept beinhaltet die Festlegung von einem interplanetaren Übertragungsstandard im Rahmen einer Datenverwaltung, bei dem die 128 analogen Signale aus der Telefonanlage mit einer Bandbreite von 3, 8 kHz in ein 8-Bit breites, serielles Digitalsignal gewandelt und in einem Wartezyklus aufaddiert werden. Die via Internet über zwei 16-Bit Datenleitungen kommenden digitalen Signale werden in 1 kBit grosse Datenpakete gewandelt und nacheinander zu den einzelnen analog/digital gewandelten 8-Bit Signalen verschachtelt. Diesem Datenstrang wird zudem noch in regelmässigen Abständen ein drei Byte langer Datenstrang, der eine gleichbleibende Information enthält, aufmoduliert, sodass vorteilhaft neben den einzelnen individuellen Informationen eine laufend gesendete Herkunftsinformation mitgesendet werden kann.
Eine Weiterbildung dieses Konzeptes sieht vor, dass mittels einer Umschaltung anstelle der 128 Telefonleitungssignale auch ein Zweikanal-Stereosignal mit einer Bandbreite von 44,1 kHz pro Kanal digitalisiert und entweder direkt oder unter Verschachtelung mit Signalen aus den beiden 16-Bit Datenleitungen der Modulationseinrichtung zugeführt wird.
Somit werden im Datenprotokollwandler sämtliche ankommenden Datensignale gegebenenfalls digitalisiert und nach der beschriebenen Datenverwaltung zu einem seriellen digitalen Signal gewandelt. Vorteilhaft ist durch die vorliegende Datenverwaltung die Verzögerung durch das Umrechnen und Wandeln der Daten gering, womit eine quasi Echtzeitwandlung vorliegt, die eine Live-Übertragung von Signalen über die Erdatmosphäre hinaus durch den sichtbaren, modulierten Laserstrahl ermöglicht.
Gemäss einem weiteren Konzept zur Bereitstellung eines gerichteten und weithin sichtbaren Laserstrahls ist vorgesehen, dass eine zwei-linsige Kollimationsoptik den Laserstrahl nach Austritt aus dem optischen Modulator auf vorzugsweise 80 mm aufweitet und danach wieder parallel führt. Dadurch ergibt sich bei einem Strahldurchmesser von 8 mm nach der durch den Modulationskristall entstanden Aufweitung eine Verkleinerung der Divergenz um den Faktor 10 bei gleichem
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Linsenabstand vom Brennpunkt zwischen den beiden Linsen. Durch den Abstand der beiden Linsen zueinander kann der Brennpunkt von 30. 000 km bis unendlich eingestellt werden. Über eine motorisch in zwei orthogonale Richtungen um +/- 150 einstellbare Umlenkspiegel, wird der Laserstrahl vertikal nach oben gerichtet in den Himmel abgelenkt.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen samt deren Merkmale, sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispieles.
Es zeigt die Figur ein Flussdiagramm eines Verfahren bzw. einer Vorrichtung zur optischen Datenübertragung von elektrischen Signalen nach der Erfindung.
Als Strahlungsquelle dient gemäss der Figur ein Laser 1, der beispielsweise ein Neodym-YAG-Laser sein kann und einen kohärenten Lichtstrahl mit einer Wellenlänge von 1064 nm erzeugt. Dieser Lichtstrahl trifft anschliessend auf einen ausserhalb der Laseranordnung liegenden Frequenzverdoppler 1 a, der beispielsweise ein Kristall aus Kaliumdihydrogenphosphat (KDP) oder Kaliumtitanoxidphosphat (KTP) sein kann. Durch diese Kristalle wird die Frequenz des Lichtstrahls unter Ausnutzung von Polarisationseffekten und der Gitternetzverzögerung, die sich aus der unterschiedlichen Phasenverschiebung der Polarisationsanteile ergibt, exakt verdoppelt, somit im vorliegenden Beispiel auf 532nm. Diese Wellenlänge ist für das menschliche Auge als intensives grün wahrzunehmen, da das menschliche Auge auf dieser Frequenz am stärksten gereizt wird.
Nach Austritt aus dem Frequenzverdoppler 1 a trifft der Laserstrahl im Winkel von 900 auf einen optischen Modulator 2, in dem eine Modulation des als Trägerwelle dienenden Laserstrahls mit hochfrequenten elektrischen Signalen stattfindet, wozu akustooptische, elektrooptische oder magnetooptische Effekte geeignet sind. Dies erfolgt unter Verwendung von Medien, in denen ein Auftreten oder eine Verstärkung der Doppelbrechung auf Grund der unterschiedlichen Änderung der Brechungsindizes in Abhängigkeit von der Feldstärke für verschiedene Schwingungsrichtungen erfolgt. Bei Verwendung eines akustooptschen Lichtmodulators wird in einem Kristall durch eine eingekoppelte akustische Welle hoher Frequenz ein stehendes Schallwellenfeld erzeugt, das zu einer räumlichen periodischen Modulation des Brechungsindex führt.
An diesem Brechungsindexgitter wird Licht, das unter einem bestimmten Winkel zur Ausbreitungsrichtung der Schallwelle einfällt, durch Beugung aus seiner ursprünglichen Richtung abgelenkt. Der Kristall wird durch eine hochfrequente elektrische Spannung betrieben, die mittels zweier, vorzugsweise auf den Kristall aufgedampften, Elektroden 2a, 2b im Kristall eine akustische Welle erzeugen.
Dabei sind die Elektroden 2a, 2b parallel zur Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls an gegenüberliegenden Seiten des Kristalls angebracht. Im Ausführungsbeispiel wird an diese Elektrodenflächen 2a, 2b eine Spannung im Bereich von 2, 7 bis 23 Volt angelegt und eine von der Modulationseinrichtung 3 festgelegte Trägerfrequenz von 116, 58 MHz induziert. Weiters wird im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Kristall verwendet, der durch diese Frequenz die Schwingungen seines Kristallgitter genau um die Amplitude erfährt, die der Wellenlänge des Laserstrahls entspricht, nämlich genau 532 nm.
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Dadurch wirkt sich die im Ruhezustand beobachtete Beugung des Lichtstrahls von etwa 30 nicht mehr auf diese Wellenlänge aus und der Laserstrahl kann mit geringem Verlust und ohne nennenswerte Richtungsänderung den Kristall passieren. Nach Abschalten der Modulationsfrequenz fällt das Kristallgitter unmittelbar in seine Ausgangslage zurück und beugt den Laserstrahl wieder um 30o von der Ursprungsrichtung ausgehend. Es ist nachgewiesen, dass sich der Drehpunkt der Beugung im geometrischen Zentrum des Kristalls befindet, wo sich durch Interferenzen die grösste Ausdehnung befindet, jedoch die Schwingungsenergie gleich Null ist.
Durch die Verzögerung, die beim Übergang in den Ursprungszustand durch die Eigenkapazität des Kristalls bedingt ist, liegt die maximale Schaltfrequenz im vorliegenden Fall im Sinusbereich bei 80 MHz und bei Beaufschlagung mit digitaler Signalfolge bei 20 MHz.
Es ist aber auch durchaus denkbar d im Rahmen der Erfindung andere optische Modulatoren, wie elektrooptische Modulatoren zu verwenden, beispielsweise KDP- oder ADP-Kristalle mit wiederum an parallelen Seitenflächen aufgebrachten Modulationselektroden. Diese Kristalle zeigen den Pockel-Effekt, wobei die Doppelbrechung eines durchlaufenden Lichtstrahls bei Anlegen einer Spannung geändert wird und zudem, im Gegensatz zum akustooptischen Kristall, noch eine Drehung der Polarisationsebene des einfallenden Lichtstahls erfolgt.
Effektbedingt lassen sich mit derartigen Kristallen Schaltfrequenzen bis in den GHz-Bereich erzielen.
Um die bei der optischen Modulation auftretenden Verluste möglichst gering zu halten, ist erfindungsgemäss auch vorgesehen, dass der optische Modulator 2 mit einer Temperaturregelung 9 in Wirkverbindung steht. Dazu ist am Kristall auf mindestens einer elektrodenfreien Seitenfläche parallel zur Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls ein Filmwiderstand aufgebracht, über dem der Kristall auf eine konstante Arbeitstemperatur von vorzugsweise 550 C aufgeheizt bzw. gehalten wird. Die Temperaturregelung erfolgt vorzugsweise mikrothermostatgesteuert, so dass eine Genauigkeit von +/-0, 02 C erreichbar ist. Damit wird dem bei der Modulation auftretenden Divergenzdrift begegnet, der aufgrund der durch Verlustwärme auftretenden Beugung der Strahleintritts- und Strahlaustrittsflächen entsteht.
Zusätzlich kann auch die Umgebungstemperatur des optischen Modulators überwacht und geregelt werden.
Weiters können zur Minimierung der optischen Verluste die Strahleintritts- und Strahlaustrittsflächen des optischen Modulators 2 und/oder des Frequenzverdopplers 1 a mit einer Antireflexionsschicht beschichtet sein.
Auch könnte im optischen Weg des Laserstrahls zwischen Laser 1 und optischen Modulator 2 ein in der Figur nicht dargestellter optischer Isolator eingefügt sein, mit der Eigenschaft, Licht in nur eine Richtung passieren zu lassen, so dass kein reflektiertes Licht in den Laser 1 zurückgelangen kann.
Gemäss einem wesentlich Aspekt der Erfindung können nun Signale 5a, 6a, 7a 8a aus mehreren Datenquellen 5,6, 7,8 dem Laserstrahl aufmoduliert werden.
Dabei können die elektrischen Signale 5a, 6a, 7a ; 8a Daten aus einem öffentlichen Kommunikationsnetz, beispielsweise ein Telefonnetz, einem öffentlichen Datennetz, beispielsweise dem Internet, oder aus Ton- und Filmdarbietungen darstellen. Vorteilhaft sind hiezu genormte Schnittstellen 4a, 4b, 4c, 4d, und 4e vorgesehen, die eine entsprechende Verbindung mit der jeweiligen Datenquelle 5,6, 7,8 ermöglichen. Die Weiterleitung der Daten 5a,
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6a, 7a, 8a der einzelnen Datenquellen 5,6, 7,8 bzw. deren Zuordnung innerhalb des ausgangsseitigen Datensignals 4t erfolgt erfindungsgemäss im Datenprotokollwandler 4. Die ankommenden Signale 5a, 6a, 7a, 8a können dabei in analoger und/oder digitaler Form vorliegen.
Analoge Signale werden einem A/D-Wandler zugeführt und mittels Pulscode- oder Pulsphasenmodulation in digitale Signale gewandelt.
Als Datenquellen bieten sich gemäss dem vorliegenden Ausführungsbeispiel folgende Möglichkeiten : Als Datenquelle 5 dienen die analogen Signale 5a von 128 Signalleitungen einer gängigen Telefonzentrale, wie beispielsweise der "Siemens S12" mit 300 Einwahlmöglichkeiten. Als Datenquelle 6 dienen zwei Internet-Standleitungen, deren digitalen Signale 6a über zwei 16-Bit Datenleitungen dem Datenprotokollwandler 4 zugeführt werden. Als Datenquelle 7 dient ein analoges Stereosignal angeschlossen über zwei symetrische Leitungen an den Datenprotokollwandler 4, als Datenquelle 8 kann demselben ein PCM-Digital Audiosignal zugeführt werden. Die Audio-Signale 7a bzw. 8a könnten dabei auch von einem Live-Konzert oder einem Aufnahmestudio stammen.
In diesem Zusammenhang ist es auch möglich, dass als Datenquelle ein in der Figur nicht dargestelltes Tastaturfeld dient, mit dem Daten bzw. ein Text eingegeben werden kann und über die Schnittstelle 4e dem Datenprotokollwandler 4 zugeführt wird. Die Signale 5a, 6a, 7a 8a der einzelnen Datenquellen 5,6, 7,8 werden nun wahlweise einem Datenprotokollwandler 4 zugeführt, der in Abhängigkeit von den gewählten bzw. vorhanden Signalen 5a, 6a, 7a, 8a die Signale nicht willkürlich, sondern nach einem festgelegten Übertragungsstandard aufbereitet.
Nachstehend wird ein Beispiel einer möglichen Datenverwaltung unter Schaffung eines Übertragungsstandards bei Vorliegen von Signalen 5a, 6a, 7a, 8a aus den vorstehend bezeichneten Datenquellen 5,6, 7,8 beschrieben.
Jedes der 128 analogen Signale 5a aus der Datenquelle 5 (Telefonzentrale), die jeweils eine Bandbreite von 3, 8 kHz aufweisen, wird in ein 8-Bit breites, serielles Datensignal gewandelt und in einem Wartezyklus aufaddiert. Die von der Datenquelle 6 (Internet-Standleitungen) über zwei 1 6-Bit Datenleitungen ankommenden digitale Signale 6a werden in 1 kBit grosse Datenpakete gewandelt und hintereinander zu den einzelnen analog/digital gewandelten 8-Bit Signalen aus Datenquelle 5 aufaddiert. Diesem somit erhaltenen Datenpaket kann ein drei Byte langer, Datenstrang, der eine gleichbleibende Information enthält, in regelmässigen Abständen eingefügt werden.
EMI5.1
Datenquellenverwirklichbar.
Beispielsweise kann anstelle der 128 analogen Signale 5a auch ein Zweikanal-Stereosignal 7a mit einer Bandbreite von 44, 1 kHz pro Kanal mit den Daten 6a aus den beiden Internetleitungen in analoger Weise verschachtelt werden. Ebenso können die via Tastatur eingegebenen Daten mit Daten aus mindestens einer Datenquelle 5,6, 7,8 nach demselben Standard verknüpft werden. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass die Daten 5a, 6a, 7a, 8a einer beliebigen Kombination von mindestens zwei Datenquellen 5,6, 7,8 untereinander in dem nach dem Prinzip des Zeitmultiplexverfahren arbeitenden Datenprotokollwandlers 4 verschachtelt werden können. Das daraus
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resultierende Datenpaket 4t wird in einer Filtereinrichtung durch Glättung der Rechteckübergänge einem analogen Signal angepasst anschliessend der Modulationseinrichtung 3 zugeführt.
Die Modulationseinrichtung 3 enthält einen Frequenzoszillator, dessen Frequenz im Bereich von 116, 0 bis 116, 72 MHz einstellbar ist. Die Mittenfrequenz des Frequenzoszillators wird dabei vorzugsweise durch einen PLL-Regelkreis stabilisiert, der es in einfacher Weise ermöglicht, einen Frequenzraster einzustellen. Das den Datenprotokollwandler 4 verlassende Datenpaket 4t wird der Trägerfrequenz des Frequenzoszillators von vorzugsweise 116, 58 tv) Hz aufmodutiert und als hochfrequente Spannung über die Elektroden 2a, 2b dem optischen Modulator 2 zugeführt, der wiederum, wie vorstehend beschrieben, dieses Signal dem Laserstrahl aufmoduliert.
Der aus den optischen Modulator 2 austretende Laserstrahl durchläuft zunächst eine Strahiformungseinrichtung 4, die eine 2-linsige Kollimationsoptik aufweist.
Durch die erste Linse wird der modulierte Laserstrahl vorzugsweise auf etwa 8 mm aufgeweitet. Die zweite Linse, die die gleiche Brennweite abzüglich der Divergenz des Laserstrahis hat, führt den Laserstrahl wieder parallel. Gemäss den Gesetzen der Optik wird durch den Abstand der zweiten Linse bzw. der Abweichung vom gleichen Abstand wie die erste Linse zum Brennpunkt der Brennpunkt des Laserstrahls von 30. 000 km bis unendlich einstellbar. Der Abstand zwischen den Linsen kann dabei motorisch verstellbar sein.
Der modulierte und geformte Laserstrahl trifft sodann auf eine Strahlpositionierund Strahlnachführeinrichtung 10, die einen in orthogonalen Achsen um insbesondere +/- 150 einstellbaren Umlenkspiegel aufweist. Vorzugsweise erfolgt die Verstellung des Umlenkspiegels mittels zweier mikroprozessorgesteuerter Stellmotoren 13, die einerseits eine exakte Positionierung des Laserstrahis auf interplanetare Koordinaten andererseits eine gewünschte Nachführung des Laserstrahles zur Beibehaltung der Destination ermöglichen.
Vorteilhaft kann in der optischen Achse des abgelenkten Laserstrahles ein optischer Strahlteiler 11 eingefügt sein, der etwa 0, 1% des modulierten Laserstrahis einer Prüf- und/oder Überwachungseinrichtung 12 zuführt. Mit dieser Einrichtung ist es möglich, ein gewünschtes Feedback über die gesendeten Daten 5a, 6a, 7a, 8a den entsprechenden Auftraggebern zu geben.
Abschliessend wird noch darauf hingewiesen, dass die Erfindung nicht nur auf das Ausführungsbeispiel beschränkt ist, sondern Abwandlungen im Rahmen der Erfindung mit eingeschlossen sind.
So ist es beispielsweise durchaus im Rahmen der Erfindung, verschiedene Lasertypen einzusetzen, beispielsweise Gaslaser, Diodenlaser oder Diodenlasergepumpte Festkörperlaser. Auch wäre es denkbar, eine Lichtmodulation direkt im Laser selbst durchzuführen, das heisst, einen Pumplichtmodulierbaren Laser zu verwenden.