Bei der Nachrichtenübertragung mit Lichtpulsen kann man ausserordentlich hohe Ubertragungsbandbreiten erreichen, lassen sich doch Impulse erzeugen, deren Abstand in der Grössenordnung von 10 ps liegt. Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Obertragung von Nachrichten mittels Lichtpulsen, insbesondere für derart schnelle Pulsfrequenzen, und ist gekennzeichnet durch einen optischen Sender mit einem optischen Multiplexer, welcher einen Puls erzeugt, der aus Impulsgruppen mit je einem Synchronisationsimpuls konstanter Amplitude und amplitudenmodulierten Nachrichtenimpulsen besteht, deren Maximalamplitud kleiner ist als die des Synchronisationsimpulses, durch einen Lichtempfänger mit einem Pulsgenerator,
der synchron mit den empfangenen Synchronisierungsimpulsen einen Uberlagerungspuls erzeugt, durch eine optische Laufzeitanordnung, welche optisch nichtlineare Materialien enthält und in der einen Richtung von dem Überlagerungspuls und in der entgegengesetzten Richtung von dem ganzen empfangenen Puls durchlaufen wird, derart, dass beim Zusammentreffen eines Uberlagerungsimpulses mit einem Informationsimpuls ein Lichtimpuls unter einem Winkel zur Laufrichtung der Pulse aus der Laufzeitanordnung austritt, und durch photoelektrische Wandler, welche längs der Laufzeitanordnung so angebracht sind, dass jeder von einem Nachrichtenimpuls einer Gruppe herrührende, aus der Laufzeitanordnung austretende Lichtimpuls auf einen eigenen photoelektrischen Wandler fällt.
Verschiedene Ausführungsformen der Erfindung werden im folgenden anhand der Figuren beispielsweise erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Anordnung zur Erzeugung des zu übertragenden Signals,
Fig. 2a dessen zeitlichen Verlauf,
Fig. 2b den zeitlichen Verlauf des im Demodulator erzeugten Überlagerungspulses,
Fig. 3 eine Anordnung zur Pulsdemodulation,
Fig, 4 u. 5 zwei Blockdiagramme für verschiedene Formen eines Überlagerungspulserzeugers,
Fig. 6-11 verschiedene optische Laufzeitanordnungen.
Sender
In Fig. 1 ist 11 ein Laser, welcher mit phasenstarrer Schwingungskopplung arbeitet, derart, dass er einen Puls aussendet, welcher aus sehr kurzen, lichtstarken Impulsen besteht. Die Impulsbreite liegt beispielsweise in der Grössenordnung von 10 ps. Dieser Puls geht zunächst auf einen Strahlteiler 12 und von dort einerseits über den Strahlsammler 13 zur Übertragungsstrecke 14, andererseits auf eine Laufzeitstrecke 15, die aus einer Reihe teildurchlässiger Spiegel 15 gebildet wird. Diese Spiegel können so ausgebildet sein, dass der Anteil des abgelenkten Lichtes mit zunehmendem Wege zunimmt, derart, dass die abgelenkten Strahlen alle etwa die gleiche Stärke haben. Jeder dieser Strahlen geht durch einen der elektrooptischen Modulatoren 16, die im einfachsten Falle die Strahlen binär modulieren, d. h. durchlassen oder sperren.
Die Strahlen werden in einer zweiten Laufzeitstrecke 17, die der Laufzeitstrecke 15 gleicht, wieder zu einem Strahl zusammengefasst, im Strahlsammler 13 mit dem vom Strahlteiler 12 kommenden Strahl zusammengeführt und können in einem Lichtverstärker 18 oder 19 verstärkt werden.
Bei dieser Anordnung genügt es, wenn die elektro-optischen Modulatoren mit einer Frequenz gleich der Wiederholungsfrequenz der Impulsgruppe arbeiten, die etwa um eine Grössenordnung tiefer ist als die Nachrichtenimpulsfrequenz.
Signal
Der Strahl am Ausgang 14 trägt jetzt einen Puls fO, welcher aus Gruppen mit einem Synchronisierungsimpuls aO grösserer Amplitude und einer Reihe aufeinanderfolgender Impulse a1 . . . an mit einer kleineren Amplitude oder der Amplitude O (bei binärer Modulierung) besteht (Fig. 2a). Der jeweilige Abstand zweier Impulse ist grösser als deren Breite und durch die doppelte Zeit gegeben, die der Lichtstrahl zum Durchlaufen der Entfernung zwischen zwei nebeneinanderligenden Strahlteilern benötigt. Die einzelnen Impulse der Gruppe sind in bekannter Weise je einem Übertragungskanal zugeordnet, so dass die Übertragungseinrichtung ein Multiplexsystem mit n Kanälen bildet. Sie sind amplitudenmoduliert, d. h. im einfachsten Falle entweder anwesend oder nicht.
Empfänger
Im Empfänger nach Fig. 3 ist f0 der eintretende Lichtstrahl, welcher durch den Strahlteiler 38 in zwei Strahlen aufgespalten wird. Der erste Strahl geht zum Überlagerungspulserzeuger 37, der andere Strahl in die Laufzeitanordnung 31. In diese tritt der Überlagerungspuls F von rechts ein und durchläuft sie von rechts nach links. Gleichzeitig durchläuft der ganze empfangene Puls die Laufzeitanordnung von links nach rechts. Der erste Nachrichtenimpuls a1 tritt mit dem Überlagerungsimpuls F im Punkt 341 auf der Höhe des elektro-optischen Wandlers 35 zusammen.
In später beschriebener Weise wird dadurch ein Lichtimpuls erzeugt, welcher auf den photoelektrischen Wandler 35a fällt und dort in einen elektrischen Impuls umgewandelt wird. Das gleiche geschieht an den Stellen ..... . 34n der weiteren elektro-optischen Wandler 352...35, für die Impulse .... . a. Der Abstand der elektro-optischen Wandler oder der zugeordneten Punkte in der Laufzeitanordnung ist gleich z c1+c2 worin z der zeitliche Abstand zweier impulse, c1 und ci die Lichtgeschwindigkeit der Impulse von rechts nach links bzw.
links nach rechts bedeutet.
Das demodulierte Signal der einzelnen Kanäle wird dann elektronisch weiterverarbeitet.
Eine ähnliche Anordnung ist bekannt zur Messung der Dauer und des Verlaufs extrem kurzer Lichtimpulse. Die in Fig.
3 gezeigte Anordnung unterscheidet sich von ihr dadurch, dass das aus der Laufzeitanordnung seitlich austretende Licht durch diskrete photoelektrische Wandler und nicht von einer Kamera aufgenommen wird.
tAberlagençngspulseReuger
Der Überlagerungspulserzeuger 37 wird durch den Synchronisationsimpuls aO ausgelöst bzw. synchronisiert. Wegen der grösseren Amplitude dieses Impulses spricht er nur auf diesen an und nicht auf die Informationsimpulse. Er erzeugt für jeden Synchronisationsimpuls einen Überlagerungsimpuls, der in Fig. 2b dargestellt ist.
Eine Anordnung des Überlagerungspulserzeugers ist in Fig.
4 dargestellt. f0 ist der empfangene Puls, der auf einen photoelektrischen Wandler 41 fällt, den man auch als Demodulator bezeichnen kann. Er hat eine Ansprechschwelle derart, dass er die Synchronisationsimpulse empfängt und die Nachrichtenimpulse unterdrückt. Er gibt also für jeden Synchronisationsimpuls einen elektrischen Impuls ab. Dieser wird im Verstärker 42 verstärkt, in einem Phasenschieber 43 mit Feinanpassung in der Phase eingestellt und geht als Modulationswelle 46 zu dem internen Modulator 45 einer Laserkavität 44. Durch die phasenstarre Schwingungskopplung innerhalb 45 entsteht ein periodischer Intensitätsverlauf.
Die Kavitätslänge ist so angepasst, dass die Eigenperiode bis auf die Unschärfe der Frequenz (bestimmt durch die Güte der Laserkavität) mit der Synchronisierperiode übereinstimmt.
Die Güte der Laserkavität ist so angepasst, dass einerseits durch die hohe Güte die austretenden Impulse F genügend scharf definiert sind, dass aber andererseits bei gewissen Schwankungen der Impulsamplitude und der Impulsperiode p die Synchronisation nicht abreisst.
Die Linienbreite des verstärkenden Mediums ist so gewählt, dass die Impulsbreite der Überlagerungsimpulse etwa gleich der der Nachrichtenimpulse ist.
Die Phasenverschiebung im elektrischen System nach Fig. 4 zwischen dem Demodulator 41 und dem Modulator 45 kann eine Unsicherheit hervorrufen. Eine Amplituden- oder Formveränderung des Signals kann ausserdem zu anderen Phasendifferenzen unter gekoppelten Eigenschwingungen in 44 führen und somit die Synchronisation vollständig zerstören.
Die Ansprüche an die Elektronik sind somit sehr hoch.
Bei einer zweiten Ausführung des Überlagerungspulsgene rators wird der Strahl f0 direkt in eine Laserkavität eingekoppelt. Durch die nichtlinearen Lasereigenschaften wird der Synchronisationsimpuls aO wesentlich verstärkt, während der Informationspuls .... . a im Untergrund verschwindet. Der aus der Laserkavität ausgekoppelte Strahl hat den in Fig. 2b gezeigten Verlauf. Für den Laser besteht noch die zusätzliche Bedingung, dass seine Lichtfrequenz mit der der Signalwelle übereinstimmt.
Auch die direkte Einkopplung des ankommenden Strahles f0 in den Laser 44 ist optisch sehr anspruchsvoll und bei kleinster Dejustierung zerfällt die Synchronisation. Dieser Nachteil kann behoben werden, wenn man eine resonanzfreie Verstärkerkette aufbaut (Fig. 5).
Diese besteht aus einer Kette von mehreren gleichwertigen Gliedern und einem Abschlussbegrenzer. Jedes Glied besteht aus einem Laserverstärker, z.B. 51, 53, 55 (Laserrohr ohne Spiegel) und einem sättigbaren Absorber, z.B. 52,54,56. Der erste Verstärker 51 verstärkt das Eingangssignal f0 ungefähr linear und addiert eigenes Rauschen. Der sättigbare Absorber unterdrückt das Rauschen und den Puls at . . . an, während der Puls aO nur unwesentlich abgeschwächt wird. Nachdem genügend viele Verstärkungsglieder durchlaufen sind, stimmt, abgesehen von der Form des Untergrundes und grösserer Amplitudenstreuung, der Strahl km mit dem Puls F bei den anderen Systemen überein. Der sättigbare Verstärker 57 am Schluss der Kette dient als Begrenzer.
Damit wird die Impulsform leicht verändert und die Amplitudenschwankungen werden wesentlich unterdrückt.
Das beste Signalrauschverhältnis und die beste Stabilität erreicht man mit dem System nach Fig. 4. Am schlechtesten wird es bei dem System nach Fig. 5. Somit hängt es von der technischen Ausführung ab, welches System vorzuziehen ist.
Laufreitanordnung
Sie enthält eine Laufzeitstrecke 61, die vom Strahl f0 von links nach rechts, eine zweite Laufzeitstrecke 63, die vom Strahl F von rechts nach links durchlaufen wird, zwei gekreuzte Polarisatoren 62 und 64, sowie eine Reihe photoelektrischer Wandler 65 (Fig. 6).
Die Laufzeitstrecke besteht aus lichtstreuendem Material, wie einer milchigen Flüssigkeit oder einem durchsichtigen festen Körper, der streuende Partikel enthält. In ihr wird der Strahl f0 gestreut. Ein Teil der gestreuten Strahlen tritt durch den Polarisator 62 in die Verzögerungsstrecke 63 ein. Diese besteht aus optisch nichtlinearem Material, dessen optische Eigenschaften von der Beleuchtungstärke abhängen. Solches Material ist z.B. Lithiumniobat.
An Orten und Zeiten, an denen sich die gestreuten Strahlen mit dem Überlagerungsimpuls F in 63 treffen, erleiden sie eine Drehung der Polarisationsebene, sodass ein Teil durch den Analysator 64 hindurchtreten und somit die photoelektrischen Wandler 65 erreichen kann. Wie schon oben beschrieben, erscheint somit in jedem Wandler das einem Kanal zugeordnete Signal.
Da im Gegensatz zu der bekannten Anordnung mit photographischer Auswertung nicht das an allen Stellen seitlich aus der Laufzeitanordnung austretende Licht, sondern nur das von bestimmten Stellen herrührende Licht ausgewertet wird, erreicht man eine wesentlich bessere Lichtausnützung durch einen Linsenaufbau nach Fig. 7. Durch die Linsen 76 wird das gestreute Licht auf den Strahl F projiziert und durch die Linsen 78 wird das wegen der Drehung der Polarisationsebene durch den Analysator 74 hindurchtretende Licht auf die photoelektrischen Wandler 75 vereinigt. Die optische Achse jeder dieser Doppelabbildung liegt quer zu dem Strahl F, sodass der Überlagerungsimpuls mit den Informationsimpulsen an bestimmten Orten in der Verzögerungsstrecke 73 koinzidiert.
Anstatt des lichtstreuden Mediums in der Verzögerungsstrecke 61 können für eine bessere Lichtausnutzung diskrete Strahlteiler eingesetzt werden.
Eine solche Anordnung ist in Fig. 8 dargestellt. Dabei liegen in der Verzögerungsstrecke eine Reihe teildurchlässiger Spiegel 86, von denen jeder nur einen bestimmten Teil der Strahlung reflektiert und den übrigen Teil durchlässt. Diese können so ausgeführt werden, dass der Anteil der reflektierten Strahlen nicht gleichmässig ist, sondern mit zunehmendem Weg zunimmt, derart, dass die abgelenkten Lichtstrahlen etwa die gleiche Stärke haben. Diese Anordnung ist wesentlich lichtstärker als die Streuanordnung, auch kann der erste Polarisator fortfallen, wenn der eintretende Lichtstrahl wo bereits polarisiert ist. Die beiden Laufzeitstrecken können auch räumlich zusammenfallen, dann laufen f0 und F in entgegengesetzter Richtung auf der gleichen Bahn.
Die bereits erwähnte bekannte Anordnung zur Messung kurzer Lichtimpulse ist so eingerichtet. Auch hier kann die Lichtstärke für die interessierenden Überlagerungspunkte erhöht werden, indem nach Fig. 9 durch Sammellinsen 97 und Hohlspiegel 98 die in der Laufzeitstrecke 91 liegenden Überlagerungspunkte auf die Eingänge der Lichtwandler 95 abgebildet werden.
Eine andere Anordnung zeigt Fig. 10: Die Laufzeitstrecke 101 enthält eine Reihe teildurchlässiger Spiegel, die durch die Grenzflächen zweier Materialien gebildet werden, von denen mindestens eines einen elektrooptischen Effekt aufweist. Durch den einfallenden Überlagerungsstrahl F werden die Phasengeschwindigkeiten des Pulses derart geändert, dass der Reflektionskoeffizient der teildurchlässigen Spiegel mindestens für den betreffenden Ablenkwinkel wesentlich verändert wird. Die Ablenkung erfolgt in einem zweckmässigen Winkel, der nicht gleich 900sein muss. Im Ruhezustand tritt an dem Spiegel keine Reflexion auf: entweder sind die beiden Brechungsindizes an der Grenzfläche gleich, sodass keine Diskontinuität auftritt oder sie steht zum Strahl im Brewster-Winkel.
Trifft an einerSpiegeloberfläche einNachrichtenimpuls mit dem Überlagerungsimpuls zusammen, wird der Strahl abgelenkt, durch den betreffenden photoelektrischen Wandler aufgenommen und in einen elektrischen Impuls umgewandelt.
Die Grenzflächen der Laufzeitstrecke, durch die die Strahlen f0 unf F eintreten, sind so ausgebildet, dass die austretenden Strahlen nicht in das Innere reflektiert werden. Dies wird-in bekannter Weise entweder durch Anpassung der Übergangsschicht (Oberflächenvergütung) oder durch Winkelanpassung (Brewster-Winkel) erreicht. Der am Ende der Laufzeitstrecke austretende Strahl kann direkt zur Erregung des Überlagerungs-Pulserzeugers dienen, wobei der Strahlteiler 38 fortfällt (Fig. 3).
Wenn die erforderliche Distanz zwischen den Messtellen zu klein wird, können die Reflexionsflächen so gelegt werden (Fig.
11), dass die Strahlen abwechselnd aus verschiedenen Oberflächen der Laufzeitrichtung austreten.