DE1226912B - Nachrichtenuebertragungssystem mit einem impulsmaessig betriebenen Laser - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. α.:

F21q

G02f;G08b
Deutsche KL: 74 d-8/02

Nummer: 1226 912

Aktenzeichen: G 40352IX d/74 d

Anmeldetag: 15. April 1964

Auslegetag: 13. Oktober 1966

Die Erfindung bezieht sich auf ein Nachrichtenverbindungssystem, in dem ein impulsmäßig betriebener Laser verwendet wird.

Nachrichtenverbindungssysteme werden üblicherweise durch die Frequenz der elektromagnetischen Energie oder Strahlung definiert, auf der die Information übertragen wird. Diese elektromagnetische Strahlung wird als Trägerwelle verwendet. Die Information, die übertragen werden soll, wird dieser Trägerwelle aufmoduliert oder überlagert. Diese Informationsmodulation wird im allgemeinen in einem absoluten Maß als Informations- oder Modulationsbandbreite angegeben und dabei in Frequenzeinheiten gemessen. Andererseits ist es auch üblich, eine prozentuale Bandbreite oder eine prozentuale Modulation anzugeben, die dann in Prozenten der Trägerfrequenz gemessen ist. Je größer nun diese Informationsbandbreite oder die prozentuale Bandbreite ist, desto größer ist die Informationsmenge, die von der Trägerwelle übertragen werden kann. Die prozentuale Bandbreite ist im allgemeinen auf etwa 10⁰/o begrenzt. Wenn die Frequenz der Trägerwelle vergrößert wird, entsteht aus einer festen prozentualen Bandbreite eine laufend anwachsende größere Informationsbandbreite. Dadurch ergibt sich zwar der Vorteil, daß die Zahl der verfügbaren Übertragungskanäle, die in der Trägerwelle enthalten sind, vergrößert wird, andererseits ergibt sich dadurch jedoch der Nachteil, daß ein größerer Teil des gesamten Spektrums der elektromagnetischen Strahlung durch diese Nachrichtenübertragung belegt ist. Diese beiden Eigenschaften gehören mit zu den Gründen, warum Übertragungskanäle in das Mikrowellengebiet des elektromagnetischen Spektrums ausgedehnt worden sind.

Aber auch dieses Gebiet des Spektrums wird sehr schnell immer stärker belegt, da der Bedarf für weitere Nachrichtenverbindungskanäle immer weiter anwächst. Es besteht daher der Zwang, Nachrichtenverbindungskanäle zu noch höheren Frequenzbereichen im Spektrum der elektromagnetischen Strahlung zu verschieben, und der nächsthöhere Frequenzbereich enthält die optischen Wellenlängen.

Eine der Schwierigkeiten, die mit Nachrichtenverbindungen über optisches Licht verbunden sind, besteht in der atmosphärischen Streuung von sichtbaren Lichtwellen. Nun ist kürzlich ein Gerät entwickelt worden, das heute üblicherweise als »optischer Molekularverstärker« bezeichnet wird. In der amerikanischen Fachliteratur wird dieses Gerät als »Laser« bezeichnet. Verwendet man nun in einem optischen Übertragungssystem einen optischen MoIe-

Nachrichtenübertragungssystem mit einem
impulsmäßig betriebenen Laser

Anmelder:

General Electric Company,

Schenectady, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr.-Ing. W. Reichel, Patentanwalt,

Frankfurt/M. 1, Parkstr. 13

Als Erfinder benannt:
Kiyo Tomiyasu, Scotia, N. Y.; '
James Robert Whitten,
Ballston Lake, N. Y. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 16. April 1963 (273 518)

kularverstärker als Sender, so ist das optische Übertragungssystem wesentlich weniger durch die atmosphärische Streuung des Lichtes beeinträchtigt als Übertragungssysteme, die mit üblichen Lichtquellen arbeiten. Ein optischer Molekularverstärker gibt Licht in einem sehr schmalen Lichtstrahl ab, dessen Frequenz in sichtbaren oder im fast sichtbaren Frequenzbereich des elektromagnetischen Energiespektrums liegt. Die Energiedichte innerhalb dieses Lichtstrahls ist außerordentlich hoch, da das gesamte Licht in diesem schmalen Strahl konzentriert ist und da das von dem optischen Molekularverstärker abgegebene Licht kohärent ist, d. h., daß die Führungswellen der einzelnen Lichtquanten miteinander in Phase liegen. Die hohe Energie innerhalb des Lichtstrahls eines optischen Molekularverstärkers erlaubt Nachrichtenverbindungen über außerordentlich weite Entfernungen (solche Lichtstrahlen sind bereits von der Mondoberfläche reflektiert worden), und außerdem läuft eine solche Nachrichtenverbindung praktisch demodulations- und störfrei ab, da die Lichtstrahlen so schmal sind.

Außerdem ermöglicht der Laser, Lichtwellen mit einem Nutzeffekt und einer Frequenzgenauigkeit zu erzeugen, wie man es von Röhrengeneratoren gewohnt ist. Im Gegensatz zu den elektromagnetischen Schwingungen eines Röhrengenerators, die einwellig (schmalbandig) und relativ frei von Rauschen sind,

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stellen die üblichen Lichtquellen eher ideale Rausch- Empfangsseitig ist das Nachrichtenübertragungs.-quellen dar, die sich nur für einfache Anforderungen system mit einer optischen Anordnung ausgerüstet, der Nachrichtentechnik eignen. In bezug auf die die die Lichtimpulse sammelt. Weiterhin ist ein DeGenauigkeit und die Konstanz der erzeugten Fre- modulator .vorgesehen, der Lichtimpulse in elekquenz kann der Laser mit guten Quarzgeneratoren 5'trische Signale umsetzt. Schließlich sind^; noch eine rivalisieren. ... Datenspeicherschaltung, Synchronisationsschaltungen

Es sind deshalb zwar eine Reihe von Vorschlägen und eine Vorrichtung vorgesehen, die die Ausgangs-

zur Anwendung des Lasers für Nachrichtenübertra- signale der Datenspeicherschaltung ablesen kann,

gungen gemacht worden, diese sind aber alle mehr Die hier verwendete Impulskodemodulation ist

oder weniger noch nicht über ein erstes Versuchs- io nicht mit einer Impulskodemodulation vergleichbar,

Stadium hinaus gediehen. bei der die Abstände der einzelnen Lichtblitze digi-

Dies liegt im wesentlichen daran, das es bislang tal kodiert sind, etwa derart, daß jeder Lichtblitz noch nicht gelungen ist, Festkörper-Laser herzustel- ein 1-Bit und jeder ausbleibende Lichtblitz ein O-Bit len, die kontinuierliches Laserlicht erzeugen. Bisher bedeutet. Dies hätte den Nachteil, daß bei einer ist mit Festkörper-Lasern nur Impulsbetrieb möglich. 15 Lichtblitzfolgefrequenz von 1 Hz nur 1 Bit pro Se-Für Nachrichtenübertragungsaufgaben hielt man je- künde übertragen würde. Die pro Zeiteinheit überdoch »Dauerstrich-Betrieb« für erforderlich, um die tragene Informationsmenge wäre für die: meisten Amplitude oder Frequenz des Lichtstrahls direkt mit Anwendungsfälle viel zu gering, und schon die Überder zu übertragenden Nachricht kontinuierlich mo- tragung einer geringen Informationsmenge würde dulieren zu können. Man war also bestrebt, Laser zu 20 verhältnismäßig lange dauern,
verwenden, die einen kontinuierlichen Lichtstrahl Die Erfindung gestattet es dagegen, in einem abgeben. Im Gegensatz zum Festkörper-Laser er- Laser-Lichtblitz von etwa einer Millisekunde Dauer möglicht der Gas-Laser einen kontinuierlichen .Be- und einer Folgefrequenz von etwa IHz bis zu trieb; der Gas-Laser hat aber eine vergleichsweise 16 000 000 Bits zu übertragen. Dazu tragen im wekleinere Ausgangsleitung und eine schmalere Band- 25 sentlichen der sende- und der empfangsseitige Speibreite der Nutzstrahlung, so daß es vorteilhaft ist, eher bei. Im sendeseitigen Speicher wird die während einen Impuls-Laser zu verwenden, wenn man weite einer Sekunde anfallende Information zunächst digi-Strecken überbrücken und eine größere Anzahl von tal in einem Binärkode gespeichert und dann inner-Übertragungskanälen erhalten will. Das der Erfin- halb von einer Millisekunde Bit für Bit ausgelesen dung zugrunde liegende Problem besteht also im 30 und dabei dem Lichtblitz des Lasers aufmoduliert, wesentlichen darin, einen impulsmäßig betriebenen Im Empfänger läuft im wesentlichen der umge-Laser für Nachrichtenübertragungszwecke auf· der kehrte Vorgang ab.

Sendeseite einzusetzen, und zwar so, daß auch kon- So wird die Information praktisch zeitlich kom-

tinuierlich anfallende Informationen oder Nachrich- primiert übertragen und im Empfänger wieder zeit-

ten, trotz der verhältnismäßig geringen Impulsfolge- 35 lieh gedehnt. Dadurch werden auch die während der

frequenz von etwa IHz und der verhältnismäßig übrigen 999 Millisekunden der Periodendauer der

geringen Impulsbreite von einer Millisekunde der .Lichtimpulse anfallenden Informationen übertragen,

Lichtimpulse des Lasers, etwa ebenso kontinuierlich so daß empfangsseitig ein nahezu lückenloses Bild

auf der Empfangsseite wiedergegeben werden, wie des zeitlichen Verlaufs der empfangsseitigen Infor-

sie am Eingang des Senders anfallen. 40 mationen wiedergegeben wird.

Dieses Problem wird dadurch gelöst, daß erfin- Der Auslesevorgang aus dem empfangsseitigen

dungsgemäß die zu übertragende Information in Speicher wird mit der Vorderflanke des Lichtblitzes

einem Speicher digital gespeichert ist und aus diesem ausgelöst. Das hat den Vorteil, daß die zeitliche

Speicher seriell (d. h. Bit für Bit) jedem einzelnen Schwankung, die zwischen dem Einleiten und dem

Lichtimpuls des Lasers zu mehreren Bits impuls- 45 Auftreten eines Laser-Lichtimpulses liegt und die

kodiert aufmoduliert ist und daß die empfangsseitig statistisch ist, für die Informationsübertragung keine

demodulierte Information ebenfalls in einem Spei- Rolle spielt; d. h., die Information wird von Anfang

eher digital gespeichert ist. an übertragen, ohne daß etwa die ersten Bits ver-

Das erfindungsgemäße optische Nachrichtenüber- lorengingen.

tragungssystem ist also sendeseitig zur Erzeugung der 50 Die Erfindung und weitere Anwendungsgebiete

Trägerwelle mit einem Laser oder optischen Mole- sowie Vorteile werden nun auch an Hand der Figuren

kularverstärker ausgerüstet, der dazu dient, einen ausführlich beschrieben.

gepulsten Lichtstrahl zu erzeugen. Weiterhin wird F i g. 1 zeigt mehrere Nachrichtenverbindungswege eine Datenspeicherschaltung dazu verwendet, die für einen gepulsten Lichtstrahl aus einem optischen Eingangsinformation in digitaler Form zu speichern 55 Molekularverstärker, die zusammen mit der Erfin- und diese Information als Serieninformation abzu- dung verwendet werden können;
geben, die während der Zeitspanne, in der in dem Fig. 2 ist ein grundlegendes Blockschaltbild eines optischen Molekularverstärker ein Lichtimpuls er- Nachrichtenverbindungssystems über Lichtimpulse zeugt wird, für eine Übertragung geeignet ist. Die aus einem optischen Molekularverstärker;
Serieninformation steuert einen optischen oder Licht- 60 Fig. 3 ist ein genaueres Blockschaltbild und zeigt modulator an, der die digitale Information dem ge- die verschiedenen Komponenten eines Nachrichtenpulsten Lichtstrahl überlagert. Den einzelnen Licht- Übertragungssystems über Lichtimpulse aus optischen impulsen werden dabei mehrere Bits in einem Im- Molekularverstärkern nach der Erfindung,
pulskode aufmoduliert. Weiterhin sind Maßnahmen Ein Nachrichtenverbindungssystem über Lichtzur Synchronisierung getroffen, um den Ausgang der 65 impulse aus einem optischen Molekularverstärker Datenspeicherschaltung mit den Lichtimpulsen zu kann als ein Verbindungssystem beschrieben werden, synchronisieren, die aus dem optischen Molekular- in dem senderseitig Energie im sichtbaren und fast verstärker ausgesendet werden. \· sichtbaren Frequenzbereich ;des elektromagnetischen

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Spektrums ausgestrahlt wird, die aus diskreten les kann beispielsweise von scharf begrenzten WoI-Impulsen dieser Energie besteht. Dieses Spektrum ken, von Gebäuden und auch von Satelliten auf enthält die infraroten, die optischen und die einer Erdumlaufbahn reflektiert werden, so daß ultravioletten Frequenzen und liegt in einem Fre- Nachrichtenverbindungen zwischen zwei Punkten quenzbereich 10⁷ und ΙΟ⁹ MHz. Eine vorgegebene 5 möglich sind, zwischen denen keine Sichtverbindüng prozentuale Informationsbandbreite bedeutet bei so besteht. Eine andere wichtige Anwendung des Nachhohen Frequenzen eine größere, in Hertz gemessene richtenverbindungssystems über Lichtimpulse aus absolute Bandbreite als bei den niedrigeren Radio- optischen Molekularverstärkern liegt in einer Nach- und Mikrowellenfrequenzen. Dadurch stehen bei richtenverbindung durch ein Plasma aus ionisiertem diesen hohen Frequenzen eine größere Anzahl von io Gas hindurch. Wenn ein Raumfahrzeug wieder in Nachrichtenverbindungskanälen zur Verfügung. Zum die Erdatmosphäre eintritt, bildet sich um dieses Vergleich seien hier einmal folgende Werte ange- Raumfahrzeug herum ein Plasma. Übliche Radiogeben: Im Mikrowellenfrequenzbereich ist die ver- frequenzen können sich nun durch dieses Plasma fügbare Informations- oder Modulationsbandbreite hindurch nicht ausbreiten, da die Radiofrequenz im auf einen kleinen Prozentsatz der Trägerfrequenz 15 Vergleich mit der Plasmafrequenz zu niedrig ist, so beschränkt, der üblicherweise um 10 % herum liegt. daß das Radiofrequenzsignal an dem Plasma reflek-Daraus ergibt sich im Z-Band eine Modulations- tiert wird. Die Plasmafrequenz beträgt 9 000 ]fn Hz. bandbreite von etwa 1 000 MHz. Wenn man nun Dabei bedeutet η die Zahl der freien Elektronen pro annimmt, daß die Ausgangsfrequenz eines optischen Kubikzentimeter. Wenn ein Raumfahrzeug in die Molekularverstärkers bei 3 · 10⁸ MHz liegt, und 20 Erdatmosphäre wieder eintaucht, beträgt die Zahl η wenn man eine sehr schmale Modulationsband- in typischen Fällen 10¹⁶, steigt jedoch niemals über breite von etwa 1% voraussetzt, ergibt sich 10¹⁷ an. Um also dieses Plasma zu durchdringen, eine Modulationsbandbreite, die absolut gemessen muß die Frequenz des Signals größer als 3 · 10¹² Hz 3 000 000 MHz beträgt. Diese Bandbreite von sein. Die Frequenz eines optischen Molekularverstär-3000000 MHz ist ausreichend, um etwa 1000000 25 kers aus Rubin beträgt nun 4,3 · 10¹⁴ Hz. Die Licht-Fernsehkanäle zu übertragen. impulse eines Rubinverstärkers können daher leicht

Eine Nachrichtenverbindung über Lichtimpulse durch das dichteste Plasma hindurchtreten, das bei aus optischen Molekularverstärker!! wird dadurch dem Wiedereintauchen eines Raumfahrzeuges in die erreicht, daß man senderseitig kurze Lichtimpulse Erdatmosphäre auftritt. Eine zweite Forderung, die von hoher Intensität erzeugt, deren Licht kohärent 30 gestellt werden muß, um eine Verbindung über ist. Diese Lichtimpulse, die mit Hilfe eines optischen Lichtimpulse von optischen Molekularverstärkern Molekularverstärkers erzeugt werden, werden mit durch ein Plasma hindurch durchzuführen, besteht der Information moduliert, die übertragen werden darin, daß die Farbtemperatur des Lichtes des Molesoll. Diese Lichtimpulse der optischen Molekular- kularverstärkers merklich höher als die Farbtempeverstärker sind nur von kurzer Dauer. Ihre Impuls- 35 ratur des Plasmas bei der Frequenz des optischen breite beträgt beispielsweise größenordnungsmäßig Molekularverstärkers ist. Diese Forderung ist not-1 Millisekunde. Als Modulationsart für den Licht- wendig, um ein unterscheidbares Signal-Rauschimpuls wird eine Impuls-Kode-Modulation gewählt, verhältnis zu erhalten. Die Farbtemperatur eines die anschließend noch im einzelnen beschrieben impulsmäßig betriebenen optischen Molekularverwird. 40 stärkers aus Rubin liegt in der Größenordnung von

Ein optischer Molekularverstärker gibt elektro- 10⁸ bis 10¹²° K, während die Plasmatemperatur etwa magnetische Energie ab, die in diskreten metastabilen bei IO⁴⁰ K liegt. Es ist günstig, wenn man empfänger-Zuständen gespeichert ist. Diese metastabilen Zu- seitig ein optisches Filter verwendet, das eine analoge stände werden dadurch besetzt, daß der optische Funktion wie der Abstimmkreis eines üblichen Molekularverstärker mit Hilfe eines elektromagne- 45 Radiofrequenzempfängers ausübt. Wenn dieses optischen Signals der richtigen Frequenz angeregt wird. tische Filter nicht so schmal gemacht werden kann Man kann den optischen Molekularverstärker also wie die Ausgangsbandbreite des optischen Molekumit Hilfe einer Blitzlampe anregen oder ihm optische larverstärkers, so wird das Signal-Rausch-Verhältnis Pumpenergie zuführen, so daß er in einen meta- in gewissem Umfang beeinträchtigt. Diese Beeinstabilen höheren Energiezustand gelangt. Dadurch 50 trächtigung kann etwa im Bereich 10~² bis 10~³ ist eine erzwungene Emission von monochroma- liegen. Aber auch mit dieser Beeinträchtigung des tischer und kohärenter elektromagnetischer Strah- Signal-Rausch-Verhältnisses werden unterscheidbare lung möglich, die von dem optischen Molekular- Ergebnisse erzielt.

verstärker ausgesendet wird. Diese elektromagne- Ein Nachrichtenverbindungssystem über Lichttische Strahlung oder dieses Licht wird in einer 55 impulse eines optischen Molekularverstärkers kann ebenen Welle emittiert, deren Divergenz sehr klein auch für eine Verbindung durch eine Luft-Wasserist und in der Größenordnung von 0,05° oder Grenzfläche hindurch verwendet werden. Der Zuweniger liegt. Diese kleine Divergenz konzentriert stand der Wasseroberfläche, d. h., die Änderungen in die Energie des optischen Molekularverstärkers in der Oberfläche auf Grund der Bewegung der Wellen einen Strahl von außerordentlich hoher Intensität, 60 des Wassers hat Frequenzkomponenten im Hörbeso daß eine sehr hohe Energiedichte erreicht wird, reich, und daher ist es schwierig, mit Hilfe einer elekwodurch Sichtverbindungen über weite Entfernungen tromagnetischen Trägerwelle solche Hörfrequenzmöglich sind. signale zu übertragen, da der Zustand des Wassers

Das Nachrichtenübertragungssystem über Licht- das Signal-Rausch-Verhältnis außerordentlich stark

impulse aus optischen Molekularverstärkern nach 65 beeinträchtigt. Ein Nachrichtenverbindungssystem

der Erfindung ist jedoch nicht auf Übertragungen über Lichtimpulse überträgt dagegen außerordent-

über Sichtverbindungen beschränkt. Die hohe Ener- lieh rasch, da die Lichtimpulse eine Impulsdauer in

giekonzentration innerhalb des schmalen Lichtstrah- der Größenordnung von einer'Millisekunde haben,

Die notwendigerweise sehr hohen Modulationsfrequenzen, die diesen Trägerwellenimpulsen überlagert sind, stellen nun sich, daß die Übertragung durch eine Luft-Wasser-Grenzfläche hindurch bereits stattgefunden hat, bevor der Zustand der Wasseroberfläche merklich geändert worden ist.
■ Die verschiedenen Verfahren einer Nachrichtenverbindung über Lichtimpulse eines optischen Molekularverstärkers, die eben beschrieben worden sind, sind bildlich in der F i g. 1 dargestellt.
; Dabei bedeutet die Bezugsziffer 1 eine Sichtverbindung, die Bezugsziffer 2 eine Verbindung über reflektierte Strahlung, die Bezugsziffer 3 eine Verbindung durch ein Plasma hindurch, während die Bezugsziffer 4 eine Verbindung durch eine Luft-Wasser-Grenzfläche hindurch darstellen soll.

In der Fig. 2 ist nun einfuhktionejlesBlockschaltbild eines Nachrichtenverbindungssystems über Lichtimpulse eines optischen Molekularverstärkers gezeigt, aus dem die Grundlagen dieses Systems hervorgehen. Senderseitig werden die Eingangsdaten, die die zu übertragenden Informationen enthalten, von den Eingabebausteinen des Systems zugeführt, in die sie entweder in gesprochener oder aufgezeichneter Form eingegeben werden können. Die Eingabebausteine wandeln "dann diese Informationen in elektrische Größen um, die dazu verwendet werden, die Lichtimpulse von hoher Intensität und kohärentem Licht zu modulieren, die durch einen impulsgetasteten optischen Molekularverstärker 5 emittiert werden. Der Lichtmodulator 6 kann ein Transmissionsmodulator ein, in dem die Impulse des optischen Molekularverstärkers außerhalb des Verstärkers moduliert werden. Man kann aber auch einen Modulator verwenden, in dem die-Modulation innerhalb des Materials des optischen Lichtverstärkers selbst durchgeführt wird. Empfängerseitig werden die Ausgangsdaten des Systems, die die empfangenen Informationen enthalten, den Ausgabebausteinen zugeführt, so daß man diese empfangenen Informationen aufzeichnen kann. Die Bausteine, sowohl senderseitig als auch empfängerseitig, weisen übliche Nachrichtenverschlüsselungsgeräte auf, wobei es günstig ist, solche Typen zu wählen, die mit hoher Geschwindigkeit arbeiten können. Die Geschwindigkeit, mit der diese Nachrichtenverschlüsselungsgeräte Daten verarbeiten können, ist nun wesentlich niedriger als die Geschwindigkeit, mit der die Eingangsdaten nach der Erfindung übertragen werden. Aus diesem Grund können sowohl senderseitig' als auch empfängerseitig ein Datenzwischenspeicher 7 und ein Datenumsetzer 8 - verwendet werden. Um nun insbesondere senderseitig die Datenspeicherkapazität optimal ausnutzen zu können, wird der Speicher während eines Lichtimpulses gelöscht.

Durch das Empfängerrauschen und, insbesondere in einem System, in dem ein optischer Molekularverstärker aus Rubin verwendet wird, durch das Senderrauschen, wird die Zuverlässigkeit bei einer üblichen analogen Modulation außerordentlich stark beeinträchtigt. Wenn man jedoch eine digitale Modulation anwendet, kann man ein Empfänger- und ein Senderrauschen in beträchtlichem Umfang zulassen, so daß die digitale Modulation in diesem Fall zu bevorzugen ist. Man kann den Rauschpegel herabmindern, wenn man den optischen Molekularverstärker kühlt.

Als Beispiel für eine digitale Modulation sei angenommen, daß' für jedes Informationselement oder für jedes Zeichen 8 Bits verwendet werden. Die digitalisierte Information liegt in der Form von 6 Bits pro Zeichen vor, das 7. Bit wird als Fehlernachweisbit verwendet, das als Paritätsbit bekannt ist. Das 8. Bit des Zeichens dient zur Synchronisierung. Wenn man annimmt, daß 40 Bits oder Ziffern die mittlere Wortlänge darstellen, läßt sich eine Mindestübertragungsgeschwindigkeit von 400 Worten pro Lichtimpuls von einer Millisekunde Dauer erreichen. Für diese

ίο eben angegebene Mindestübertragungsgeschwindigkeit muß der Zwischendatenspeicher 7 in der Lage sein, 16 · 10³ Bits pro Lichtimpuls zu verarbeiten, während der Datengeschwindigkeitsumsetzer 8 in der Lage sein muß, 16 · 10⁶ Bits pro Sekunde zu verarbeiten. Der Datengeschwindigkeitsumsetzer 8 kann sendeseitig ein Parallel-Serien-Umsetzer sein, während empfangsseitig ein Serien-Parallel-Umsetzer verwendet werden kann. Diese Umsetzertypen werden deswegen verwendet, weil es am günstigsten ist, digitale Informationen zu speichern, jedoch hintereinander, also serienmäßig zu übertragen. Es soll jedoch bemerkt werden, daß diese Umsetzer und Datenspeicher dann nicht notwendig sind, wenn ein Nachrichtenverschlüsselungsgerät in der Lage ist, Daten mit einer Geschwindigkeit von 16 · 10⁶ Bits pro Sekunde zu verarbeiten. Weiterhin sind die Umsetzer dann nicht notwendig, wenn ein Datenspeicher verwendet wird, der die digitalen Informationen nicht parallel, sondern serienmäßig speichert. Empfängerseitig ist ein Lichtmodulator 9 verwendet, der dazu dient, die übertragenen ' Lichtimpulse nachzuweisen und die digitalen Informationen, die in diesen Lichtimpulsen enthalten sind, in elektrische Signale umzuwandeln.

In der F i g. 3 ist nun ein genaueres Blockschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt. Der optische Molekularverstärker 5 ist ein Rubinstab, der etwa 5 cm lang ist und dessen Durchmesser 6,25 mm beträgt. Dieser Rubinstab sitzt in einem inneren Gehäuse, das ein' doppelwandiges Glasrohr aus Hartglas aufweist, das mit flüssigem Stickstoff gekühlt wird. Für den optischen Molekularverstärker können aber auch andere Materialien und andere geeignete Behälter verwendet werden. Weiterhin ist ein äußeres Gehäuse mit einer reflektierenden Oberfläche vorgesehen, die als Ellipsoid ausgebildet ist. Der Rubinstab und das innere Gehäuse sind in einem Brennpunkt dieses Ellipsoiden angeordnet, während im anderen Brennpunkt des Ellipsoiden eine gerade ausgebildete Xenonblitzlampe 10 angeordnet ist. Die Blitzlampe und der Rubinstab verlaufen parallel zueinander. Die Xenonblitzlampe wird als Quelle für die Anregungsenergie. des optischen Molekularverstärkers verwendet und wird mit einer Energiemenge von 1000 J betrieben. Um die Blitzlampe zu den richtigen Zeitpunkten auszulösen, ist ein elektronischer Impulsgenerator 11 vorgesehen, der üblich aufgebaut ist. In der hier beschriebenen Ausführungsform wird die Blitzlampe etwa einmal pro Sekunde ausgelöst. Der Betrieb des elektronischen Impulsgenerators 11 kann programmiert sein, und jede Folge kann durch das Herunterdrücken des Startknopfes 12 beginnen. In der F i g. 3 sind elektrische Verbindungen als durchgezogene Linien dargestellt. Normales Licht ist durch unterbrochene Linien angezeigt, die einen ziemlich großen Abstand voneinander haben,· während ein kohärenter Lichtstrahl durch unterbrochene Linien dargestellt ist, die ziemlich dicht nebeneinander gezeichnet sind.

Die. Bausteine 13 am senderseitigen Eingang und am empfängerseitigen. Ausgang enthalten den Nachrichtenverschlüßler, der beispielsweise einen Hochgeschwindigkeitsfernschreiber enthalten kann, der auf einem Papierstreifen mit einer Geschwindigkeit von 60 Wörtern pro Minute die Informationen drucken oder lochen kann. Am senderseitigen Ende wird ein Lochstreif en 7 aus Papier dazu, verwendet, um die Daten zu speichern, während empfangsseitig die einlaufenden Daten auf den Papierstreifen 14 aufgedruckt werden, so daß die empfangenen Informationen auf dem Papierstreifen 14 in gedruckter Form dargestellt sind. Der Lochstreifen 7 wird von einem Lichtpunktabtaster 15 mit einer vorgegebenen Lesegeschwindigkeit von 16 · 10³ Bits pro Millisekunde abgelesen. Dazu wird ein binär kodiertes Lichtsignal, das den Lochungen in dem Lochstreifen 7 entspricht, durch eine Sammellinse, (nicht gezeigt) hindurch einem Photodetektor 16 zugeführt. Der Inhalt einer vorgegebenen Länge des Lochstreifens wird auf diese Weise am Ausgang des Photodetektors 16 in eine Impulsfolge umgewandelt, die aus zahlreichen hintereinander auftretenden elektrischen Impulsen besteht. Der Lichtpunktabtaster 15 weist eine Elektronenkanone mit zwei zueinander senkrecht stehenden Ablenkplattenpaaren auf. An das eine Ablenkplattenpaar wird eine Ablenkspannung in Form, von Spannungsstufen angelegt, während dem anderen Ablenkplattenpaar eine Ablenkspannung in Form eines Sägezahns zugeführt ist. Die beiden Ablenkspannungen werden von dem Ablenkgenerator 17 geliefert. Die beiden Spannungen lenken den Strahl des Lichtpunktabtasters über das perforierte Lochband ab. Die Synchronisation der binären Serienimpulse mit dem Lichtimpuls des optischen Molekularverstärkers wird durch eine Impulsformer'- und Abtaststufe 18 erreicht. Die Ausgangsgrößen dieser Stufe-18 bestehen . aus Rechteckimpulsen, von denen jeder Impuls 1 Bit der Eingangsinfonnation darstellt. Diese Rechteckimpulse werden in einem üblichen Breitbandverstärker 19 auf eine. Maximalspannung von 5 Kilovolt verstärkt, so daß diese Impulse eine ausreichend hohe Leistung und Spannung besitzen, um eine etwa 5O°/oige Modulation des Lichtstrahles zu erreichen, wenn dieser Lichtstrahl durch den Lichtmodulator 6 hindurchgeht.

Die kohärenten Lichtimpulse aus dem optischen Molekularverstärker 5 können entweder in dem Material des Molekularverstärkers selbst moduliert werden. Dazu kann man sich Verfahren bedienen, die alsZeeman- oder Kerrzellen-Modulation bekannt sind. Die Lichtimpulse können aber auch außerhalb des optischen Molekularverstärkers moduliert werden. Dazu kann man einen Transmissionsmodulator wie beispielsweise eine Pockels-, eine Kerr- oder eine Faraday-Zelle verwenden oder auch einen Wellenleiter für eine Wanderwelle. Der Lichtmodulator, der in dem hier beschriebenen Nachrichtenverbindungssystem über .Lichtimpulse verwendet wird, ist ein elektrooptischer Transmissionsmodulator. Dieser Modulator arbeitet auf der- Grundlage einer veränderlichen Phasenverzögerung und. steuert die relativen Phasenunterschiede der auf einander senkrecht stehenden Komponenten von polarisiertem Licht, das durch ihn hindurchgeht. Dabei sind die relativen Phasenunterschiede proportional der aufgeprägten elektrischen Feldstärke. Da dieser Modulator zum Arbeiten polarisiertes einfallendes Licht benötigt, ist zwischen dem.Ausgang des optischen Molekularverstärkers und dem Eingang des Lichtmodulators ein Eingangspolarisator eingesetzt, der nichtpolarisiertes Licht zurückweist. Man kann aber auch denRubinstab 5 derart schneiden, daß die Kristallachse des Rubins sowie die Achse des Stabes einen Winkel von 90° zueinander bilden. Dann ist der Polarisator 20 nicht mehr erforderlich. Die Ausgangsimpulse rufen in dem Lichtmodulator 6 ein elektrisches Feld hervor. Die Eigenschaften dieses Modulators sind so gewählt, daß eine 100%ige Modulation, d. h. eine Phasenverzögerung von 180° des Lichtes des optischen Molekularverstärkers bei einer Lichtwellenlänge von 0,5 Mikron bei einer Modulationsspannung von 9000 Volt, erreicht wird. Bei der Maximalspannung von 9000 Volt und einem Dauerbetrieb beträgt die maximale Betriebsfrequenz des Modulators 1,6 · 10⁶ Hz. Die Frequenzgrenze ist durch die Verluste in den Metallelektroden bestimmt, die erforderlieh sind, um in dem Modulationskristall das elektrische Feld hervorzurufen. Arbeitet man jedoch mit einer verminderten Betriebsspannung oder geht man zu einem Impulsbetrieb über, läßt sich diese maximale Modulationsbandbreite erhöhen, da die Veras luste direkt von der Betriebsspannung und dem Tastverhältnis des Impulsbetriebes abhängen. Man kann eine Modulationsbandbreite von 25 MHz erreichen, die eine Übertragung von 50 Megabits pro Sekunde erlauben würde (die dreifache Geschwindigkeit, die zur Übertragung von 400 Wörtern in einem Lichtimpuls von einer Millisekunde Dauer und einer Impulszahl von einem Impuls pro Sekunde erforderlich ist), wenn man mit einem Tastverhältnis von l°/oo und lOOVoiger Modulation arbeitet. Die Leistungsverluste innerhalb des Kristalls belaufen sich bei dieser Modulationsbandbreite auf etwa 1,25 Milliwatt. Die mittlere Leistung, die zur Erreichung dieser Bandbreite erforderlich ist, beträgt pro MHz-Bandbreite etwa 3 Watt oder 75 Watt bei einem Tastverhältnis von l°/oo. Der Verstärker 19 muß daher eine mittlere Ausgangsleistung von etwa 25 Watt abgeben, damit sich die erforderliche Bandbreite erhalten läßt, die einer Übertragung von 16 Megabits pro Sekunde entspricht. Hinter den Ausgang des Lichtmodulators 6 ist ein Ausgangspolarisator oder ein Ausgangsanalysator 21 eingesetzt, der die Modulation der Welle in eine Intensitäts- oder Amplitudenmodulation umsetzt. Das ist deswegen möglich, weil dieser Ausgangspolarisator nur das Licht hindurchläßt, das richtig polarisiert ist.

Der Ablenkgenerator 17 kann mit einer Frequenz von 16 · 10⁶ Hz betrieben und außerdem synchronisiert werden, um die horizontalen und vertikalen Ablenkspannungen zum richtigen Zeitpunkt an den Lichtpunktabtaster 15 anzulegen, der mit dem Beginn eines, jeden Lichtimpulses aus dem optischen Molekularverstärker 5 zusammenfällt. Das Synchronisationssignal wird mit Hilfe eines Lichtstrahlaufspaltungsgerätes 22 abgeleitet, das zwischen dem Ausgang des optischen Molekularverstärkers und dem Polarisator 20 sowie einem Photodetektor 23 angeordnet ist, der den Anfang eines jeden Lichtimpulses nachweist und ein Signal abgibt, das den Betrieb des Ablenkgenerators 17 auslöst. Der Ablenkgenerator 17 ist weiterhin durch den System- oder Sendertaktgeber 24 synchronisiert, um sicherzustellen, daß die horizontalen und vertikalen Ablenkspannungen genau in Phase mit den Informationslöchern auftreten, die in

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den Papierstreifen 7 eingestanzt sind. Dadurch ist Dauer des Lichtimpulses entspricht, der von den sichergestellt, daß die Informationsbits am Ausgang optischen Molekularverstärkem abgegeben wird. Der des Verstärkers 19 mit einer konstanten Geschwin- Umsetzer 8, der ein Schieberegister ist, sowie der digkeit erzeugt werden. Das Ausgangssignal des Ab- Magnetkernspeicher 31 sind solche Typen, wie sie in lenkgenerators 17 wird außerdem als zweites Ein- 5 elektronischen Digitalrechnern verwendet werden, gangssignalfür die Impulsformer- und Auf taststufe Um den Serien-Parallel-Umsetzer 8 undden Magnet-18 verwendet, um ein Koinzidenzsignal zu erreichen, kernspeicher 31 mit den übertragenen Daten wähdurch das das Ausgangssignal des Photodetektors 16 rend eines Datenspeicherzyklus zu synchronisieren, derart geändert werden kann, daß es mit den Syn- ist ein Synchronisationsschaltkreis 32 mit einer chronisationssignalen des Sendertaktgebers zusam- io Schaltlogik vorgesehen. Dieser Schaltkreis 32 weist menfällt. Nichtlineare Lochabstände, die in dem die Signale nach, die jeweils die achte Ziffer dar-Lochstreifen 7 auftreten können, werden dadurch stellen und die Zeichensynchronisationsbits der Inkompensiert, daß ein Ausgangssignal aus dem Photo- formation oder querpolarisierte Bits der Information detektor 16 als drittes Eingangssignal dem Ablenk- sind. Man kann andererseits auch einen Binärkode generator 17 zugeführt wird. Wie bereits beschrieben 15 aus sieben Ziffern verwenden. Dann kann die Synworden ist, liegt die digitalisierte Information in chronisation mit Hilfe eines Empfängertaktgebers 33 einem Binärkode aus acht Ziffern vor, von denen und einer Synchronisationsschaltung 32 mit Schaltsechs Ziffern oder Bits ein Zeichen darstellen. Die logik durchgeführt werden. In diesem Fall braucht achte Ziffer wird dazu verwendet, die Zeichen zu man die achte oder die querpolarisierte Ziffer nicht synchronisieren. Sie wird mit Hilfe des Sendertakt- 20 zu verwenden. Man kann vielmehr unmittelbar vor gebers 24, eines nachgeschalteten Synchronimpuls- einer jeden übertragenen Nachricht eine Folge von generators 25 und schließlich mit Hilfe eines Ver- Synchronisationsimpulsen aus dem Sendertaktgeber stärkers 26 zugeführt. Diese achte Ziffer wird auf 24 übertragen. Diese Synchronisationsimpulse lösen dem Strahl des optischen Molekularverstärkers in eine positive Synchronisation zwischen dem Sender-Form eines Signals übertragen, das quer zur Polari- 25 zeitgeber 24 und dem Empfängertaktgeber 33 dasation der anderen sieben Ziffern in dem Strahl polari- durch aus, daß sie einen Synchronisationsimpulssiert ist. Der Rücklauf des Lichtpunktabtasters ge- generator 34 anstoßen, der seinerseits den Empfänschieht während der Dauer, in der die achte Ziffer gertaktgeber 33 ansteuert. Wenn die eingelaufene auftritt. Nachricht in dem Kernspeicher 31 gespeichert wor-

Der Licütdemodulatorteil des Empfängers in dem 30 den ist, wird das Adressenregister des Kernspeichers

Nachrichtenverbindungssystem über Lichtimpulse aus auf 0 zurückgestellt,' die einzelnen Speicherstellen

einem optischen Molekularverstärker weist die Modu- werden mit einer Geschwindigkeit aufgerufen, die

lation des Lichtstrahles eines optischen Systems nach, von der Geschwindigkeit des Eingangsbausternes 13

das aus einer Sammellinse 27, einer Blende 28 sowie abhängt, und die Nachricht wird in den Eingangs-

einem optischen Interferenzfilter 29 besteht. Weiter- 35 baustein 13 eingelesen und auf den Papierstreifen 14

hin ist noch ein polarisationsernpnndlicher Photo- gedruckt.

detektor 9 vorgesehen, der ein photoempfindliches Aus der vorstehenden Beschreibung geht also her-Gerät, wie beispielsweise ein Photovervielfacher, ist, vor, daß die Erfindung ein neues System zur Nachder auf die Frequenz der nachzuweisenden Strahlung richtenübertragung über Impulse ist, indem der sichtanspricht, die bei 4,3 · 10¹⁴ Hz liegt. Die Blende 28 40 bare oder fast sichtbare Bereich der elektromagnedient dazu, Streulicht sowie Licht aus der Umgebung tischen Strahlung als Trägerwelle für die zu überzu reduzieren. Das optische Interferenzfilter 29 hat tragende Information verwendet wird. Die Lichtdafür zu sorgen, daß eine optische Bandbreite er¹. impulse von hoher Intensität, werden mit der zu reicht wird, die nach Möglichkeit genauso schmal ist übertragenden Information moduliert. Diese Informawie die Bandbreite des Lichtes, das aus dem Modu- 45 tion ist in digitale Form umgesetzt, um die Zuverlator 6 ausgesendet wird, um Untergrundstrahlung lässigkeit bei Vorhandensein von Sender- und Empweiterhin zu reduzieren. Dieses optische System wird fängerrauschen zu verbessern. Wenn die Entwicklung zweckdienlicherweise in geeigneten Teleskopen ein- von optischen Molekularverstärkem weiter fortschreigebaut. Die Ausgangssignale des Photodetektors 9 tet, kann die Information diesem Licht der optischen bestehen aus binären Impulsen oder Bits, die mit einer 5° Molekularverstärker auch in analoger Form auf-Impulsfolgefrequenz von 16 · 10⁶ auftreten können. moduliert werden. Weiterhin kann die Informations-

Diese Ausgangsimpulse werden in einem üblichen übertragungsgeschwindigkeit möglicherweise erhöht Breitbandverstärker 30 verstärkt. Die Information, werden, wenn· verbesserte optische Molekularverstärdie in den binären Bits enthalten Ist' wird mit Hilfe ker zur Verfügung stehen, so daß Impulswiedereines verhältnismäßig langsam arbeitenden Endbau- 55 holungsfrequenzen angewendet werden können, die Steines 13 dargestellt, der beispielsweise ein Fern- größer als 1 Hz sind, und so, daß Lichtimpulse von schreiber sein kann. Daher ist ein Datenzwischen- längerer Dauer erzeugt werden können. Die Informaspeicher notwendig, der beispielsweise ein magneti- tionsübertragungsgeschwindigkeit ist heutzutage durch scher Kernspeicher 31 sein kann. Um die nachein-' die höchste Geschwindigkeit begrenzt, mit der komander angeordneten digitalen Informationen, die am 60 merziell erhältliche Serien-Parallel-UmsetzerInforma-Ausgang des Verstärkers 30 verfügbar sind, in eine tionsbits verarbeiten können. Wenn es gelingt, die parallele Form umzuwandeln, so daß sie sich zur maximale Bitgeschwindigkeit zu steigern, die solche Speicherung in dem Magnetkernspeicher 31 eignen, Umsetzer verarbeiten können, so daß sie die Modulawird ein Serien-Parallel-Umsetzer 8 verwendet. Die tionsbandbreitengrenze der heute verfügbaren Licht-Datengeschwindigkeit des Umsetzers 8 beträgt minde- 65 modulatoren erreicht (25 MHz/sec), und wenn man stens 16 · 10⁶ Bits pro Sekunde, und die Speicherge- ein Tastverhältnis von 1 %o annimmt, kann man schwindigkeit des Magnetkernspeichers 31 liegt bei eine Informationsübertragungsgeschwindigkeit von mindestens 16 · 10^s Bits pro Millisekunde, was der 50 Megabits je Sekunde erreichen und dadurch etwa

1250 Worte pro Lichtimpuls von einer Millisekunde übertragen.

Das eben beschriebene Nachrichtenverbindungssystem über Lichtimpulse aus optischen Molekularverstärkern kann in manchem abgewandelt und geändert werden. So kann man beispielsweise die Senderseite des Systems, das in der F i g. 3 dargestellt ist, ähnlich wie die Empfängerseite des Systems ausrüsten. Man kann also beispielsweise an Stelle des Serien-Serien-Umsetzers, der den Lochstreifen 7, den Lichtpunktabtaster und den Photodetektor 16 enthält, einen Magnetkernspeicher und einen Parallel-Serien-Umsetzer verwenden. Weiterhin können thermoplastische Aufzeichnungsbänder, Schieberegister, elektronische Vorrichtungen mit Flip-Flops, elektrostatische Ladungsspeicherröhren und BiIdorthikons als Datenspeicher benutzt werden. Auch der verwendete Impulskode für die Modulation ist nicht auf einen Binärkode mit einer bestimmten Anzahl von Bits pro Adresse beschränkt. Es können ao vielmehr auch andere Kodes verwendet werden. Schließlich ist es auch nicht notwendig, die sendeseitige Modulation außerhalb des optischen Molekularverstärkers durchzuführen. Das kann vielmehr auch in dem optischen Molekularverstärker selber geschehen.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Nachrichtenübertragungssystem mit einem impulsmäßig betriebenen Laser auf der Sendeseite, dadurch gekennzeichnet, daß die zu übertragende Information in einem Speicher (7) digital gespeichert ist und aus diesem Speicher (7) seriell (d. h. Bit für Bit) jedem einzelnen Lichtimpuls des Lasers zu mehreren Bits impulskodiert aufmoduliert ist und daß die empfangsseitig demodulierte Information ebenfalls in einem Speicher (7, 31) digital gespeichert ist.

2. Nachrichtensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der senderseitige Speicher (7) ein Lochstreifen oder Magnetband ist, daß die digitale Information synchron mit dem Lichtimpuls mit einer Geschwindigkeit von mehreren Wörtern pro Lichtimpuls lesbar ist, daß die gelesene digitale Information in einem binären Serienkode umgesetzt ist, mit dem jeder einzelne Lichtimpuls moduliert ist, und daß der empfängerseitig einlaufende Binärkode mit dem senderseitig ausgesendeten Binärkode synchronisiert ist.

3. Nachrichtenübertragungssystem nach Ansprüchen 1 und 2, insbesondere zur Übertragung digitaler Informationen mit einer Geschwindigkeit von mindestens 400 Wörtern in einem Lichtimpuls von einer Millisekunde Dauer, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser (5) pro Sekunde einen Lichtimpuls abgibt, daß die zu übertragende Information senderseitig in binärer Form parallel gespeichert ist, pro Zeichen 8 Bits aufweist und mit. einer Mindestgeschwindigkeit von 2 · 10^e Zeichen pro Sekunde gelesen wird, daß ein Parallel-Serien-Umsetzer (8) mit den Ausgängen des senderseitigen Speichers verbunden und mit einer Mindestumsetzgeschwindigkeit von 16 · 10⁶ Bits/sec arbeitet, daß zum synchronen Auslösen des Parallel-Serien-Umsetzers (8) mit dem Beginn des Lichtimpulses aus dem Laser (5) in den Weg des Lichtstrahles eine Vorrichtung (22) zur Aufspaltung des Lichtstrahles eingesetzt ist, daß ein Lichtmodulator (6) eine solche Modulationsbandbreite aufweist, daß bei der Übertragung eines Lichtimpulses aus dem Laser (5) der senderseitige Speicher (7) mit einer Mindestgeschwindigkeit von 400 Wörtern pro Lichtimpulsdauer lesbar und löschbar ist, daß für den Empfang und die Demodulation der Lichtimpulse empfängerseitig eine Linse (27), eine Blende (28), ein optisches Filter (29) sowie ein Lichtmodulator (9) vorgesehen sind, daß ein empfängerseitig verwendeter Serien-Parallel-Umsetzer (8) eine Mindestumsetzgeschwindigkeit von 16 · 10⁶ Bits/sec und der empfängerseitige Speicher (31) eine Speicherkapazität und Geschwindigkeit von mindestens 16 · 10³ Bits je Lichtimpulsdauer aufweist, so daß die empfangenen Informationen mit einer niedrigeren Geschwindigkeit zu einem gewünschten Zeitpunkt auslesbar sind, und daß sender- und empfängerseitig Synchronisationsschaltungen vorgesehen sind, um die digitalen Informationen in der richtigen Reihenfolge auszusenden und zu empfangen.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1088 156;
Funkschau, 1962, H. 18, S. 491, rechte Spalte;
Elektronische Rundschau, Nr. 12, 1961, S. 588 bis 594;
Proceedings of the IEEE, Januar 1963, S. 202.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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