DE1237470B - Empfaenger fuer von einem Laser ausgesandtes, moduliertes Licht - Google Patents

Empfaenger fuer von einem Laser ausgesandtes, moduliertes Licht

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DE1237470B
DE1237470B DEN25578A DEN0025578A DE1237470B DE 1237470 B DE1237470 B DE 1237470B DE N25578 A DEN25578 A DE N25578A DE N0025578 A DEN0025578 A DE N0025578A DE 1237470 B DE1237470 B DE 1237470B
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DE
Germany
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frequency
light
laser
modulated
receiver
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Pending
Application number
DEN25578A
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English (en)
Inventor
Teiji Uchida
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NEC Corp
Original Assignee
Nippon Electric Co Ltd
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Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02FOPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F2/00Demodulating light; Transferring the modulation of modulated light; Frequency-changing of light

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Nonlinear Science (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Optical Communication System (AREA)

Description

  • Empfänger für von einem Laser ausgesandtes, moduliertes Licht Die Erfindung betrifft einen Empfänger für von einem Laser ausgesandtes, moduliertes Licht, das aus einer Anzahl Eigenschwingungen besteht, die durch ein charakteristisches Frequenzintervall (der Breite fp) voneinander getrennt sind und mit einem Niederfrequenzsignal moduliert sind, dessen Frequenz weniger als die Hälfte der in Hertz ausgedrückten Breite (fp) des charakteristischen Frequenzintervalls beträgt und bei dem durch einen Lichtdetektor eine der Energie des modulierten Lichtes linear proportionale Ausgangsgröße (Strom oder Spannung) erzeugt wird.
  • Es gibt bereits mehrere Vorschläge für die Modulation eines Laser-Lichtstrahles. Nach einem dieser Vorschläge wird zur Direktmodulation des Lichtstrahls einer Laseranordnung mit einem Breitband-Niederfrequenzsignal ein elektrooptischer Kalium-Hydrogen-Phosphat-Kristall von hoher Modulationsempfindlichkeit verwendet. Dazu wird dieser Kristall auf den Curiepunkt abgekühlt. Dies ermöglicht es - übrigens, indem die Pumpenenergie in einfach erzielbarer Weise mit einem ziemlich schmalbandigen, niederfrequenten Signal moduliert wird -, das Licht nicht mit der Mikrowelle, sondern mit einem niederfrequenten Signal mit hoher Empfindlichkeit und bei hervorragender Übertragungsgüte zu modulieren. Es ist jedoch schwierig, bei der direkten Gleichrichtung wie mit einer Photozelle oder einer Halbleiterverbindung eines derart mit einem Niederfrequenzsignal modulierten Lichtstrahls, ein ausreichendes Signal-Rausch-Verhältnis zu erzielen. Eine solche direkte Gleichrichtung ist wegen dem damit verbundenen sogenannten Flatterrauschen oder f -Geräusch des Detektors, das umgekehrt proportional zur Frequenz ist, schwierig. Für derart moduliertes Licht ist es daher zweckmäßig, den Lichtgleichrichter sowohl dem empfangenen Licht als auch einer örtlich erzeugten Überlagerungslichtschwingung auszusetzen, also von dem Überlagerungsempfang Gebrauch zu machen, wobei die Frequenzdifl'erenz ausgewertet wird. Das Überlagerungslicht unterscheidet sich dabei von dem empfangenen Licht um wenigstens einige Dutzend MHz. Es ist jedoch recht schwierig, eine stabile Überlagerungsschwingung zu erzeugen.
  • Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Empfängers, der von diesem Flatterrauschen frei ist. Dies wird nach der Erfindung dadurch erreicht, daß ein Lichtdetektor vorgesehen ist, der eine der Energie des modulierten Lichtes linear proportionale Ausgangsgröße (Strom oder Spannung) erzeugt, die einem Zwischenfrequenzverstärker zuführbar ist, dessen Mittenfrequenz ein positives, ganzzahliges Vielfaches (einschließlich Eins) der Abstandsfrequenz ist, und durch einen Amplitudendetektor, mit dessen Hilfe aus der Ausgangsspannung des Zwischenfrequenzverstärkers das Niederfrequenzsignal wiedergewonnen wird.
  • Dieser Zwischenfrequenzverstärker siebt somit aus dem Hochfrequenzsignal dem Frequenzintervall der Eigenschwingungen bzw. einem ganzzahligen Vielfachen davon entsprechende Zwischenfrequenzen aus, die die Modulation des Niederfrequenzsignals aufweisen. Man kann somit aus dem Empfangssignal mit mehreren gleichabständigen Trägerschwingungen unmittelbar eine Zwischenfrequenz gewinnen, ohne daß eine Überlagerungsschwingung erforderlich wäre. Dadurch ist es möglich, das Flatterrauschen zu unterdrücken.
  • Die Erfindung soll an Hand der Figuren näher erläutert werden F i g. 1 zeigt das Frequenzspektrum des von einem Laser erzeugten Lichtstrahls, der als Trägerstrahl dient und durch eine Empfangsanordnung gemäß der Erfindung empfangen wird; F i g. 2 zeigt ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Empfangsanordnung.
  • Dem Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung liegt ein amplitudenmodulierter Laserstrahl von 1,153 p. Wellenlänge eines Neonlasers zugrunde.
  • Wie aus der F i g. 36 auf S. 96 des Buches mit dem Titel »Lasers« von Bela A. L e n g y e 1, veröffentlicht 1962 im Verlag John Wiley & Sons, Inc., New York, hervorgeht, nimmt bei einem Helium-Neon-Gaslaser die Halbwertsbreite des ausgesendeten Lichtes vermöge des Dopplereffekts einen Frequenzbereich von etwa 1000 MHz ein. Daraus folgt, daß bei Anordnung eines Helium-Neon-Gaslasers zwischen den beiden im Abstand D befindlichen Enden eines Fabry-Perot-Reflektors, wie es auf S. 100 in F i g. 32 des genannten Buches gezeigt ist, ein derartiger Laser Licht erzeugt, das aus einer Vielzahl von Eigenfrequenzen innerhalb der bereits erwähnten natürlichen Bandbreite besteht, die durch ein charakteristisches Frequenzintervall der Breite fp voneinander getrennt sind, das durch die folgende Gleichung bestimmt ist: wobei c die Lichtgeschwindigkeit ist. Bei - einem Abstand der beiden Seitenwände des Fabry-Perötschen Reflektors von 1 m ergibt sich das Frequenzintervall zu 150 MHz. Dabei ist k der Modulationsgrad. Um jegliche Art der Überlagerung eines Seitenbandes der modulierten Schwingung auf eine andere Schwingung zu vermeiden, ist es notwendig, daß die Frequenz Fr des Niederfrequenzsignals kleiner als der halbe Frequenzabstand f p ist.
  • In F i g. 2 ist ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Laserempfängers dargestellt. Diese Anordnung besteht aus einem Lichtdetektor 12, der- beispielsweise eine Fotokathode oder ein Halbleiterelement zur Gleichlichtung des Lichtstrahles 11 von der Quelle 20 enthält. Der von der Quelle 20 erzeugte Lichtstrahl besteht aus einer Vielzahl amplitudenmodulierter Eigenschwingungen, die mittels des Detektors 12 in einen elektrischen Strom oder in elektrische Spannung umgewandelt werden, dessen bzw. deren Größe der Energie des Laserlichtstrahles proportional ist. Zur Verstärkung der Ausgangsspannung, die aus den modulierten Komponenten besteht, die in einem gegenseitigen Frequenzabstand von mfp bei m = 1, 2 ... N - 1 liegen, ist ein Zwischenfrequenzverstärker 13 vorgesehen, dessen Mittenfrequenz gleich einer der Frequenzen mfp ist. Ein Detektor 14 ist ferner zur Amplitudendemodulation der verstärkten Zwischenfrequenz vorgesehen. Der Anschluß 15 gibt die Ausgangsspannung des Detektors 14 an den Verbraucher 21 weiter. Es ist noch zu erwähnen, daß der Detektor 12 entweder als fotoelektrische Röhre mit einer Fotokathode oder als Halbleiterdiode mit einer entsprechenden Sperrschicht ausgeführt ist. Geeignete Halbleiterdioden für Lichtstrahlen von 1,153 #L Wellenlänge (1,1 eV) sind solche, die als p-n- oder p-i-n-Germanium-Halbleiter ausgeführt sind (Eb = 0,7 eV). Derartige Fototransistoren werden beispielsweise von der Firma Nippon Electric Comp. unter der Bezeichnung PD3L oder PD9L verkauft. Der Lichtstrahl eines Helium-Neon-Lasers hat eine Wellenlänge von 6330 t@ (1,9 eV) und derjenige eines Rubinlasers von 6930 .@. In diesen Fällen sind Siliziumdioden mit p-n- oder p-i-n-Übergängen (Eb = 1,9 eV) geeignet, wie z. B. die Fotomischer der Serie L-4501 der Firma Philco. Die Fototransistoren PD3L und PD9L können aber Wie in F i g. 1 dargestellt, sei nun angenommen, daß die jeweilige Feldstärke der N + 1 Eigenschwingungen des Gaslasers, die innerhalb der natürlichen Breite W in Frequenzintervallen fp angeordnet sind, beträgt En'. cos [2 ;r (F -i-- n - fp) t + P.], wobei n ein ungerades Vielfaches zwischen 0 und N einschließlich ist, ferner EJ die Amplitude der n-ten Eigenschwingung bedeutet und F die Frequenz der Schwingung niedrigster Ordnung bzw. der Schwingung mit dem Index Null ist. P" ist die Anfangsphase der n-ten optischen Schwingung, und t bedeutet die Zeit. In dem Diagramm der F i g. 1 ist auf der Abszisse die Frequenz und auf der Ordinate die relative Feldstärke En der Eigenschwingungen aufgetragen. Bei Amplitudenmodulation des Laserlichtstrahles durch ein niederfrequentes Signal mit der Frequenz FL, die unterhalb einiger MHz liegt, werden die elektrische Feldstärken der modulierten Lichtschwingungen gleich infolge der Größe der elektrostatischen Kapazität ihrer Übergangsschicht Signale bis zu einigen Dutzend kHz liefern. Wenn sich die relativ niederfrequente Modulationsschwingung über ein weites .Band von einigen Dutzend kHz erstreckt, ist es deshalb erforderlich, eine Germaniumdiode mit -kleiner elektro= statischer Kapazität auszuwählen.
  • Wenn der Lichtdetektor 12 der Beziehung i=aEQ genügt, wobei i der Ausgangsstrom des Lichtdetektors 12, E die elektrische Feldstärke des Laserlichtstrahls 11 an seinem Eingang und a der Proportionalitätsfaktor ist, dann ergibt sich für den Ausgangsstrom in von der Frequenz mfp die Beziehung Wenn also der Ausgangsstrom i, der aus derartigen Ausgangsstromkomponenten 1. besteht, durch den Zwischenfrequenzverstärker 13, der eine Mittenfrequenz von mfp aufweist, verstärkt und anschließend durch den Detektor 14 amplitudendernoduliert wird, dann erhält man am Ausgang 15 das demodulierte Signal der Frequenz FL, d. h. die Wiedergabe des niederfrequenten Modulationssignals.
  • Daraus ist ersichtlich, daß der erfindungsgemäße Empfänger äquivalent einem Überlagerungsempfänger arbeitet. Er empfängt den Laserstrahl 11, der um einige Dutzend MHz voneinander entfernte Trägerkomponenten enthält, ohne daß dabei das Niederfrequenz- oder -Geräusch erzeugt wird. Wenn m gleich Eins ist, dann ergeben sich die modulierten Komponenten der Frequenz fp aus N - 1 Kombinationen der Eigenschwingungen, so daß sich eine größere Ausgangsspannung ergibt, als es vergleichsweise dann der Fall ist, wenn m größer ist und näher bei N liegt. In diesem Zusammenhang muß erwähnt werden, daß es, da das Frequenzintervall fp etwa 150 MHz groß ist, bei einer optischen Strecke D zwischen den Reflektoren des Gaslasers von 1 m selbst dann möglich ist, das Geräusch ausreichend zu unterdrücken, wenn m zu 1 gewählt ist.
  • Im übrigen ist ein Gaslaser für einen Sender, der mit der erfindungsgemäßen Empfangsanordnung zusammenarbeiten soll, wesentlich besser geeignet als ein Festkörperlaser, weil die Gleichförmigkeit des Gases größer als die eines Kristalls ist und weil das Frequenzintervall fp sehr stabil ist, wenn der optische Abstand D zwischen den Reflektoren exakt eingestellt wird.

Claims (1)

  1. Patentanspruch: Empfänger für von einem Laser ausgesendetes, moduliertes Licht, das aus Lichtwellenkomponenten besteht, die um die sogenannte Abstandsfrequenz voneinander entfernt sind und mit einem Niederfrequenzsignal moduliert sind, dessen Frequenz weniger als die Hälfte der Abstandsfrequenz beträgt, gekennzeichnet durch einen Lichtdetektor, der eine der Energie des modulierten Lichtes linear proportionale Ausgangsgröße (Strom oder Spannung) erzeugt, die einem Zwischenfrequenzverstärker zuführbar ist, dessen Mittenfrequenz ein positives, ganzzahliges Vielfaches (einschließlich Eins) der Abstandsfrequenz ist, und durch einen Amplitudendetektor, mit dessen Hilfe aus der Ausgangsspannung des Zwischenfrequenzverstärkers das Niederfrequenzsignal wiedergewonnen wird. In Betracht gezogene Druckschriften: Physica status solidi »Der optische Laser«, 1962, Heft 9, S. 1117 bis 1144; »Journal od Scientific Instruments«, Bd. 40, Nr. 1, 1962, S. 89/90.
DEN25578A 1963-09-26 1964-09-25 Empfaenger fuer von einem Laser ausgesandtes, moduliertes Licht Pending DE1237470B (de)

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Non-Patent Citations (1)

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