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Verfahren zur Nachrichtenübertragung mittels Laserstrahlen Die Erfindung
betrifft ein Verfahren zur Nachrichtenübertragung mittels Laserstrahlen als Träger,
bei dem zwei Laserstrahlen, von denen mindestens einer mit der zu übertragenden
Nachricht moduliert wird, ausgesandt und empfangsseitig demoduliert und zusammengefaßt
werden.
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Der Laserstrahl stellt einen Träger mit sehr hoher verwendbarer Bandbreite
dar, so daß er ein ideales Modulationsmedium darstellen könnte. Schwierigkeiten
ergeben sich jedoch dadurch, daß die Amplitude und die Phase des Laserstrahles statistischen
Schwankungen unterliegen. Die Aufprägung der zu übertragenden Nachricht auf den
Träger mit Hilfe der üblichen Modulationsverfahren und -einrichtungen würde daher
bei üblicher Demodulation am Empfangsort nur zu einer verzerrten Nachrichtenentnahme
führen.
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Es ist bekannt, mehrere modulierte Laserstrahlen zur Nachrichtenübertragung
zu verwenden, wobei Mittel vorgesehen sind, um die infolge von Nichtlinearitäten
und physikalischen Vorgängen in den verwendeten Halbleitern auftretenden Verzerrungen
und Oberwellen zu eliminieren. Es handelt sich bei diesen Verzerrungen um ständig
vorhandene Größen, so daß ihre Beseitigung etwa nach der deutschen Auslegeschrift
1216 160 durch Phasenschieber erfol-- ge n kann, mit deren Hilfe die Modulationsspannungen
gegeneinander verschoben werden.
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Es ist ferner bekannt, bei frequenzmodulierten Lichtstrahlen Amplitudenschwankungen
zu beseitigen (deutsche Auslegeschrift 1204 978). Bei dem bekannten
Verfahren wird eine von mehreren Komponenten einer Spektrallinie der Senderlichtquelle
moduliert.
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Schließlich ist es bekannt, Licht als Nachrichtenträger mit zwei zueinander
senkrecht schwingenden Komponenten zu erzeugen (deutsche Patentschrift
320130).
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Nachrichtenübertragungsverfahren
anzugeben, das die statistischen Schwankungen von Amplitude und/ oder Phase bei
beliebiger Modulationsart des Laserstrahles ausschaltet und die Ausnutzung der großen
Bandbreite der Laserstrahlen gestattet, ohne daß die Gefahr besteht, daß am Empfangsort
unerwünschte Verzerrungen auftreten.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die beiden
Laserstrahlen als zueinander orthogonale Strahlen, z. B. als zwei linearpolarisierte
Strahlen, deren Polarisierungsrichtungen senkrecht aufeinanderstehen, erzeugt werden,
daß die Zusammenfassung derart vorgenommen wird, daß die beiden Laserstrahlen hinsichtlich
Amplitude und/oder Phase miteinander verglichen werden, und daß auf Grund dieses
Vergleichs Korrekturgrößen zur weitgehenden Eliminierung von stochastischen Schwankungen
von Amplitude und/oder Phase der Laserstrahlen erzeugt werden.
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Die gleichzeitige übertragung zweier zueinander orthogonaler Laserstrahlen
liefert der Empfangsseite eine zusätzliche Information über die statistischen Schwankungen
des ursprünglichen Trägers, mit deren Hilfe es gelingt, die auftretenden Verzerrungen
durch die statistischen Schwankungen in Amplitude und Phase des Trägers zu beseitigen.
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Die übertragungsverfahren, die nach dem Prinzip der Erfindung arbeiten,
lassen sich grundsätzlich in zwei große Gruppen unterteilen. Man kann zum einen
nur einem der beiden übertragenden Strahlen die Nachricht aufmodulieren und den
anderen als reinen Vergleichsstrahl benutzen. Man kann aber auch beide Strahlen
mit der zu übertragenden Nachricht beaufschlagen.
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Im ersten Fall kann die Trennung der beiden orthogonalen Laserstrahlen
auf dem übertragungsweg räumlich sein, man kann sie aber auch durch ihre Polarisation
voneinander unterscheiden. Für diesen Fall bietet sich die Verwendung von Linearpolarisation
als einfachstes Beispiel an. Die Verfahren, die nach diesem ersten Typ arbeiten,
seien im folgenden kurz als Eliminationsverfahren bezeichnet.
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Läßt man entsprechend der zweiten Gruppe von Verfahren zu, daß beide
Strahlen die Nachricht übertragen, dann muß auf der Empfangsseite durch geeignete
Zusammenfassung der Strahlen die statistische Schwankung in ihren Auswirkungen beseitigt
werden. Das geeignete Kriterium für die Zusammenfassung ist wieder die Polarisation.
Es genügt dann nämlich, auf der Sende- und auf der Empfangsseite jeweils zueinander
korrespondierende
Polarisatoren vorzusehen. Die Verfahren dieser Gruppe seien im folgenden kurz als
Polarisationsverfahren bezeichnet.
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Bei den Eliminationsverfahren ist, wie oben erwähnt, eine räumliche
oder eine polarisationsmäßige Trennung der beiden übertragenen orthogonalen Laserstrahlen
möglich. Im ersten Fall wird das von einem Laserorgan erzeugte Licht nach Durchgang
durch einen Polarisator einem halbdurchlässigen Spiegel zugeführt, der zwei getrennte
Strahlen, nämlich einen unmittelbar durchgehenden und einen reflektierten Strahl
erzeugt. Der unmittelbar durchgehende Strahl wird in einem Modulator mit der Nachricht,
die übertragen werden soll, beaufschlagt. Der reflektierte Strahl wird an einem
zweiten vollständig reflektierenden Spiegel wieder in die ursprüngliche Richtung
umgelenkt und tritt sendeseitig also parallel zu dem durchgegangenen und modulierten
ersten Strahl aus. Die übertragungsstrecken für beide Laserstrahlen verlaufen parallel,
und auf der Empfangsseite werden beide zunächst getrennt aufgenommen und dann einem
Demodulator zugeführt, der aus ihrer Zusammenfassung die ursprüngliche Nachricht
ableitet.
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Bei polarisationsmäßig getrennten Laserstrahlen schließt sich an das
Laserorgan und den PoIarisator beispielsweise ein Nicolsches Prisma an, das den
Laserstrahl in einen ordentlichen und einen außerordentlichen Strahl aufspaltet.
Letzterer wird über Spiegel mehrfach umgelenkt und dem Ausgang der Anordnung zugeführt.
Der ordentliche Strahl durchläuft einen Modulator, der ihm die zu übertragende Nachricht
aufprägt und tritt anschließend in ein zweites Nicolsches Prisma ein, das den außerordentlichen
Strahl wieder zusammenfaß4 so daß diese gemeinsam auf einem einzigen übertragungsweg
dem Empfänger zugeführt werden können. Auf der Empfängerseite ist zunächst ein Nicolsches
Prisma vorgesehen, das den ordentlichen und den außerordentlichen Strahl wieder
voneinander -entfernt und beide einem Demodulator zuführt, der aus ihrer Zusammenfassung
die zu übertragende Nachricht zurückgewinnt.
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An Modulationsmethoden stehen Amplitudenmodulation, Phasenmodulation
und Laufzeitmodulation zur Verfügung. Als Modulatoren kommen Elemente in Betracht,
die mit dem Faraday-Effekt oder mit dem Kerr-Effekt arbeiten. Auf der Empfangsseite
wird der unmodulierte Strahl in einen Modulator eingespeist, dessen einer Eingang
auf einen Regler zurückgekoppelt ist, der seinerseits an seinem Eingang die zusammengefaßten
modulierten und unmodulierten Laserstrahlen zugeführt erhält. Dieser Regler kann
entweder ein Proportionalregler oder ein Integralregler sein.
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Hinsichtlich des Unterschiedes zwischen Phasenmodulation und Laufzeitmodulation
sei noch bemerkt, daß die letztere modulationsmäßig ein Unterfall der ersteren ist
und sich im wesentlichen dadurch davon unterscheidet, daß die Phasen beider Strahlen
sehr stark voneinander differieren.
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Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel für Amplitudenmodulation
mit räumlich getrennterübertragung des modulierten und des unmodufierten Strahles
an Hand der Zeichnung beschrieben.
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Der von einem Laser 1 erzeugte Strahl wird über einen Polarisator
2 auf einen halbdurchlässigen Spiegel 3 geleitet. Dieser halbdurchlässige
Spiegel 3 spaltet den ankommenden Strahl auf; der eine Teil davon wird über
einen Spiegel 4 der Übertragungsstrecke zugeführt, der andere Teil wird einem Modulator
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zugefühm Dieser Modulator enthält eine polarisierende Vorrichtung, die dafür
sorgt, daß dieser Teil des Strahles gegenüber dem unmodulierten Teil des Strahles
orthogonal ist. Der Modulator erzeugt eine amplitadenmodulierte Schwingung, die
ebenfalls der Übertragungsstrecke zugeführt wird. Empfangsseitig wird diese modulierte
Schwingung einem gleichrichtenden Element 6 zugeführt. Der unmodulierte Teil
des Strahles wird über einen empfangsseitigen Modulator 7 ebenfalls einem
gleichrichtenden Element 8
zugeführt. Die Ausgänge der Elemente
6 und 8 werden einem Komparator 9 zugeführt, dessen Ausgang
mit einem Regler 10 verbunden ist. Der Ausgang des Reglers 10 ist
mit dem Modulator 7 verbunden; außerdem kann am Ausgang des Reglers
10 das übertragene Signal entnommen werden.
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Die Funktion dieser Anordnung ist folgende: Der unmodulierte Strahlteil
ist eine Schwingung der Form A (t) sin (oit +,p (t»;
der
modulierte Teil ist eine Schwingung der Form A (t) g (t)
sin (o)t + y (t».
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I-Enter dem Element 6 liegt eine Schwingung der Form
A (t) y (t) vor. Dem Modulator 7 wird eine Größe
v (t) vom Ausgang des Reglers 10 zugeführt. I-Enter dem Element
8 liegt demzufolge eine Schwingung der Form A (t)
y (t) vor. Der Komparator 9 bildet die Differenz A
= A (t) (u - v) (t). Der Regler 10
kann ein Proportionsregler
sein, dann gibt er eine VA
Ausgangsgröße v (t) j-.:# -VA ju
(t) ab, die zum einen dem Modulator 7 zugeführt wird, zum anderen
das Ausgangssignal darstellt. Y ist die Verstärkung des Reglers 10. Wird
V sehr groß, so wird Y (t);:#z% y (t).
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Ist der Regler 10 ein Integralregler, so gilt (t) =
g (t) (1 - e-a,). Nach genügender Einschwingzeit gilt
also wieder v (t) (t).
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Bei den Polarisationsverfahren können die zu übertragenden Strahlen
sowohl linear polarisiert sein als auch eine Zirkularpolarisation aufweisen.- Im
ersteren Fall wird auf dem übertragungsweg ein Strahl übertragen, der gemäß der
Modulation eine zur ursprünglichen Polarisationsrichtung schiefe Linearpolarisation
aufweist. Im zweiten Fall wird ein elliptisch polarisierter Strahl übertragen. Als
Modulatoren kommen sowohl auf der Sende- als auch auf der Empfangsseite wieder Elemente
in Betracht, die nach dem Faraday-Effekt oder nach dem Kerr-Effekt arbeiten, wobei
die Reihenfolge der einzelnen Bauelemente auf der Sende- und auf der Empfangsseite
in Strahlrichtung gerade umgekehrt ist und ein Eingang des Modulators auf der Empfangsseite
auf den Ausgang eines Reglers zurückgekoppelt ist, der wiederum ein Integral- oder
ein Proportionalregler sein kann.