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System zur Übertragung von Informationen mit einem optischen Sender
(Laser) Die Erfindung betrifft ein System zur Übertragung von Informationen mit
einem optischen Sender (Laser) mit optischem Resonator, in dem mittels innerer Modulation
stimulierte Strahlung moduliert wird.
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Unter einem optischen Resonator ist ein Resonator zu verstehen, wie
er bei einem im angelsächsischen Schrifttum als »Laser« bezeichneten optischen Sender
verwendet wird.
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Bei Strahlung eines optischen Senders (Lasers), im weiteren auch als
Sender bezeichnet, handelt es sich um eine durch Stimulierung bestimmter Energiesprünge
in einem stimulierbaren Medium verstärkte bzw. erzeugte, insbesondere optische Strahlung.
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Unter »innerer Modulation« ist hier eine jegliche Modulation der Strahlung
im Sender, d. h. innerhalb des optischen Resonators, dem Ort ihrer Erzeugung bzw.
Verstärkung vor der Aussendung, zu verstehen.
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Es wurde bereits vorgeschlagen, in einem optischen Sender erzeugte
stimulierte Strahlung mit Frequenzen im Bereich von 1013 bis 1015 Hz in ihrer Frequenz
zu modulieren.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein wie oben umrissenes
System anzugeben, bei dem der Vorteil der scharfen Bündelung der von einem optischen
Sender erzeugten und ausgesandten, extrem hochfrequenten Strahlung verbunden ist
mit dem Vorteil der technisch einfacheren Demodulierbarkeit einer elektromagnetischen
Welle mit Frequenzen unterhalb von etwa 1 bis 10 GHz, wobei zugunsten geringerer
Störanfälligkeit der Informationsübertragung Frequenz- bzw. Phasenmodulation vorgesehen
ist.
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Diese Aufgabe wird durch ein solches System gelöst, das erfindungsgemäß
dadurch gekennzeichnet ist, daß als Trägerwelle der Modulation die elektromagnetische
Welle einer periodischen Schwankung, insbesondere der Schwebung in der Intensität
der vom Sender ausgesandten Strahlung mit der Information frequenz- bzw. phasenmoduliert,
als Anteil der auszusendenden Strahlung übertragen und im Empfänger demoduliert
wird.
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Bekannt sind die wenigstens für einen gewissen Zeitraum der Ausstrahlung
auftretenden periodischen, insbesondere harmonischen Schwankungen der Intensität
durch Stimulierung erzeugter Strahlung. Solche Schwankungen können bekanntlich während
des Einschwingens des Senders auftreten und werden als »spikes« bezeichnet. Es wurden
bei Versuchen auch solche Intensitätsschwankungen in der Strahlung beobachtet, die
als Schwebungen infolge überlagerungen benachbarter diskreter Frequenzen der allgemein
als monochromatisch bezeichneten stimulierten Strahlung eines solchen Senders zu
verstehen sind. Das Auftreten von Schwebungen soll im folgenden, insbesondere mit
Rücksicht auf weiter unten erläuterte und besonders vorteilhafte Ausführungsbeispiele
der Erfindung näher beschrieben werden.
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Der Sender als Strahlungserzeuger enthält im allgemeinen einen optischen
Resonator, aufgebaut etwa nach Art eines Fabry-Perrot-Interferometers, in dem sich
stehende Wellen der stimulierten Strahlung ausbilden, für die für eine Dimension
die Beziehung L=n-AI=(n+1)-A2=...=(n+m)-A" (1) gilt. In dieser Beziehung (1) ist
L die optische Weglänge eines Umlaufs des Strahles im Sender. Bei Hin- und Herlauf
des Strahles der bisher allgemein gebräuchlichen Art der Anordnung eines solchen
Senders ist L der doppelte Spiegelabstand. Al bis Ar" sind die Wellenlängen der
zu den Frequenzen f 1 bis f," gehörenden, im Resonator möglichen stehenden Wellen,
von denen Al unter Berücksichtigung der folgenden Nebenbedingung die größte ist.
m ist eine beliebige ganze positive Zahl. Die Zahl der tatsächlich auftretenden
Frequenzen ist noch durch die schon erwähnte Nebenbedingung eingeschränkt, daß die
Frequenzen f1 bis f," innerhalb der natürlichen Linienbreite des stimulierten Energiesprunges,
beispielsweise Elektronenüberganges, liegen müssen. Die Abstände benachbarter Frequenzen
sind praktisch äquidistant. Es treten als Kombinationsfrequenzen außer der den Abständen
der benachbarten Frequenzen entsprechenden Grundwelle der Schwebung unter Umständen
noch deren ganze Vielfache auf. Beispielsweise ist bei einem Resonator, aufgebaut
nach
Art eines Fabry-Perrot-Interferometers, bei einem optischen Weg von 0,3 m zwischen
den Spiegeln die Frequenz der Grundwelle der Schwebung 1 GHz, bei 3 m ist sie 100
MHz.
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Die Frequenz der als Trägerwelle dienenden Schwankungen der Intensität
der stimulierten Strahlung, insbesondere der Schwebung liegen wählbar in einem Bereich,
in dem die Frequenzdemodulation im Empfänger ohne Schwierigkeiten mit herkömmlichen
Mitteln durchgeführt werden kann. Die Wellenlängen der stimulierten Strahlung des
optischen Senders liegen andererseits in einem Wellenlängenbereich, in dem mit verhältnismäßig
einfachen Mitteln eine besonders scharf gerichtete Aussendung bzw. ein besonders
scharf gerichteter Empfang mit relativ kleiner Antenne bewirkt werden kann. Unter
Antenne sind hier Anordnungen zu verstehen, die das gerichtete Aussenden oder Empfangen
der Strahlen ermöglichen. Für die optische Strahlung können dies etwa Spiegel, Linsen
od. ä. sein.
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Eine frequenzmäßige Modulation der Intensitätsschwankungen der stimulierten
Strahlung, wie diese während des Einschwingvorganges als sogenannte »spikes« auftreten,
läßt sich so durchführen, daß z. B. eine oder mehrere der für das Auftreten der
periodischen, insbesondere der harmonischen Komponente des Einschwingvorganges maßgebenden
Größen entsprechend der gewünschten Modulation in ihrem Wert verändert werden. Das
Quadrat der Schwingungsdauer der harmonischen Komponente ist proportional dem Spiegelabstand
und umgekehrt proportional der effektiv wirksamen Pumpleistung, d. h. der tatsächlichen
Pumpleistung abzüglich der Verluste durch spontane Emission. Eine Modulation der
Länge des optischen Weges zwischen den Spiegeln oder eine Modulation der Pumpintensität
führt also zu einer Modulation der Frequenz der Intensitätsschwankung des Einschwingvorganges.
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Aus der Beziehung (1) ergibt sich
worin V die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Strahlung in dem Medium des Senders
ist. Lediglich vereinfachend ist für die Ableitung von (2) angenommen worden, daß
der Strahl im Sender stets im gleichen Medium verläuft. (2) gilt daher noch angenähert,
wenn im ganzen Sender im wesentlichen ein Medium, beispielsweise Luft, überwiegt.
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Aus der obengenannten Beziehung ist zu ersehen, daß eine Modulation
der Frequenz der Schwebung durch Veränderung von V und/oder L, d. h. durch Veränderung
der optischen Weglänge der Strahlung im Resonator möglich ist.
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Eine Veränderung der optischen Weglänge bzw. der Geschwindigkeit kann
wie folgt bewirkt werden: In F i g. 1 stellt 1 den eigentlich verstärkenden Teil
des Senders, beispielsweise einen Kristall oder ein gasgefülltes Rohr, dar, in dem
durch induzierte Emission »monochromatische« Strahlung verstärkt bzw. erzeugt wird.
2 und 3 sind reflektierende Flächen, die in an sich bekannter Weise den mehrfachen
Hin- und Herlauf der Strahlung ermöglichen. 4 ist das eigentliche Modulationsorgan,
das aus einem Material besteht, dessen Brechungsindex oder, was damit gleichbedeutend
ist, in dem die optische Weglänge modulierbar ist. Als Material hierfür werden z.
B.. elektrisch oder magnetisch doppelbrechende Stoffe, flüssige oder feste Körper,
wie etwa Nitrobenzol oder Kaliumdihydrogenphosphat (KDP), verwendet. Besonders KDP
und änhlich elektrisch doppelbrechende Einkristalle eignen sich für dieses Verfahren,
da diese verbunden mit einem starken Effekt der elektrischen Doppelbrechung große
Modulierbarkeit des Brechungsindex aufweisen und zudem hohe Modulationsfrequenzen
ermöglichen. KDP und ähnliche Kristalle werden zweckmäßigerweise so ausgerichtet,
daß die Richtung der vorzugsweise linear polarisierten Strahlung im Modulationsorgan
4 nahezu parallel zur optischen Achse oder nahezu parallel zur Winkelhalbierenden
der a-Achsen mit dem Vektor der elektrischen Feldstärke der elektromagnetischen
Welle in der Richtung einer der beiden Winkelhalbierenden der a-Achsen liegt. Das
elektrische Feld wird zweckmäßigerweise in Richtung der optischen Achse des feldfreien
Kristalls angelegt. Es ist vorteilhaft, den Strahl mehrfach durch das Modulationsorgan
laufen zu lassen, beispielsweise wie dies 5 andeutet. Hierdurch verstärkt sich der
Modulationseffekt. Die Flächen 6 sind mit Ausnahme der Teile 7, durch die die Strahlung
in 4 ein- bzw. austritt, für diese Strahlen reflektierend ausgebildet, beispielsweise
spiegelnd versilbert. Die Flächenteile 7 werden von der Strahlung so getroffen,
daß diese keine Ablenkung beim Durchtritt durch die Flächenteile 7 erleidet und
damit unabhängig von dem Wert des Brechungsindex gradlinig durch die Flächenteile
7 hindurchtritt. Bei einer eventuellen Aufspaltung in ordentlichen und außerordentlichen
Strahl wird gegebenenfalls dafür gesorgt, daß nur der Strahl, für den der Brechungsindex
veränderlich ist, durch 7 hindurchtritt, im Sender verstärkt wird. Man erreicht
dies beispielsweise dadurch, daß der unerwünschte Strahl etwa wie in einem Nicol
weggebrochen und herausgespiegelt wird. Als besonders vorteilhaft erweist sich die
Ausgestaltung der Erfindung gemäß dem Beispiel nach F i g. 2, bei der die mit den
Reflexionen an den Flächen 6 der F i g. 1 auftretenden Verluste durch Totalreflexion
an den Flächen 26 der F i g. 2 vermieden werden. Mit 1 ist wieder das stimu-Tierbare
Medium mit den dazugehörigen Reflektoren 2 und 3 des optischen Resonators bezeichnet.
Im Modulationsorgan 24 läuft der Strahl derart um, wie 25 angibt. Der Einfallwinkel
der Strahlung auf die Fläche 26 ist so groß, daß Totalreflexion eintritt. Hierdurch
werden die obengenannten, bei den Reflexionen im Steuermedium allgemein auftretenden
Verluste praktisch vollständig vermieden. Auch bei der Anordnung der F i g. 2 werden
die Flächen 27 senkrecht vom Strahl getroffen, so daß keine von der Größe des Brechungsindex
abhängige Ablenkung des in das Medium 24 eintretenden Strahles auftritt.
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Eine Abänderung der Ausführungsform nach F i g. 1 stellt die F i g.
3 dar, in der die Bezeichnungen mit denen der F i g. 1 übereinstimmen. Hier treffen
die Strahlen auf die Flächenteile 37 entsprechend der Neigung von 37 gegenüber der
Fläche 6 nicht senkrecht auf, so daß die in das Modulationsorgan 4 eintretenden
Strahlen abhängig von der Größe des Brechungsindex beim Eintritt in 4 mehr oder
weniger stark abgelenkt wird. Die Flächenteile 37 sind als Blenden ausgebildet,
durch die, im Gegensatz zu den übrigen reflektierenden Flächen 6, der Strahl in
4 ein- bzw. aus ihm heraustreten kann. Entsprechend
der gesteuerten
Änderung der Größe des Brechungsindex von 4 wird die Größe der beim Eintritt der
Strahlung in 4 bzw. bei deren Austritt aus 4 auftretende Ablenkung verändert, so
daß die Zahl der Hin-und Herläufe des Strahlenganges 35, in 4 entsprechend 35',
verändert wird.
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Zu der Ausführung der F i g. 3 und auch der folgenden Ausführungsform
der F i g. 4 ist zu bemerken, daß die Frequenzänderung der Schwebung hier nicht
kontinuierlich, sondern in Stufen erfolgt. Eine derartige Quantisierung der Frequenzänderung
ist jedoch in der Nachrichtentechnik bekannt, so daß ein weiteres Eingehen darauf
nicht erforderlich ist.
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F i g. 4 ist ein weiteres Beispiel für eine Ausführungsform, bei der
die vom Brechungsindex abhängige Ablenkung ausgenutzt wird. Mit 1 ist wieder das
stimulierbare Medium, der abstrahlende bzw. verstärkende Teil des Senders und mit
45 der Strahlengang bezeichnet, in den zwischen Reflektoren 2 und 43, 43', 43" ein
Ablenkprisma 44 eingeschaltet wird. Die Größe der Ablenkung der Strahlung durch
das Prisma ist durch dessen modulierbaren Brechungsindex gegeben.
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Nähere Einzelheiten über die Ausführung derartiger Prismen, die eine
modulierbare Ablenkung von Strahlungen ermöglichen, wurden von uns bereits vorgeschlagen
und sind in dem französischen Patent 1376 013 enthalten. Als Material für ein derartiges,
in seiner ablenkenden Wirkung modulierbares Prisma kommt beispielsweise wieder ein
KDP-Kristall in Frage. Es können aber auch andere Stoffe verwendet werden, die einen
in seinem Wert modulierbaren Brechungsindex für die Strahlung des optischen Senders
haben. Zweckmäßig ist bei der Anordnung der F i g. 4 das Prisma 44 so zu orientieren,
daß die hin- und herlaufende Strahlung von der Seite des stimulierbaren Mediums
1 her in das Prisma ungebrochen eintritt bzw. ungebrochen aus 44 in Richtung 1 hinaustritt,
so daß die Strahlung unabhängig von der Modulation des Brechungsindex von 44 gleichbleibend
an der Stelle 46 in Richtung auf die Spiegel 43, 43', 43" austritt bzw. von diesem
her bei 46 wieder in 44 eintritt.
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Die Reflektoren 43, 43', 43" sind so angeordnet, daß sie der Reihe
nach größer bzw. kleiner werdenden Abstand von der Stelle 46 haben. Die Ausführungsform
der F i g. 4 hat den Vorteil, daß die Größe der Weglängenänderung von einem Reflektor
zum nächsten bei gegebenem Modulationsorgan 44 ohne Schwierigkeiten durch entsprechend
entfernte Anordnung der Spiegel praktisch beliebig gewählt werden kann.
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An Stelle der Anordnung einzelner Reflexionsflächen 43, 43', 43" nach
F i g. 4 kann auch ein sogenannter Tripelspiegel 33 nach Anordnung der F i g. 5
verwendet werden. Die übrigen Bezeichnungen der F i g. 5 entsprechen denen der F
i g. 4. Ein Tripelspiegel hat im Fall rechter Winkel zwischen den spiegelnden Flächen
die Eigenschaften, unabhängig von der Einfallrichtung auffallende Strahlung in die
Richtung zurückzusenden, aus der sie kam. Bei genügend großem Abstand zwischen dem
Prisma 44 und dem Tripelspiegel 33 und bei gegenüber dem Strahlquerschnitt genügend
großer Höhe der Prismen 57 ergibt sich für die praktische Anwendung bei stetiger
Änderung des Ablenkwinkels der Strahlung bei 46 eine ausreichend feine Abstufung
der Veränderung der optischen Weglänge vom Ort 46 über 57 zurück nach 46. Bei der
Anordnung der F i g. 5 kann bei gegebenem Hub der steuerbaren Ablenkung entsprechend
dem jeweiligen optischen Abstand zwischen 46 und 33 trotz feiner Abstufung ein großer
Hub der Modulation erreicht werden.
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Die maximal zur übertragung verfügbare Bandbreite der Modulation der
Schwebung wird durch die Güte, d. h. durch das Einschwingverhalten des speziell
gewählten Senders bestimmt. Die Ursache hierfür ergibt sich aus der Tatsache, daß
die mit der Änderung der Schwebungsfrequenz erzwungenen Änderungen der diskreten
Frequenzen der stimulierten Strahlung stets erneutes Anschwingen des Senders bedingen.
Frequenzbandbreiten für die Modulation der Schwebung bis zu 10 oder gar 100 MHz
lassen sich aber durchaus noch verwirklichen.