DE1283980B - Optischer Sender mit rauscharmer innerer Modulation - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen optischen Sender mit rauscharmer innerer Modulation durch Stabilisierung des Frequenzabstandes der Longitudinalschwingungskomponenten, dessen innerhalb eines optischen Resonators angeordneter, elektrooptischer Kristall normal zur stimulierten Strahlung verlaufende Stirnflächen aufweist, die mit Prismen in Berührung stehen, deren Außenflächen im Brewsterwinkel zur stimulierten Strahlung verlaufen.

Es wurden bereits optische Sender mit Eigenmodulation vorgeschlagen, bei denen die gegenseitigen Abstände der erzeugten Frequenzen und die Amplitude stabilisiert sind. Nach einem Vorschlag ist zwischen zwei einen Resonator begrenzenden Spiegeln eine Modulatorstufe angeordnet. Bei solchen optischen Sendern läßt sich Rauschen nicht vermeiden, da eine Anzahl von Eigenschwingungen der Longitudinal- und Transversalform auftreten, so daß die Frequenzabstände, die Amplituden und Intensitäten der optischen Ausgangsbündel nicht genügend stabil sind.

Zur Klarstellung soll im einzelnen auf die Verhältnisse bei einem optischen Sender mit Helium—Neon als stimulierbarem Medium eingegangen werden, der der meistbenutzte optische Sender mit Gasmedium ist. In dem Buch von A. Lengyel, »Lasers« (John Wiley & Sons Inc., New York, 1962), ist auf Seite 96 in Fig. 36 die erzielbare Halbwertsbreite des Frequenzbereichs, innerhalb dessen Stimulation auftritt, mit etwa 1000 MHz angegeben. Für einen optischen Sender mit einer Helium-Neon-Gasentladungsröhre zwischen zwei durch eine optische Weglänge L voneinander getrennten, einen optischen Resonator begrenzenden Spiegeln, gemäß F i g. 32 auf Seite 93 des Buches von Lengyel, erweisen sich mehrere optische Ausgangskomponenten in Longitudinalfonn, die zu einer bestimmten Transversaleigenschwingung gehören, beispielsweise zum TEM₀₀-Typ, nach Seite 97 der genannten Arbeit innerhalb des genannten Frequenzbereichs um einen Frequenzabstand f_p voneinander getrennt, mit

worin c die Lichtgeschwindigkeit bedeutet. Wenn die optische Weglänge LIm beträgt, liegt f_p etwa bei 150MHz. Somit erzeugt der beschriebene Helium-Neon-Gassender eine optische Ausgangsstrahlung, die innerhalb eines Frequenzbereichs von 1000 MHz linienförmige Frequenzkomponenten enthält, die je um 150 MHz voneinander getrennt sind.

Dagegen zeigte ein eingehendes Studium des Spektrums der optischen Ausgangsstrahlung (vgl. W. R. Benett jr., Physical Review, Bd. 126, Nr. 2 vom 15.4.1962, S. 580 bis 593), daß der Frequenzabstand f_p der Longitudinalschwingungsformen nicht genau homogen ist, sondern etwas ungleichförmig war, da infolge der Nichtlinearität der Stimulation zwischen in der Frequenz benachbarten Eigenschwingungen der Longitudinalform schwache Koppelungskräfte auftreten. Der Einfachheit halber sei angenommen, daß ein optischer Sender eine Ausgangsstrahlung nur in einer transversalen Eigenschwingung erzeugt, zu der mehrere Longitudinalformen mit den jeweiligen FrequenzenF₀₁, F₀₂...F_0n, jeweils von der niedersten Frequenz an gezählt, gehören. Zwischen je zwei benachbarten Frequenzen F₀₂, F₀₃ erzeugt das Glied dritter Ordnung der eigentümlichen Nichtlinearität Seitenbandkomponenten mit den Frequenzen 2F₀₂-F₀₃ und 2F₀₃-F₀₂. Infolge der genannten Ungleichmäßigkeit der Frequenzabstände liegen diese Seitenbandfrequenzen nicht genau auf den Frequenzen F₀₁ und F₀₄. Andererseits ändern sich nach Benett jr. die Frequenzabständef_p zeitlich. Dies führt zu zeitlichen Änderungen der Phasenbeziehung zwischen den Frequenzkomponenten 2F₀₂-F₀₃ und F₀₁ sowie zwischen 2F₀₃-F₀₂ und F₀₄. Somit erscheinen diese Seitenband-Differenzfrequenzkomponenten infolge einer Demodulation mit quadratischer Kennlinie der optischen Ausgangs-Strahlung, die die schwankenden Seitenbandfrequenzkomponenten enthält, als Rauschen und führen ferner zu Schwankungen der Gesamtausgangsleistung des optischen Senders.

Zur Unterdrückung der Erzeugung einer Rausch-

ao komponente wurde eine erzwungene Stabilisierung des Frequenzabstandes vorgeschlagen. In einer solchen Anordnung zur Stabilisierung der optischen Gesamtausgangsstrahlung nach L. E. Hargrove u. a., Applied Physics Letters, Bd. 5, Nr. 1 (1. Juli 1964), S. 4 und 5, ist ein Quarzschwinger quer zur optischen Achse des Resonators angeordnet und durch eine Teilfrequenz des Frequenzabstandes f„ erregt, so daß sich für den Frequenzabstand der erzeugten Frequenzkomponenten ein Mitnahmeeffekt einstellt und man solche Komponenten auswählen kann, die den genau bestimmten Frequenzabstand haben. Es läßt sich jedoch bei dieser Anordnung nicht vermeiden, daß der quer zum Lichtweg angeordnete Quarz auf eine kritische Resonanzfrequenz eingestellt werden muß, die in Abhängigkeit von dem Frequenzabstand bestimmt ist. Außerdem ist ein gesonderter Modulator zusätzlich zu dem Quarzschwinger zur Erzeugung der gewünschten Eigenmodulation erforderlich.

Aus den britischen Patentschriften 953 721, Fig. 10; 953 722, Fig. 8; 953 725, Fig. 12; 953 727, Fig. 7, sind optische Sender mit innerer Modulation bekannt, deren modulierender elektrooptischer Kristall normal verlaufende Stirnflächen aufweist, die mit Prismen in Berührung stehen, deren Außenflächen einen Brewsterwinkel gegenüber der optischen Achse bilden.

Aufgabe der Erfindung ist die Stabilisierung des Frequenzabstandes der Longitudinalschwingungskomponenten bei einem optischen Sender, ohne daß im Lichtweg innerhalb des optischen Resonators ein Bauteil angeordnet ist, das die Ausgangsleistung dämpfen würde.

Dies wird nach der Erfindung dadurch erreicht, daß in Doppelausnutzung des elektrooptischen Kristalls an diesen parallel zu einer Signalspannungsquelle eine Erregersignalquelle angekoppelt ist, deren Erregersignalfrequenz im wesentlichen gleich der Grundresonanzfrequenz des optischen Resonators (gegeben durch den Quotient aus Lichtgeschwindig-

[c 1
-frr)
LL J

einem ganzzahligen Vielfachen dieses Wertes ist, der zugleich den kleinsten Frequenzabstand zwischen zwei benachbarten möglichen Resonanzen darstellt.

Hierdurch erzielt man eine starke Verminderung der Rauschleistung.

Nunmehr wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. Es stellt dar

F i g. 1 einen Längsschnitt durch eine Ausführungsform der Erfindung und

F i g. 2 ein Ausgangsspektrum zur Erläuterung der Wirkungsweise der Erfindung.

Nach F i g 1 gehören zu einem optischen Sender 10 nach der Erfindung: eine Gasentladungsröhre 11, die ein stimulierbares Medium enthält und an beiden Enden durch Fenster im Brewsterschen Winkel ab- xo geschlossen ist, zwei einen optischen Resonator begrenzende Spiegel 12 A und 125 sowie eine Modulatorstufe 20, die innerhalb des Lichtweges zwischen der Entladungsröhre 11 und dem einen Spiegel 12 B aufgestellt ist. Zu der Modulatorstufe 20 gehören: ein in axialer Richtung ausgerichteter, in Form eines Quaders geschnittener Kristall 21 aus einem Kaliumhydrogenphosphat oder einem ähnlichen wirksamen Kristall, der eine sehr geringe Lichtabsorption und einen außerordentlich starken elektrooptischen Effekt aufweist, d. h., daß ein innerhalb des Kristalls erzeugtes elektrisches Feld die Polarisationsebene von sich längs der optischen Achse ausbreitendem Licht dreht; zwei auf die rechtwinkelig zur optischen Achse liegenden Stirnflächen des Kristalls 21 aufgesetzte Prismen 22,4 und 22 B; zwei im Bereich der genannten Endflächen angeordnete Elektroden 15A und 15 B, damit man das der zu sendenden Information entsprechende, von einer Informationssignalquelle 14 gelieferte Informationssignal an den Kristall anlegen kann, sowie eine parallel zu der Informationssignalquelle an die Elektroden 15^4 und 15 B angeschlossene Erregersignalquelle 16 zur Überlagerung einer elektrischen Feldkomponente entsprechend dem Erregersignal über den von dem Informationssignal herrührenden Feldanteil. Die Prismen 22 A und 22 B bestehen jeweils aus einem Glas, dessen Brechungsindex nahezu dem Brechungsindex n₀ (etwa 1,5) des ordentlichen Strahls innerhalb des Kristalls 21 gleich ist. Der von den beiden Seitenflächen an der brechenden Kante eingeschlossene Winkel ist jeweils dem Ergänzungswinkel (etwa 34°) des Brewsterschen Winkels für Glas gleich. Die Prismen sind jeweils mit einer Seitenfläche derart auf die Endflächen des Kristalls 21 aufgesetzt, daß die brechenden Kanten parallel zur X- oder Y-Achse des Kristalls 21 liegen und die sich in den brechenden Kanten schneidenden Paare von Prismenflächen parallel zueinander verlaufen.

Die in der gewünschten Weise modulierte optische Ausgangsstrahlung kann in Form des aus einem der Spiegel 12,4 und 125 austretenden Lichtes, in Form des an einem der Brewsterschen Fenster reflektierten Lichtes oder in Form des in einem doppeltbrechenden Prisma gebrochenen Lichtes abgenommen werden.

F i g. 2 zeigt das Ausgangsspektrum eines optischen Senders nach der Erfindung, wo die Informationssignal- und Erregersignasquellen 14 und 16 keine Ausgangsleistung zur Ingangsetzung der Modulatorstufe 20 liefern und wo die Gasentladungsröhre 11 eine Helium-Neon-Entladungsröhre ist, die in einer einzigen transversalen Schwingungsform TEM₀₀ schwingt. Die optische Ausgangsstrahlung besteht aus LongitudinalkomponentenF₁, F₂.. .F_n der Eigenschwingungen, die innerhalb eines Frequenzbereichs von etwa 1300 bis 1600 MHz liegen. Wenn je zwei benachbarte Eigenschwingungen nicht miteinander gekoppelt wären, würden diese Komponenten genau vorgegebene Frequenzen mit einem festen gegenseitigen Frequenzabstand /„ = -£=- haben. Die Fre-

quenzabstände f_p sind jedoch in der Tat nicht gleichförmig. So weicht der Wert eines Frequenzabstandes j_pk zwsichen zwei Komponenten F_k und F^₁ (mit k

als beliebiger ganzer Zahl) etwas von ~ ab und

schwankt zeitlich. Versuche zeigten, daß nicht nur die Frequenzabstände, sondern auch die Intensitäten der Komponenten Schwankungen zeigen.

Wie bereits bei Benett jr. in dem obengenannten Zitat erörtert, besitzt der optische Sender eine Nichtlinearität. Deshalb erzeugt die durch das Erregersignal der Erregersignalquelle 16 bewirkte Amplitudenmodulation in enger Nachbarschaft der benachbarten oberen und unteren Longitudinalkomponenten Fk_-1 und F_{11 + 1} der Eigenschwingungen Seitenbandkomponenten, die infolge der Nichtlinearität diese Longitudinalkomponenten mitziehen und ihrerseits die Frequenzabstände f_p zwischenF_It__x und F₁, sowie zwischen F_k und F₆₊₁ fest auf die Frequenz des Erregersignals einstellen. In dem Maße, wie diese mitgezogenen Komponenten F_k _ _t und F_{k + 1} auch durch dasselbe Erregersignal amplitudenmoduliert werden, stellen dann die jeweiligen Seitenbandkomponenten die Frequenzabstände zwischen der unteren mitgezogenen Komponente F_k _ _r und der daruntergelegenen benachbarten Komponente F_fe_₂ und zwischen der oberen mitgezogenen Komponente F₁, ₊₁ und der darübergelegenen benachbarten Komponente F_tl+2 fest ein. Daraus ergibt sich eine gegenseitige feste Verriegelung aller Frequenzabstände.

Die Verriegelung des Frequenzabstandes f_v zwischen den optischen Longitudinalausgangskomponenten F₁, F₂... F_n der Eigenschwingungen unterdrückt die Intensitätsschwankung der optischen Ausgangsleistung des optischen Senders und vermindert das Rauschen. Es wurde experimentell bestätigt, daß mit einer Erregersignalfrequenz, die nicht mehr als einige hundert Kilohertz ober- oder unterhalb des Sollfrequenzabstandes/,, liegt, der Mitnahmeeffekt innerhalb eines optischen Senders merklich ist, bei dem eine Helium-Neon-Gasentladung in der Entladungsröhre 11 benutzt ist.

Im Rahmen der vorstehenden Erläuterung wurde unter Bezugnahme auf F i g. 2 angenommen, daß ein optischer Sender in mehreren Longitudinalwellenformen schwierig, die zu einem Transversaleigenschwingung, beispielsweise TEM₀₀, gehören. In der Praxis, wo die optische Ausgangsleistung in zahlreichen Longitudinalwellenf ormen, die zu zahlreichen Transversaleigenschwmgungen gehören, erzeugt wird, verriegelt das Erregersignal lediglich die Frequenzabstände derjenigen optischen Longitudinalausgangskomponenten, die zu den einzelnen Transversaleigenschwingungen gehören. Folglich sind noch zahlreiche, nahe zusammengedrängte optische Ausgangskomponenten vorhanden. Deshalb ist auch bei einem optischen Sender nach der Erfindung eine Schwingungsformsteuerung vorzuziehen, damit die Schwingung nur in Transversalform erfolgen kann.

Empirisch wurde gefunden, daß die Erregerfrequenz nicht -£=- betragen muß, sondern auch ein ganz-

zahliges Vielfaches davon betragen kann, damit man bis zu einem gewissen Grad eine gegenseitige Verriegelung der Frequenzabstände erhält.

In der beschriebenen Ausführungsform der Erfindung ist die Erregersignalquelle 16 parallel zur Informationssignalquelle 14 an die Elektroden 15^4 und 155 angekoppelt. Wenn sich hieraus auch keine Schwierigkeiten ergeben, da die Erreger- und Informationssignale einen genügend großen Frequenzabstand voneinander haben, ist es doch in dem Fall, wo d^: se Modulationsfrequenzen sorgfältig gegeneinander abgeschirmt sein müssen, empfehlenswert, zwischen die Elektroden 15^4 und 15 B eine zusatzliehe Parallelelektrode einzuschalten und das Erregersignal zwischen der zusätzlichen Elektrode und der Elektrode 15^4 anzulegen. Der Grundgedanke der Erfindung ist auch bei Molekularverstärkern anwendbar, die in der konstruktiven Ausführung von dem oben beschriebenen optischen Sender abweichen.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Optischer Sender mit rauscharmer innerer Modulation durch Stabilisierung des Frequenzabstandes der Longitudmalschwingungskomponenten, dessen innerhalb eines optischen Resonators angeordneter, elektrooptischer Kristall normal zur stimulierten Strahlung verlaufende Stirnflächen aufweist, die mit Prismen in Berührung stehen, deren Außenflächen im Brewsterwinkel zur stimulierten Strahlung verlaufen, dadurch gekennzeichnet, daß in Doppelausnutzung des elektrooptischen Kristalls (21) an diesen parallel zu einer Signalspannungsquelle (14) eine Erregersignalquelle (16) angekoppelt ist, deren Erregersignalfrequenz im wesentlichen gleich der Grundresonanzfrequenz des optischen Resonators (gegeben durch den Quotient aus Lichtgeschwindigkeit und die doppelte optische Weglänge [

bzw. einem ganzzahligen Vielfachen dieses Wertes ist, der zugleich den kleinsten Frequenzabstand zwischen zwei benachbarten möglichen Resonazen darstellt.

2. Optischer Sender nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Kristall (21) zwei Elektroden (15,4 und 155) vorgesehen sind, die für beide Koppelanordnungen gemeinsam dienen.

3. Optischer Sender nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch je ein eigenes Elektrodenpaar an dem Kristall für je eine Koppelanordnung (14,16).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen