DE1564429C

DE1564429C - Modulable optical transmitter (laser) for pulse-shaped light signals that can be coupled out

Info

Publication number: DE1564429C
Authority: DE
Inventors: Teiji Tokio Uchida
Original assignee: Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Publication date: 1971-01-28

Description

1 21 2

Die Erfindung betrifft einen modulierbaren optischen Phasenmitnahme vorgeschlagen, wonach auf die longi-Sender (Laser) für auskoppelbare impulsförmige Licht- tudinalen Eigenschwingungen der den Seitenbandsignale, dessen durch äußere Spiegel begrenzter komponenten zuzuschreibende Mitnahmeeffekt Anoptischer Resonator neben dem stimulierbaren Me- Wendung findet. Diese Seitenbandkomponenten bedium einen in Längsrichtung mit Hochfrequenz 5 ruhen auf der Intensitätsmodulation des Laserlichts, steuerbaren elektro-optischen Kristall enthält, dessen die durch ein Hilfssignal nahezu gleicher Frequenz Stirnflächen im wesentlichen senkrecht zu einer in wie der theoretische Wert des Frequenzabstandes/,, Richtung der geometrischen Resonatorachse ver- erzeugt wird. An Stelle dieser erzwungenen Stabili-Iaufenden optischen Kristallachse geschnitten sind sierung des Frequenzabstandes durch das von außen und der mit einem doppelbrechenden Prisma zu- ■ w kommende Erregungssignal ist auch eine Eigensammenarbeitet, von dem mindestens die Normale phasenmitnahme möglich, wobei die Laserschwingung seiner dem elektro-optischen Kristall abgewandten verstärkt wird, wogegen die mechanische Schwingung Begrenzungsfläche mit der Lichtrichtung den Brewster- und andere· Störeinflüsse unterdrückt werden. Dabei sehen Winkel bildet und das so ausgerichtet ist, daß nutzt man die Nichtlinearität dritter Ordnung der seine optische Achse senkrecht oder parallel zur 15 Laserwirkung aus. Diese Eigenphasenmitnahme ist Polarisationsebene des stimulierten Lichts verläuft, in einer Arbeit 9 p-G-1 Odes Erfinders vor der Arbeitswöbei die Pulsfolge mittels einer dem elektro-opti- gruppe für Eigenschaften der Materie auf der Frühschen Kristall zugeführten Hilfsfrequenz in der Grund- jahrstagung 1965 der Physikalischen Gesellschaft frequenz t/2L des optischen Resonators oder einer von Japan sowie in einer Arbeit »Characteristics of niederen Harmonischen davon stabilisiert ist. 20 Mode-Coupled-Lasers«, veröffentlicht von M. H.The invention relates to a modulatable optical phase entrainment proposed, according to which the longi transmitter (laser) for decoupling pulse-shaped light tudinal natural oscillations of the sideband signals, whose entrainment effect, limited by external mirrors, is attributable to the anoptical resonator next to the stimulable measurement. These sideband components bedium an in the longitudinal direction with high frequency 5 resting on the intensity modulation of the laser light, contains controllable electro-optical crystal, the end faces of which by an auxiliary signal almost the same frequency are essentially perpendicular to a in as the theoretical value of the frequency spacing / ,, direction of the geometric Resonator axis is generated. In place of these forced Stabili-track being crystal optical axis are cut tion of the frequency separation by the outside and the supply with a birefringent prism ■ w coming excitation signal is also an Eigensammenarbeitet, phase driving of the at least the normal possible, whereby the laser oscillation its side facing the electro- The mechanical oscillation of the boundary surface with the direction of light, the Brewster and other interfering influences are suppressed. It forms an angle and is aligned in such a way that the third-order non-linearity of its optical axis is perpendicular or parallel to the laser effect. This self-phase entrainment is the polarization plane of the stimulated light, in a work 9 pG-1 Odes inventor in front of the Arbeitswöbei the pulse train by means of an auxiliary frequency supplied to the electro-opti group for properties of matter on the Frühschen crystal in the foundation year conference 1965 of the physical society frequency t / 2 L of the optical resonator or one of Japan as well as in a work »Characteristics of lower harmonics thereof is stabilized. 20 Mode Coupled Lasers «, published by MH

Ein solcher optischer Sender ist bereits aus »Applied Crowell in »IEEE Journal of Quantum Elec-Optics«, Bd. 4, Nr. 1, Januar 1965, S. 123 bis 127, tronics«, 1965, April, Bd. QE-I, Nr. 1, S. 12 bis 20, bekannt und in den deutschen Auslegeschriften beschrieben und nicht im einzelnen erläutert.
1 281 068 und 1 283 980 vorgeschlagen, wo ein Modu- Durch weitere Versuche konnte bestätigt werden, lator in Form eines elektro-optischen Kristalls inner- 25 daß das Ausgangslicht eines Lasers, dessen Frequenzhalb eines aus zwei Spiegeln gebildeten Resonators abstände für die longitudinalen Eigenschwingungen angeordnet ist. Der Kristall wird sowohl als Modu- durch erzwungene oder Eigenphasenmitnahme stabililator wie als Taktgeber ausgenutzt. Die Ausgangs- siert sind, im Gegensatz zum Ausgangslicht eines strahlung wird in Form einer ungedämpfen Träger- Lasers, dessen Phase nicht stabilisiert ist und der welle erhalten, welche durch das Sendesignal eine 30 somit Abweichungen und zeitliche Änderungen der Intensitäts- oder Frequenzmodulation erhält. Eine Frequenzabstände aufweist, nicht nur in frequenzsolchei Anordnung ist zur übertragung eines Sende- mäßiger, sondern auch in zeitlicher Hinsicht in Form signals in Form eines Analogsignals, z. B. in Form einer Impulsfolge vorliegt, deren Wiederholungsdes Ton- oder Bildsignals, oder in Form eines durch frequenz etwa dem Wert/_P gleich ist. Daß das Aus-Frequenzteilung gebildeten Hilfsträgers für solche 35 gangslicht eines Lasers mit festen Frequenzabständen Analogsignale ausreichend. Eine solche Anordnung aus Impulsen einer festen Wiederholungsfrequenz ist jedoch zur übertragung impulsförmiger Signale gebildet wird, ist auch von L. E. Hargrove et beispielsweise eines Puls-Cöde-Modulations-iPCM-) al. in »Applied Physics Letters«, I. Juli 1964 (Bd. 5, Signals unzureichend. Nr. 1) S. 4 und 5, beschrieben. Es ist auch bekannt,Such an optical transmitter is already from "Applied Crowell in" IEEE Journal of Quantum Elec-Optics ", Vol. 4, No. 1, January 1965, pp. 123 to 127, tronics", 1965, April, Vol. QE-I , No. 1, pp. 12 to 20, known and described in the German Auslegeschriften and not explained in detail.
1,281,068 and 1,283,980 suggested where a modulator could be confirmed in the form of an electro-optical crystal inside that the output light of a laser, the frequency of which was spaced within a resonator formed from two mirrors, for the longitudinal natural oscillations is arranged. The crystal is used both as a modulator through forced or self-phase entrainment and as a clock generator. In contrast to the output light of a radiation, the output is in the form of an undamped carrier laser, the phase of which is not stabilized, and the wave that receives deviations and temporal changes in the intensity or frequency modulation from the transmitted signal. Having a frequency spacing, not only in a frequency-specific arrangement, is necessary for the transmission of a broadcast, but also in terms of time in the form of a signal in the form of an analog signal, e.g. B. in the form of a pulse train, the repetition of the audio or video signal, or in the form of a frequency approximately equal to _{the value / P.} That the subcarrier formed from frequency division is sufficient for such 35 input light from a laser with fixed frequency intervals analog signals. Such an arrangement of pulses of a fixed repetition frequency is, however, formed for the transmission of pulse-shaped signals, is also from LE Hargrove et, for example, a pulse-Cöde-Modulations-iPCM-) al. in "Applied Physics Letters", I. July 1964 (Vol. 5, Signals inadequate. No. 1) pp. 4 and 5. It is also known

Anwendungsgebiet der Erfindung ist die Ver- 40 daß ein Mikrowellenoszillätor Impulse mit hoherThe field of application of the invention is the 40 that a microwave oscillator pulses with high

wendung eines optischen Senders der genannten Art Wiederholungsfrequenz erzeugt, wenn der Frequenz-Use of an optical transmitter of the type mentioned generates a repetition frequency if the frequency

zur übertragung eines impulsförmigen Signals mit abstand Tür die entstehenden FrequenzkomponentenFor the transmission of a pulse-shaped signal with distance from the door, the resulting frequency components

möglichst hoher übertragungsgüte und hoher über- der verschiedenen Eigenschwingungen stabilisiert istThe highest possible transmission quality and higher than the various natural vibrations is stabilized

tragungsfrequenz. (vgl. C. C. C u 11 e r in »Proceedings of the IRE«,transmission frequency. (cf. C. C. C u 11 e r in "Proceedings of the IRE",

Die Erfindung geht davon aus, daß ein optischer 45 1955, Februar [Bd. 43, Nr. 2], S. 140 bis 148).The invention assumes that an optical 45 1955, February [vol. 43, No. 2], pp. 140 to 148).

Sender (Laser) unter im folgenden noch genauer A. Yariv gibt in »Journal of Applied Physics«,Transmitter (laser) under A. Yariv, more precisely below, gives in "Journal of Applied Physics",

erläuterten Bedingungen als Impulsgenerator mit 1965, Februar (Bd. 36, Nr. 2), S. 388 bis 391, eineexplained conditions as a pulse generator with 1965, February (Vol. 36, No. 2), pp. 388 to 391, a

sehr hoher Wiederholungsfrequenz dienen kann. Da- quantitative Analyse, woraus sich ergibt, daß einevery high repetition frequency. Da- quantitative analysis, from which it follows that a

bei soll ein impulsförmiges Sendesignal mit hoher Ausgangsstrahlung mit einem Spektrum, deren Fre-with a pulse-shaped transmission signal with high output radiation with a spectrum whose frequency

Ubertragungsgüte durch Ein-Aus-Steuerung jedes ein- 50 quenzabstand zwischen den longitudinalen Eigen-Transmission quality through on-off control every single sequence distance between the longitudinal properties

zelnen Ausgangsimpulses des Impulsgenerators auf schwingungen stabilisiert ist, aus Impulsen mit festemindividual output pulse of the pulse generator is stabilized on vibrations, from pulses with fixed

Grund des entsprechenden Informationsimpulses des Zeitabstand besteht, d. h. mit konstanter Wieder-The reason for the corresponding information pulse is the time interval, d. H. with constant re

Sendesignals ausgesandt werden. Bekanntlich ist der holungsfrequenz. Diese Ergebnisse werden im folgen-Transmission signal are sent out. As is well known, the frequency of recovery. These results are presented in the following

Resonanzfrequenzabstand/,, einer Vielzahl longitu- den angegeben.Resonance frequency spacing / ,, specified in a multitude of longitudes.

dinaler Eigenschwingungen, die zu einer transversalen 55 Wenn man annimmt, daß η longitudinale Eigen-dinal natural vibrations, which lead to a transversal 55 If one assumes that η longitudinal natural

Eigenschwingung (beispielsweise dem T£M„₍₎-Modus) schwingungen gleicher Stärke in einer einzigen trans-Natural oscillation (for example the T £ M " ₍₎ mode) oscillations of the same strength in a single trans-

eines optischen Senders innerhalb einer Halbwerts- versalen Eigenschwingung TEM_m enthalten sindof an optical transmitter are contained within a half-value uppercase natural oscillation TEM _m

breite von etwa 10(K) MHz gehören, näherungsweise und daß der Frequenzabstand J], zwischen benach-width of about 10 (K) MHz belong approximately and that the frequency spacing J], between adjacent

,. _ ' . harten longitudinalen Eigenschwingungen der An-,. _ '. hard longitudinal natural vibrations of the

•'p ~ ^c' 60 zahl η auf den obigen Wert des Frequenzabstandes mit c als Lichtgeschwindigkeit und L als optischer• 'p ~ ^c ' 60 number η to the above value of the frequency spacing with c as the speed of light and L as the optical

Weglänge zwischen den Spiegeln des optischen Reso- f_p - V/2L = Hi₁JIn
nators. Der Frequenzabstand ändert sich jedochPath length between the mirrors of the optical resolver _p - V / 2 L = Hi ₁ JIn
nators. However, the frequency spacing changes

infolge der nichtlinearen Komponenten der Laser- eingestellt ist, ergibt sich die elektrische Feldstärkeas a result of the non-linear components of the laser is set, the result is the electric field strength

Wirkung zeitlich, wodurch sich ein Rauschanteil in ⁶5 C₁, (/) der a-ten longitudinalen Eigenschwingung unterEffect in time, whereby a noise component is reflected in ⁶ 5 C ₁ , (/) of the a-th longitudinal natural oscillation

der Laserstrahlung ergibt. Zur Stabilisierung der den 11 longitudinalen Eigenschwingungen bei einerthe laser radiation results. To stabilize the longitudinal natural vibrations of the 11

Frequenzabständc ist bereits in der deutschen Aus- Zählung von der Mittenfrequcn/. im Sinne einerFrequency spacing is already in the German count from the center frequency /. in the sense of

legeschrift I 283 980 eine erzwungene gegenseitige ansteigenden Frequenz zuLegeschrift I 283 980 a forced mutual increasing frequency

mit E als Amplitude der elektrischen Feldstärke, m„ als Kreisfrequenz der Eigenschwingung, die in der Mitte des Spektrums steht, und mit A als Phase der Schwebungskomponente zwischen benachbarten longitudinalen Eigenschwingungen. Die resultierende elektrische . Feldstärke C„(t) der η longitudinalen Eigenschwingungen ist durch folgende Gleichung gegeben:with E as the amplitude of the electric field strength, m "as the angular frequency of the natural oscillation, which is in the middle of the spectrum, and with A as the phase of the beat component between adjacent longitudinal natural oscillations. The resulting electrical. Field strength C "(t) of the η longitudinal natural vibrations is given by the following equation:

E · e E · e

a = -(η-D/2 a = - (η-D / 2

2 sin [4" (<V
!2 sin [4 "(<V
!

+ 4)Jsin[y(w_pt + ^)]+ 4) Jsin [y (w _p t + ^)]

1010

1515th

1 — cos (u>_pt + A) 1 - cos (u> _p t + A)

E ■ e ■/'"< >' E ■ e ■ / '"<>'

sin [η (m„t + Α)/2]
sin [Kt + Λ)/2] 'sin [η (m "t + Α) / 2]
sin [Kt + Λ) / 2] '

2020th

infolgedessen ergibt sich die Gesamtausgangsleistung P (t) des Lasers zuas a result, the total output power P (t) of the laser results in

= C (t) ■ C*(t) = = C (t) ■ C * (t) =

■«-■ «-

1-- cos (w_pt + Λ)1-- cos (w _p t + Λ)

wo C₁*{t) und C„(f) zueinander konjugiert komplex sind. Aus dieser Gleichung erkennt man, daß für große η die Ausgangsstrahlung des Lasers aus scharfen Impulsen mit einer Wiederholungsfrequenz μ Jl.η bzw. /J, besteht. Die Tatsache, daß die Wiederhplungsfrequenz näherungsweise cj2L beträgt, läßt darauf schließen, daß bei einem Laser mit Phasenstabilisierung ein optischer Impuls zwischen den um einen Abstand L voneinander getrennten Spiegeln mit Lichtgeschwindigkeit c hin und her läuft bzw. daß der optische Impuls die. Ausgangsseite (beispielsweise einen Spiegel) der Anordnung jeweils nach einem Periodenintervall von 2L/c erreicht, so daß man eine Ausgangsimpulsfolge mit einer Wiederholungsfrequenz cßL erhält. where C ₁ * {t) and C “(f) are complex conjugate to one another. From this equation it can be seen that for large η the output radiation of the laser consists of sharp pulses with a repetition frequency μ Jl.η or / J. The fact that the repetition frequency is approximately cj2L suggests that, in a laser with phase stabilization, an optical pulse travels back and forth between the mirrors separated by a distance L at the speed of light c , or that the optical pulse travels back and forth at the speed of light c. The output side (for example a mirror) of the arrangement is reached after a period interval of 2L / c , so that an output pulse train with a repetition frequency cßL is obtained.

Aufgabe der Erfindung ist bei einem Laser der genannten Art mit stabiler Wiederholungsfrequenz die Schaffung einer Anordnung, bei der die Impulsaussendung so lange unmöglich ist, als die Ein-Aus-Steuerung nicht genau synchron mit der Ausgangsimpulsfolge erfolgt.The object of the invention is with a laser of the type mentioned with a stable repetition frequency to provide an arrangement in which pulse transmission is impossible as long as on-off control does not take place exactly synchronously with the output pulse train.

Die Erfindung erreicht dies durch seine Verwendung für Puls-Code- oder Delta-Modulation, indem dem mit Gleichspannung vorgespannten elektrooptischen Kristall synchron zur Hilfsfrequenz des Taktimpulsgenerators das Pulssignal des Codeimpulsgenerators gegenphasig eingegeben wird.The invention achieves this through its use for pulse-code or delta modulation by using the DC voltage biased electro-optical Crystal synchronous to the auxiliary frequency of the clock pulse generator the pulse signal of the code pulse generator is entered out of phase.

Die Erfindung ermöglicht somit die Steuerung bzw. Tastung der Ausgangsimpulse eines Lasers der genannten Art, so daß eine Codierung der Sendeimpulse und damit eine Informationsübertragung möglich ist.The invention thus enables the control or sampling of the output pulses of a laser of the aforementioned Kind, so that a coding of the transmission pulses and thus an information transfer is possible.

Einzelheiten der Erfindung sind unter Bezugnahme auf die zugehörige Zeichnung erläutert.Details of the invention are explained with reference to the accompanying drawing.

Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch eine Ausführungsform der Erfindung, in der einzelne Schaltelemente in Blockform dargestellt sind, undFig. 1 shows a longitudinal section through an embodiment the invention, in which individual switching elements are shown in block form, and

F i g. 2 vereinfachte Wellenformen zur Erläuterung der Arbeitsweise der Erfindung.F i g. 2 simplified waveforms to explain the operation of the invention.

Ein optischer Sender im Sinne der Erfindung besteht nach Fig. 1 aus einer Gasentladungsröhre 11 mit einem stimulierbaren Medium und mit Brewsterschen Fenstern WA und llß, deren Normalen jeweils den Brewsterschen Winkel mit der Röhrenachse bilden, aus einem Spiegel 12/4, der zusammen mit einem Spiegel 12ß einen optischen Resonator bildet, aus einem Modulator 20 und einer Modulationssignalschaltung 30 zur Zuführung der Modulationsspannung zu dem Modulator 20.An optical transmitter within the meaning of the invention consists according to FIG. 1 of a gas discharge tube 11 with a stimulable medium and with Brewster's windows WA and llß, whose normals each form the Brewster's angle with the tube axis, from a mirror 12/4, which together with a Mirror 122 forms an optical resonator, made up of a modulator 20 and a modulation signal circuit 30 for supplying the modulation voltage to the modulator 20.

Der Modulator 20 selbst umfaßt einen Kristall 21 in Form eines Kaliumdihydrophosphat-(KDP-)Einkristalls oder eines anderen Kristalls mit geringer Absorption und großem elektro-optischen Effekt, d.h., der Kristall bewirkt unter dem Einfluß des elektrischen Feldes -in Richtung der optischen Achse (Z-Achse) des Kristalk eine Drehung der Polarisationsebene des in Richtung der optischen Achse einfallenden und in der Zeichenebene schwingenden Lichts. Der Kristall ist quaderförmig geschnitten und mit seiner Längsseite in Richtung der optischen Achse ausgerichtet. Weiterhin gehört zu dem Modulator ein doppelbrechendes Prisma 13 aus Kalkspat, das in Form eines dreieckförmigen Prismas geschnitten ist, wobei eine erste Seitenfläche senkrecht zur optischen Achse und parallel zu seiner eigenen Achse ausgerichtet ist und mit einer zweiten Seitenfläche, die zusammen mit der ersten Seitenfläche als Eintrittsbzw. Austrittsfläche für das Licht dient, einen Winkel bildet, der dem Komplementwinkel (etwa 34°) des Brewsterschen Winkels für den Brechungsindex (etwa 1,49) des außerordentlichen Strahls gleich ist. Die erste Seitenfläche ist mit einem optischen Klebemittel an eine Stirnfläche des Kristalls 21 derart angesetzt, daß seine optische Achse parallel zur X- oder y-Achse des Kristalls 21 liegt. Ein weiterer Spiegel 12 B ist an die andere Stirnfläche des Kristalls 21 angesetzt und begrenzt so zusammen mit dem erstgenannten Spiegel 12/1 den optischen Resonator. In'der Nähe der Stirnflächen des Kristalls 21 befinden sich zwei Elektroden 22 A und 22B, damit man an den Kristall in Längsrichtung eine Modulationsspannung der Modulationssignalschaltung 30 anlegen kann.The modulator 20 itself comprises a crystal 21 in the form of a potassium dihydrophosphate (KDP) single crystal or another crystal with low absorption and a large electro-optical effect, that is, the crystal effects under the influence of the electric field in the direction of the optical axis ( Z-axis) of the crystal a rotation of the plane of polarization of the light incident in the direction of the optical axis and oscillating in the plane of the drawing. The crystal is cut cuboid and its long side is aligned in the direction of the optical axis. The modulator also includes a birefringent prism 13 made of calcite, which is cut in the shape of a triangular prism, a first side surface being perpendicular to the optical axis and parallel to its own axis and with a second side surface, which together with the first side surface as Entry or The exit surface for the light forms an angle which is equal to the complement angle (about 34 °) of the Brewster's angle for the refractive index (about 1.49) of the extraordinary ray. The first side face is attached to an end face of the crystal 21 with an optical adhesive in such a way that its optical axis is parallel to the X or y axis of the crystal 21. Another mirror 12 B is attached to the other end face of the crystal 21 and thus delimits the optical resonator together with the first-mentioned mirror 12/1. In the vicinity of the end faces of the crystal 21 there are two electrodes 22 A and 22 B so that a modulation voltage of the modulation signal circuit 30 can be applied to the crystal in the longitudinal direction.

Zu der Modulationssignalschaltung 30 gehören ein Taktimpulsgenerator 31 zur Erzeugung einer Hilfsfrequenz im wesentlichen gleich der Frequenz/_p, ein Codeimpulsgenerator 33, in den einerseits über eine Eingangsklemme 32 das zu sendende Informationssignal und andererseits die Hilfsfrequenz des Taktimpulsgenerators 31 eingespeist werden und der ein Puls-Code-Modulations-(PCM-)Signal erzeugt, dessen Schrittfrequenz der Hilfsfrequenz gleich ist, ein Steuerimpulsgenerator 34 zur Erzeugung eines eine Amplitude und Polarität der noch unten erläuterten Größe aufweisenden Impulses jeweils, wenn den Ausgang des Codeimpulsgenerators 33 den Wert »()« anzeigt, ein Verstärker 35 für die Hilfsfrequenz, ein Anschlußteil 36 zum Verbinden der Ausgänge des Steuerimpulsgenerators 34 und des Verstärkers 35 mit den Elektroden 22A und 22 B sowie eine Gleichvorspannungsquelle 37, die ebenfalls an den Anschlußteil 36 angekoppelt ist und den Hilfsimpulsen eine Gleichspannung überlagert, deren Größe noch im einzelnen erläutert wird. Der Taktimpulsgenerator 31 und der Codeimpulsgenerator 33 können als herkömmlicher frequenzstabilisierter Höchstfrequenz-Sinusoszillator bzw. als Schnellcodierer ausgebildet sein, wie es für die Umwandlung von Sendesignalen in ein Zeitmultiplex-PCM-Signal erforderlich ist. Der Steuerimpulsgenerator 34 kann als herkömmlicherThe modulation signal circuit 30 includes a clock pulse generator 31 for generating an auxiliary frequency essentially equal to the frequency / _p , a code pulse generator 33, into which on the one hand the information signal to be transmitted and on the other hand the auxiliary frequency of the clock pulse generator 31 are fed via an input terminal 32 and a pulse code -Modulation (PCM) signal is generated, the step frequency of which is the same as the auxiliary frequency, a control pulse generator 34 for generating a pulse having an amplitude and polarity of the size explained below when the output of the code pulse generator 33 shows the value "()", an amplifier 35 for the auxiliary frequency, a connection part 36 for connecting the outputs of the control pulse generator 34 and the amplifier 35 with the electrodes 22A and 22 B and a DC bias source 37, which is also coupled to the connecting part 36 and superimposed on the auxiliary pulses of a DC voltage whose magnitude still im a is explained in detail. The clock pulse generator 31 and the code pulse generator 33 can be designed as a conventional frequency-stabilized ultra-high frequency sine oscillator or as a high-speed encoder, as is necessary for converting transmission signals into a time-division multiplex PCM signal. The control pulse generator 34 can be as conventional

Impulsgenerator aufgebaut sein, der nur auf »^-Impulse anspricht. Diese Schaltbauteile werden hier nicht im einzelnen erläutert.Be built a pulse generator, which only on »^ -impulses appeals to. These switching components are not explained in detail here.

Beim Anlegen der Modulationsspannung an die Elektroden 22 A und 22 B des Kristalls 21 tritt aus dem doppelbrechenden Prisma 13 längs einer gestrichelten Linie 41 nach Fig. 1 ein moduliertes Ausgangslichtbündel aus, das der Modulationsspannung entspricht und dessen Polarisationsebene senkrecht zur Papierebene, d.h. senkrecht zur Polarisationsebene des innerhalb des optischen Resonators hin- und herlaufenden Lichtbündels liegt. Wie bereits an anderer Stelle ausgeführt, wird die Stabilisierung der longitudinaien Schwingungskomponenten durch Anlegen von Hilfsimpulsen der Frequenz/,, an die Elektroden 22 A und 22 B erreicht, wodurch der Gütefaktor Q des optischen Resonators moduliert wird, wie noch im einzelnen erläutert wird. Auf Grund dieser Stabilisierung wird das Ausgangslichtbündel, das längs der gestrichelten Linie 41 austritt, zu einer Impulsfolge, die aus Impulsspitzen mit einer Wiederholungsfrequenz f_p besteht. Die Wiederholungsfrequenz f_p ist bei einer optischen Weglänge L zwischen den beiden Spiegeln von etwa 1 m nahezu gleich 150 MHz, entsprechend der bereits genannten Gleichung r/2L, wonach ein optischer Impuls mit der Lichtgeschwindigkeit c über die optische Wcglängc L innerhalb eines solchen optischen Resonators hin- und hergeht. Da die optische Weglänge innerhalb des Modulators 20 etwa 2 cm beträgt und im Vergleich zur optischen Weglänge L = Im genügend kurz ist, kann die für den Durchtritt durch den Modulator 20 benötigte Ausbreitungszeit für das folgende vernachlässigt werden. An Hand der durchgeführten Versuche konnte geklärt werden, daß jeder einzelne, innerhalb des optischen Resonators hin- und herlaufende Impuls den Modulator 20 in einem solchen Zeitpunkt erreicht, zu dem der Gütefaktor Q des Resonators in Abhängigkeit von den Hilfsimpulsen einen Maximalwert erreicht und daß ein Teil der Energie des optischen Impulses in Form eines modulierten Lichtbündels längs der gestrichelten Linie 41 erscheint.When the modulation voltage is applied to the electrodes 22 A and 22 B of the crystal 21, a modulated output light beam emerges from the birefringent prism 13 along a dashed line 41 according to FIG of the light beam traveling back and forth within the optical resonator. As already stated elsewhere, the stabilization of the longitudinal vibration components is achieved by applying auxiliary pulses of frequency / ,, to the electrodes 22 A and 22 B , whereby the quality factor Q of the optical resonator is modulated, as will be explained in detail below. As a result of this stabilization, the output light bundle which emerges along the dashed line 41 becomes a pulse train consisting of pulse peaks with a repetition frequency f _p . The repetition frequency f _p is almost equal to 150 MHz with an optical path length L between the two mirrors of about 1 m, according to the already mentioned equation r / 2L, according to which an optical pulse with the speed of light c over the optical path length L within such an optical resonator goes back and forth. Since the optical path length within the modulator 20 is approximately 2 cm and is sufficiently short in comparison to the optical path length L = Im, the propagation time required for the passage through the modulator 20 can be neglected for the following. On the basis of the tests carried out, it was possible to clarify that each individual pulse reciprocating within the optical resonator reaches the modulator 20 at a point in time at which the quality factor Q of the resonator reaches a maximum value as a function of the auxiliary pulses and that a part of the energy of the optical pulse appears in the form of a modulated light beam along the dashed line 41.

In F ig. 2.ist in Abhängigkeit von der auf der Abszisse aufgetragenen Zeit t eine Spannung V_n (Fig. 2a) dargestellt, welche durch überlagerung einer Gleichvorspannung V_dl. mit der Hilfsimpulsfrequcnz V₁ cos 2 oij_pt' gebildet ist. Diese Frequenz wirkt nach Verstärkung in dem Verstärker 35 als einzige auf den Kristall 21 ein, solange sonst kein PCM-Steuersignal von Seiten des Steuerimpulsgenerators 34 vorhanden ist. Somit erzeugt der Sender aus dem doppelbrechenden Prisma 13 längs der gestrichelten Linie 41 austretende Ausgangsimpulse P,, (Fig. 2b), die mit den Minima s der Spannung V₁₁ synchron liegen, in denen der Gütefaktor Q des optischen Resonators einen Maximalwert erreicht. Wie man erkennt, muß die Gleichvorspannung V_äi. größer als die Amplitude der Hilfsimpuise sein.In Fig. 2. As a function of the time t plotted on the abscissa, a voltage V _n (Fig. 2a) is shown, which by superimposing a DC bias voltage V _dl . with the auxiliary pulse frequency V ₁ cos 2 oij _p t 'is formed. After amplification in the amplifier 35, this frequency acts as the only one on the crystal 21 as long as no PCM control signal from the control pulse generator 34 is otherwise present. The transmitter thus generates output pulses P ,, (FIG. 2b) emerging from the birefringent prism 13 along the dashed line 41, which are synchronous with the minima s of the voltage V ₁₁ , in which the quality factor Q of the optical resonator reaches a maximum value. As can be seen, the DC bias voltage V _äi . be greater than the amplitude of the auxiliary impulses.

Die Beziehung zwischen der genannten Spannung V_n und der optischen Ausgangsimpulswellenform P₁, soll nunmehr quantitativ genauer untersucht werden. Wenn die Intensität des in der Anordnung erzeugten Lichts, das bezüglich Fig. 1 von links auf den Modulator 20 einfällt, mit /„ bezeichnet wird, ergibt sich die Intensität / des Ausgangslichlbündels. das durch die an den Elektroden 22.4 und 22 B anliegende Spannung V moduliert wird und sich längs der gestrichelten Linie 41 ausbreitet, nach der Abhandlung in »Proceedings of the IRE«, April (Bd. 50, Nr. 4) 1962, S. 452 bis 456, Gleichung (6) auf S. 454 dieser Arbeit, zuThe relationship between said voltage V _n and the optical output pulse waveform P _{1 will} now be quantitatively examined in more detail. If the intensity of the light generated in the arrangement, which is incident on the modulator 20 from the left with respect to FIG. 1, is denoted by /, the result is the intensity / of the output light bundle. which is modulated by the voltage V applied to the electrodes 22.4 and 22 B and propagates along the dashed line 41, according to the discussion in "Proceedings of the IRE", April (vol. 50, no. 4) 1962, p. 452 to 456, equation (6) on p. 454 of this work

ι-ι.ι-ι.

mit V₀ als einer Konstanten in Abhängigkeit von der Wellenlänge des erzeugten Lichts und des Materialswith V ₀ as a constant depending on the wavelength of the generated light and the material

ίο des Kristalls 21 und k als Reflexionskoeffizient für das Licht, das auf die Austrittsflächc des doppelbrcchenden Prismas auffällt und längs der gestrichelten Linie 41 austritt. Andererseits ergibt sich die genannte Spannung V_n als Differenz zwischen der Gleichvorspannung K_l((. und der Taktimpulswellenform V₁ cos 2i»f_pt zuίο of the crystal 21 and k as the reflection coefficient for the light which falls on the exit surface of the double-fracture prism and emerges along the dashed line 41. On the other hand, the mentioned voltage V _n results as the difference between the DC bias voltage K _{l ((} . And the clock pulse waveform V ₁ cos 2i >> f _p t zu

V_n = V₁₁₁.- V₁ cos 2.-7./,/ (2) V _n = V ₁₁₁ .- V ₁ cos 2.-7./,/ (2)

(auf der rechten Seite der Gleichung (2) muß genaugenommen die Summe angegeben werden, doch ist.hier zur Vereinfachung der Erläuterung die Differenz angegeben, im Hinblick darauf, daß der zweite Term der rechten Seite eine Kosinusfunktion ist). Damit ergibt sich die Intensität / des optischen Ausgangsimpulses aus den Gleichungen (1) und (2) zu(Strictly speaking, the sum must be given on the right-hand side of equation (2), but is. here, to simplify the explanation, the difference is given, with a view to the fact that the second Term on the right is a cosine function). This results in the intensity / of the optical Output pulse from equations (1) and (2)

V_d, -V₁ V _d , -V ₁ cos 2 .-7.cos 2.-7.

AL],-,AL], -,

woraus man erkennt, daß das erzeugte Licht eine Intensitätsmodulation mit der Schrittfrequenzj\, so lange aufweist, als die Gleichvorspannung größer als die Amplitude der Hilfsimpuise ist. Man erkennt ferner, daß die Intensität / den Maximalwert, also der Gütefaktor Q des optischen Resonators den Maximalwert erreicht, wenn der Zähler (V_lU . — V₁ cos2^f_pt) des Bruches auf der rechten Seite der Gleichung (3) den Minimalwert |^,.|— V₁ erreicht. Nach der vorigen Beschreibung trifft jeweils in diesen Zeitpunkten ein optischer Impuls auf den Modulator 20 auf. Ferner erkennt man, daß für eine positive Gleichvorspannung V_dl. das Anlegen eines Steuerimpulses — (Vfc—V,) von Seiten des Steucrimpulsgenerators 34 im Augenblick des Auftretens der Minimalspannung Kj₁. — V₁ den jeweils vorgesehenen Minimalwert unterdrückt, der zur Steuerung der Erzeugung des optischen Impulses erforderlich ist. Andererseits sind die optischen Impulse P₁, und die PCM-Steuerimpulse Ρ,-synchron zueinander, wie man aus den F i g. 2b und 2c entnimmt, da der Codeimpulsgencrator 33 impulssynchron mit dem Taktimpulsgenerator arbeitet. Folglich ist eine Ein-Aus-Steuerung der optischen Impulse möglich, so daß eine Ausgangsimpulsfolge P₁, (F i g. 2d) gemäß Gleichung (3) erzeugt wird. Die F.i g. 2c und 2d zeigen die Stcucrimpulsfolge P₁. und die Ausgangsimpulsfolge P_ä jeweils für eine Codeimpulsfolge (100110101) des Codeimpulsgenerators 33.from which it can be seen that the generated light has an intensity modulation with the step frequency j \, as long as the DC bias is greater than the amplitude of the auxiliary pulses. It can also be seen that the intensity / maximum value, _i.e. the quality factor Q of the optical resonator, reaches the maximum value when the numerator (V lU. - V ₁ cos2 ^ f _p t) of the fraction on the right-hand side of equation (3) denotes Minimum value | ^,. | - V ₁ reached. According to the description above, an optical pulse strikes the modulator 20 at each of these points in time. It can also be seen that for a positive DC bias V _dl . the application of a control pulse - (Vfc-V,) from the control crimp generator 34 at the moment when the minimum voltage Kj _{1 occurs} . - V ₁ suppresses the minimum value provided in each case, which is required to control the generation of the optical pulse. On the other hand, the optical pulses P ₁ and the PCM control pulses Ρ are synchronous with one another, as can be seen from FIGS. 2b and 2c, since the code pulse generator 33 operates in pulse-synchronism with the clock pulse generator. As a result, on-off control of the optical pulses is possible, so that an output pulse train P ₁ , (Fig. 2d) according to equation (3) is generated. The Fi g. 2c and 2d show the Stcucrimpulse sequence P ₁ . and the output pulse train P _ä each represents a code pulse sequence (100110101) of the code pulse generator 33rd

Zur Einstellung des Synchronismus zwischen den erzeugten optischen Impulsen P₁, und den Ausgangs-■ impulsen P₁. des Steuerimpulsgencrators 34 muß der obengenannte Frequenzabstand /,„ d.h. die Hilfs-To set the synchronism between the generated optical pulses P ₁ and the output ■ pulses P ₁ . of the control pulse generator 34, the above-mentioned frequency spacing /, "ie the auxiliary

frequenz. dem Wert c/2L möglichst genau gleich sein. Nach den durchgeführten Untersuchungen ergibt sich eine günstige Synchronisation, wenn die Frequenz /,, der Ililfsfrequen/. einige wenige kHz bis mehrere 100 kl I/ kleiner als der Wert c'2l. ist. Wenn die tatsächliche Hilfsfrequen/. von dem Nominalwert ab-frequency. be as exactly as possible equal to the value c / 2L. According to the investigations carried out, a favorable synchronization results when the frequency / ,, the auxiliary frequencies /. a few kHz to several 100 kl I / smaller than the value c'2l. is. If the actual auxiliary frequencies /. from the nominal value

weicht, kann diese Abweichung normalerweise durch eine Feineinstellung der optischen Weglänge zwischen den Spiegeln 12/1 und \2B' kompensiert werden.differs, this deviation can normally be compensated for by fine adjustment of the optical path length between the mirrors 12/1 and \ 2B '.

Wenn man auch eine Hilfsfrequenz f_n in der Nähe des Wertes t/2 L auswählt, haben die Versuche gezeigt, daß man unter Anwendung einer erzwungenen Stabilisierung durch eine Hilfsfrequenz größerer Amplitude und in der Nähe eines ganzzahligen Vielfachen von c/2L optische Ausgangsimpulse der gleichen Wiederholungsfrequenz wie der der Hilfsimpulse erhalten. •kann. Auf diese Weise ist es beispielsweise möglich, Ausgangsimpulse mit zweimal, dreimal und viermal so großer Wiederholungsfrequenz wie c/2L mit einem Helium-Neon-Gaslaser zu erhallen, dessen Spiegel 12/4 und Ϊ2Β durch eine optische Weglänge von 1 m voneinander getrennt sind. Es besteht sogar die Möglichkeit, optische Ausgangsimpulse mit fünfmal so hoher. Frequenz wie c/2L unter geeigneten Bedingun- · gen zu erhalten. Damit ist die Frequenz der Hilfsimpulse nicht unbedingt auf den obengenannten Wert beschränkt.If one also selects an auxiliary frequency f _n in the vicinity of the value t / 2 L, the experiments have shown that by using a forced stabilization by an auxiliary frequency of greater amplitude and in the vicinity of an integral multiple of c / 2L optical output pulses of the same Repetition frequency obtained as that of the auxiliary pulses. •can. In this way it is possible, for example, to obtain output pulses with two, three and four times as high a repetition frequency as c / 2L with a helium-neon gas laser whose mirrors 12/4 and Ϊ2Β are separated from one another by an optical path length of 1 m. There is even the possibility of optical output pulses five times as high. Frequency like c / 2L under suitable conditions. This means that the frequency of the auxiliary pulses is not necessarily limited to the above-mentioned value.

Man muß darauf achten, daß die Wiederholungsfrequenz der Sleuerimpulsfolge nicht größer als die halbe Hilfsfrequenz ist und daß diese beiden Signale eine verschiedene Frequenz aufweisen, damit sie über einen gemeinsamen Anschlußteil 36 an die Elektroden 22 A und 22 B angelegt werden können. Wenn man die beiden Signale sorgfaltig voneinander trennen muß, kann man an dem Kristall 21 zwischen den Elektroden 22 A und 22ß ein weiteres ähnliches Elektrodenpaar zum Anlegen der betreffenden Signale vorsehen. Zu diesem Zweck kann man auch einen weiteren, bereits an anderer Stelle vorgeschlagenen Modulator zwischen der Entladungsröhre 11 und dem Modulator 20 anordnen, wobei die Steuerimpulse und die Hilfsimpulse jeweils an verschiedenen Modulatoren anliegen, während die Gleichvorspannung ^; einem der beiden Modulatoren zugeführt wird. Mit diesen Abwandlungen ergeben die Hilfsfrequenz, der die Gleichvorspannung überlagert ist, und die Steuerimpulsfolge keine Summenspannung, doch errreicht man einen ähnlichen Modulationseffekt, da das erzeugte Licht durch beide Spannungen moduliert wird. Außerdem brauchen die Sieuerimpuäss nicht unbedingt mit der oben beschriebenen Polarität zur Verfügung stehen, doch müssen sie eine solche Polarität und Größe aufweisen, daß optische Ausgangsimpulse in Richtung der gestrichelten Linie 41 nur dann erzeugt werden, wenn das Ausgangssignal des Codeimpulsgenerators 33 dem Wert »1« entspricht. Mit einer Anordnung nach der Erfindung können nicht nur PCM-Signale übertragen werden, sondern auch Signale jeder anderen ImpuMorm, beispielsweise Signale mit Deltamodulation.Care must be taken that the repetition frequency of the Sleuerimpulsfolge is not greater than half the auxiliary frequency and that these two signals have a different frequency so that they 22 A and 22 B can be applied via a common terminal portion 36 to the electrodes. If it is necessary to separate the two signals from each other carefully, one can provide for applying the respective signals to the crystal 21 between the electrodes 22 A and 22ß another similar pair of electrodes. For this purpose, a further modulator, already proposed elsewhere, can be arranged between the discharge tube 11 and the modulator 20, the control pulses and the auxiliary pulses each being applied to different modulators, while the DC bias ^; is fed to one of the two modulators. With these modifications, the auxiliary frequency, on which the direct bias voltage is superimposed, and the control pulse sequence do not result in a total voltage, but a similar modulation effect is achieved, since the light generated is modulated by both voltages. In addition, the Sieuerimpuäss need not necessarily be available with the polarity described above, but they must have such a polarity and size that optical output pulses in the direction of the dashed line 41 are generated only when the output signal of the code pulse generator 33 has the value "1" is equivalent to. With an arrangement according to the invention, not only PCM signals can be transmitted, but also signals of any other ImpuMorm, for example signals with delta modulation.

Claims

Claim:

Modulable optical transmitter (laser) for out-. couplable pulse-shaped light signals, whose The optical resonator, limited by external mirrors, belts the stimulating medium Contains electro-optical crystal which can be controlled in the longitudinal direction with high frequency, the end faces of which essentially perpendicular to one running in the direction of the geometric resonator axis optical crystal axes are cut and the one with a birefringent prism cooperates, of which at least the normal of its the electro-optical crystal facing away The boundary surface forms the Brewster's angle with the direction of light and that way is aligned that its optical axis is perpendicular or parallel to the plane of polarization of the stimulated Liehts runs, the pulse train being fed to the electro-optical crystal by means of a pulse train Auxiliary frequency in the fundamental frequency c / 2L of the optical resonator or a lower harmonic of which is stabilized, marked by using it for pulse code or delta modulation by using DC voltage (F ^.) Biased electro-optical Crystal (21) synchronously with the auxiliary frequency of the clock pulse generator (31) the pulse signal of the code pulse generator (33) is input in phase opposition.

1 sheet of drawings 009 685/180