DE1564682C3 - Anordnung zur verzerrungsarmen Übertragung einer Information mittels innerer Modulation kohärenter optischer Strahlung als Träger sowie Einrichtung hierfür - Google Patents

Description

steuerbarer linearer elektrischer Doppelbrechung, hierunter vorzugsweise Kupfer-I-Chlorid oder KDP-Einkristalle oder entsprechende Gläser, sowie auch Stoffe mit steuerbarem Faradayeffekt mit großer Verdetscher Konstante in Frage.

Die Auswahl betrifft die Verwendung von Medien, die im feldfreien Zustand keine Auskopplung von Strahlung hervorrufen, z. B. solche ohne natürliche Doppelbrechung. Die Justierung betrifft die entsprechende Ausrichtung von sonstigen in Frage kommenden steuerbaren Medien, die auch im feldfreien Zustand eine Auskopplung hervorrufen können, z. B. natürlich doppelbrechende Materialien sind.

Für das Demodulieren der empfangenen modulierten Laserstrahlung kommen die optischen Empfänger wie Photodioden, Multiplier und andere die Energie der empfangenen Strahlung anzeigende Mittel in Frage.

Die Frequenzdemodulation, unter der im Sinne der Erfindung allgemein die Demodulation des bei der Demodulation der Laserstrahlung gewonnenen, neuen Zwischensignals in die ursprüngliche Information zu verstehen ist, wird mit den dafür aus dem Stande der Technik bekannten Mitteln durchgeführt. Es sei insbesondere in diesem Zusammenhang erwähnt, daß aus den möglichen Frequenzlagen für das sendeseitige, in der Frequenz modulierte Zwischensignal, d. h. für dessen Träger, die durch die Bedingungen zur Durchführbarkeit der Auskoppel- bzw. Gegentaktmodulation in den bekannten Grenzen festgelegt sind, sinnvollerweise eine solche ausgewählt wird, in der sowohl die Erzeugung des sendeseitigen als auch die Demodulation des empfangsseitigen, in der Frequenz modulierten, neuen Zwischensignals einfach und vorteilhaft ist.

Es sei zur Klarstellung darauf hingewiesen, daß es für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht nötig ist, daß bei der empfangsseitigen Rückgewinnung der ursprünglichen Information das Zwischensignal stets unmittelbar in Erscheinung tritt.

Die erfindungsgemäße Modulations- bzw. Signalübertragung kann, gegebenenfalls bis auf einen äußerst geringen Rest, von Verzerrungen dadurch sogar völlig frei gemacht werden, daß sendeseitig der spezielle, auf einer Phasenverschiebung des modulierten Signals zum modulierenden Zwischensignal beruhende Anteil der ausgekoppelten Strahlung streng gleich Null gemacht wird. Dies kann durch Verwendung eines zwar elektrisch steuerbar, aber natürlich nicht doppelbrechenden Materials für das Steuerglied, z. B. eines Cu'Cl-Kristalls, oder auch durch Justieren, d. h. durch exakte Parallelausrichtung von optischer Achse und Wellennormale der Strahlung im Resonator bei auch natürlich doppelbrechendem, elektrisch steuerbarem Material, z. B. bei KDP, erreicht werden.

Die vorliegende Erfindung geht von folgenden Gedanken aus: Bei einem Steuerglied mit einem Medium mit wie oben angegebener Modulationscharakteristik, z. B. mit linearer elektrischer Doppelbrechung, etwa mit einem KDP-Kristall, wird nach dem obengenannten Modulationsprinzip von der Schwingungsenergie /₀ mit der Amplitude/4₀ im Resonator ein steuerbarer Anteil / mit der Amplitude A in diesem in Strahlung mit einer Polarisationsrichtung senkrecht zur ursprünglichen Schwingungsrichtung umgewandelt.

Dieser Anteil J wird nach dem Prinzip der Auskoppelmodulation sowie auch der Gegentaktmodu-Iation durch ein Auskoppelglied aus dem Laserresonator ausgekoppelt und ausgesandt. Wegen der linearen Abhängigkeit der Amplitude A von dem Modulationssignal, d. h. der Linearität des elektrooptischen Effekts im angegebenen Steuerglied, ist dieser umgewandelte und zur Auskopplung vorgesehene Anteil

/ = J₀ sin² (A φ_α — Κ cos ω t)

Der spezielle Anteil der ausgekoppelten Strahlung, der auf Δφ_η zurückgeht, wird in der allgemeinen Praxis gerade zur Verringerung von Verzerrungen im Modulationssignal gegenüber dem übrigen Anteil in der Klammer möglichst groß gemacht. Hierbei ist von speziellen Einzelfällen abgesehen worden, z. B. von dem in AEÜ, Bd. 18, Nr. 6, Juni 1964, S. 389 bis 392, beschriebenen Verfahren, bei dem die Amplitude dieses Anteils, der auf A <p_n zurückgeht, zwar in der ausgekoppelten Strahlung noch klein gehalten wird, dann aber doch noch im Empfänger vor der Demodulation der empfangenen Strahlung auf die Modulationsamplitude bezogen, groß gemacht werden muß. Es sei ergänzend erwähnt, daß ein derartigei spezieller Anteil aus A <p₀ f O auch durch Doppelbrechung im Steuerglied verursacht sein kann, die infolge mechanischer und/oder thermischer Spannungen auftritt. Die Erfindung beruht nun unter anderem auf dem Gedanken, den Anteil, der von Λ φ_η herrührt, entgegen der allgemein gebräuchlichen Verfahrensweise, ihn groß zu machen, gerade zum Verschwinden zu bringen.

In der Gleichung (1) kann dann, da das verbleibende Argument bei den bei Laser in Frage kommenden Modulations- bzw. Auskoppelgraden der Auskoppelmodulation klein gegen π/2 ist, der Sinus durch das Argument selbst ersetzt werden, ohne daß Verzerrungen größer als ein äußerst geringer Rest, der sich aus dieser Vereinfachung ergibt, entstehen. Es folgt:

= K-- cos² ω t

In Weiterbildung der Erfindung ist der zusätzliche Gedankenschritt entscheidend, daß die der Laserstrahlung aufzumodulierende Information nicht wie üblich in den Größen K und ω der Modulierschwingung liegt, sondern allein in die Winkelgeschwindigkeit ω gelegt wird, d. h., daß das im Steuerglied aufzumodulierende Signal dort als möglichst amplitudenkonstantes, in der Frequenz moduliertes, als Zwischensignal bezeichnetes Signal vorliegt. Dieses erfindungsgemäß vorzusehende Zwischensignal wird durch entsprechende Modulation eines hochfrequenten Trä-

gers, z. B. im GHz-Bereich, mit der ursprünglichen Information als Modulierschwingung erzeugt. Durch diese Besonderheit wird erreicht, daß sich die Intensität des ausgekoppelten modulierten Strahlungsanteils nach der Gleichung (2) aus einem konstanten Faktor und dem von der jeweiligen Winkelgeschwindigkeit abhängigen, dem Signal entsprechenden Anteil zusammensetzt.

Es ist aber wegen cos² ω t — § (1 + cos 2 ω t) der

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mit dem Zwischensignal modulierte und ausgekop- lungsenergie ausüben kann, z. B. den Resonator zu

pelte Intensitätsanteil linear in o>. Ein Modulations- stark und/oder zu stark schwankend, insbesondere

signal mit den Frequenzen /₀ + f(t), das in dem mit Frequenzen im Übcrtragungsbereich, bedämpft.

Steuerglied des Laserresonators wirksam gemacht, Bei der obengenannten Auskoppelmodulation das

z. B. an Elektroden des Steuergliedes angelegt wird, 5 erfindungsgemäße Verfahren anzuwenden, ist beson-

wird als eine tragerfrequente, zweiseitenband-ampli- ders vorteilhaft, weil bei diesem auf Grund des kon-

tudenmodulierte Laserstrahlung mit den Seitenband- stant gehaltenen Faktors K der laufend ausgekoppelte

frequenzen 2 · [/₀ H- /(*)], bezogen auf die Frequenz Strahlungsanteil, d. h. die Dämpfung des Resonators,

der Laserstrahlung ausgekoppelt. Es tritt im träger- über die Periode des entsprechend hochfrequent ge-

frequenten Lasersignal lediglich die Verdoppelung io wählten Zwischensignals gemittelt, konstant gehalten

aller die Information repräsentierender Frequenz- werden kann. Hierdurch lassen sich störende, mit der

werte des die Information enthaltenden sendeseitigen, Periodendauer der Relaxationsschwingungen der La-

frequenzmodulierten Zwischensignals auf. Diese Ver- serstrahlung im Resonator zeitlich vergleichbar und/

doppelung ist aber im Sinne der Erfindung nicht als oder niederfrequentere Dämpfungsschwankungen des

Verzerrung zu werten, da sie linear ist, d.h. keine 15 Resonators, die z.B. auf Dynamikschwankungen der

nichtlineare Verzerrung darstellt und bei der Demo- Information zurückgehen, vermeiden. Es treten also

dulation ohne weiteres wieder eliminiert werden kann. durch die Auskopplung eines gemäß der Erfindung

Es ist selbstverständlich vorausgesetzt, daß die modulierten Signals keine Änderungen der Betriebs-Erzeugung und später auch die Demodulation der bedingungen des Lasers auf, d. h. die Emission bleibt frequenzmodu'ierten Zwischensignale ohne wesent- 20 konstant,
liehe Verzerrung der Information erfolgt. Weitere Erläuterungen und Einzelheiten der Er-

Entsprechend ist auf der Empfängerseite die De- findung gehen aus der Figur und der Beschreibung

modulation der empfangenen, mit einem der Infor- des Schemas eines bevorzugten Ausführungsbeispiels

mation entsprechenden Signal zweiseitenband-ampli- einer Anordnung zur Durchführung des erfindungs-

tudenmodulierten, trägerfrequenten Laserstrahlung 25 gemäßen Verfahrens hervor,

vorgesehen. Ein stimulierbares Medium 1, z. B. ein Rubinkri-

Für diese Demodulation kommen die an sich be- stall, ist in einem von den optischen Spiegeln 2 und 3

kannten Mittel wie Photodioden oder Multiplier in begrenzten Resonator angeordnet. Die im stimulier-

Frage. Sie geben ein der empfangenen Intensität pro- baren Medium 1 erzeugte und im Resonator verlau-

portionales Signal ab. 30 fende Strahlung ist mit 4 angedeutet. 5 bezeichnet

Zur Rückgewinnung der ursprünglichen Informa- das entsprechend der Auskoppelmodulation im Retion wird weiter eine Frequenzmodulation des durch sonator vorgesehene Steuerglied mit den elektrischen obige Demodulation der Laserstrahlung erhaltenen Zuleitungen 6. Im allgemeinen ist das Steuerglied 5 neuen Zwischcnsignals vorgenommen. Sie erfolgt mit wegen der hohen Frequenzen des Zwischensignals in hierfür an sich bekannten Mitteln, wobei jedoch die 35 einer Hohlleiteranordnung eingebaut. Eine Einrichbei der Auskoppelmodulation eingetretene Frequenz- tung 7 hat die Aufgabe, die zu übertragende, in 12 Verdoppelung mit rückgängig gemacht wird. eingegebene Information in Form eines frequenz-

Die Erfindung ermöglicht es, mit Laserstrahlung modulierten Zwischensignals an das Steuerglied 5

eine Information von einem Sendeort zu einem Emp- weiterzugeben. Eine ursprünglich z. B. als nieder-

fangsort weitgehend unverzerrt zu übertragen. 40 frequentes amplitudenmoduliertes Signal vorliegende

Der Mehraufwand an absoluter Frequenzband- Information wird in der Einrichtung 7 in ein in der

breite durch die Einschaltung der Frequenzmodu- Frequenz moduliertes Zwischensignal umgesetzt, des-

lation und/oder für die eintretende Frcquenzverdopp- sen entsprechend ausgewählte hohe und begrenzte

lung ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren tech- Frequenzlage einerseits dem Nachrichtenumfang und

nisch unerheblich, da wegen der äußerst hohen Fre- 45 andererseits der Durchführbarkeit der Auskoppel-

quenzen des Trägers stets eine ausreichend große, modulation angepaßt sein muß.

absolute Bandbreite bei sehr geringer relativer Band- Der durch die Steuerwirkung des Zwischensignals breite verfügbar gemacht werden kann. Bei dem er- in 5 umgewandelte Anteil der im Resonator verfindungsgemäßen Verfahren bleiben alle Vorteile laufenden Strahlung 4 wird durch ein Auskoppelerhalten, die sich aus der trägerfrequenten Signal- 5° glied 8, hier z. B. durch eine Brewsterplatte, als ausÜbertragung mit relativ schmalen Bändern ergibt. zusendende Strahlung 9 und zu einem Bruchteil 10

Zu dem Anteil Λ φ₀ ist noch folgendes zu bemer- aus dem Laserresonator ausgekoppelt. Die Strah-

ken: Eine diesem Anteil entsprechende Auskopplung lung 9 ist eine erfindungsgemäß erzeugte, mit der

von Laserstrahlung aus dem Resonator ist, was die Information verzerrungsarm zweiseitenband-amplitu-

Modulation angeht, dann für das erfindungsgemäße 55 dcnmodulierte Laserstrahlung.

Verfahren schädlich und erfindungsgemäß auszu- 21 deutet den Teil eines Empfängers am Empfangs-

schließcn, wenn dieser Strahlungsanteil mit dem ge- ort an, der eine Einrichtung zur Demodulation von

wünschten modulierten Anteil der ausgekoppelten Laserstrahlung, z. B. eine Photodiode oder einen

Laserstrahlung, der der Information entspricht, ver- Multiplier enthält.

bunden ist. Prinzipiell spielt es keine Rolle, wenn 60 22 deutet eine Einrichtung des Empfängers an, in

zusätzlich zu der gewünschten Strahlung ein weiterer, der das aus der Demodulation der Laserstrahlung in

z. B. konstanter Anteil, der z. B. in den Gleichungen 21 gewonnene Zwischensignal in die ursprüngliche

mit Λφ_{) zu berücksichtigen wäre, unabhängig und Information durch Frequenzdemodulation umgesetzt

getrennt von dem gewünschten, mit der Information wird.

modulierten Anteil aus dem Laserresonator ausge- 65 Die schematisch in der Figur als Beispiel angegekoppelt wird. Dies gilt allerdings mit der Einschrän- bene Anordnung zur Durchführung des erfindungskung, daß der zusätzliche Anteil keinen störenden gemäßen Verfahrens hat die Eigenschaft, eine am Einfluß auf die im Laserresonator gespeicherte Strah- Empfangsort in die Anschlußklemmen 12 als elcktri-

ches Signal eingegebene Information durch Lasertrahlung über entsprechende Entfernungen zu überragen und als elektrisches Signal an den Ausgangslemmcn 23 am Empfangsort ohne bzw. mit nur sehr eringen Verzerrungen dort wiederzugeben.
Wie schon erwähnt, ist es für das erfindungsgemäße

Verfahren weitgehend unwesentlich, ob noch ein weiterer Anteil 15 der im Resonator verlaufenden Strahlung 4, z. B. durch eine der Reflexionsanordnungen hindurch ausgekoppelt wird, sofern die Betriebsbedingungen des Lasers nicht unzulässig beeinträchtigt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

709 508/155

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Anordnung zur vcrzcrrungsarmcn Übertragung einer Information mittels innerer Modulation kohärenter optischer Strahlung als Träger, bei dem die auszusendende modulierte Strahlung nach dem Prinzip der Auskoppel- bzw. Gegentaktmodulation erzeugt wird, indem unter Verwendung eines linearen elektrooptischen Steuergliedcs im Modulator ein steuerbarer Anteil der im optischen Resonator erzeugten Strahlung durch Modulations- und Auskoppelmittel von der im optischen Resonator verlaufenden Strahlung abgetrennt und aus dem optischen Resonator ausgekoppelt wird, nach Hauptpatent 12 85 073, dadurch gekennzeichnet, daß sendeseitig die zu übertragende im Hingang (12) eingegebene Information in einer Einrichtung (7) des Modulators in ein frequenzmocluliertes Zwischensigna! umgewandelt wird, das seinerseits das elektrische Feld im Steuerglied (5) des Modulators derart steuert, daß eine mit dem FM-Zwischensignal zweiseitcnband-amplitiidenmodulierte Strahlung (9) aus dem optischen Resonator (2, 3) des optischen Senders (Laser) praktisch ohne (Zwischen-) Tiägerantcil ausgekoppelt wird und daß empfangsseitig die Information in zwei Schritten durch Demodulieren der empfangenen modulierten Laserstrahlung und durch Dcmodulicren des dabei entstehenden neuen empfangsseitigcn Zwischcnsignals durch Frct|uenzmodulation zurückgewonnen wird.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sendeseitig der spezielle auf einer Phasenverschiebung des modulierten Signals zum modulierenden Zwischensignal beruhende Anteil der ausgekoppelten Strahlung zum völligen Verschwinden gebracht wird.

3. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß sendeseitig für den Träger des ZwLschcnsignals Frequenzen im GHz-Bereich gewählt werden.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sendeseitig für das Steuerglied (5) des Modulators ein linear doppclbrechender Kristall vorgesehen ist.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der linear doppelbrechende Kristall (5) natürlich nicht doppelbrechend, sondern allein elektrisch doppelbrtchend ist.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kristall als Cu'CI-Einkristall vorliegt.·

7. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gezeichnet, daß der linear doppelbrechende Kristall (5) sowohl elektrisch als auch natürlich doppelbrcchend ist und zum Ausschalten der natürlichen Doppelbrechung in Richtung seiner optischen Kristaüachse von der zu modulierenden Laserstrahlung durchlaufen wird.

8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kristall als KDP-Einkristall vorliegt.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnu zur verzerrungsarmen Übertragung einer Informati mittels innerer Modulation kohärenter optiscl· Strahlung als Träger sowie Einrichtung hierfür. Durch die Litcraturstelle »Zeitschrift für anu wandte Physik«, Bd. 17, Nr. 1, 1964, S. 16 bis ~ ist es bereits bekannt, die auszusendende moduliei Strahlung nach dem Prinzip der Auskoppel- bz Gegentaktmodulator! dadurch zu erzeugen, d:

ίο unter Verwendung eines linearen elektrooptisch! Steuerglicdes im Modulator ein steuerbarer Anti der im optischen Resonator erzeugten Strahlui durch Modulations- und Auskoppclmittel von der i optischen Resonator verlaufenden Strahlung abg< trennt und aus dem optischen Resonator ausgeko; pelt wird. Auch ist derartiges bereits im Hauptpatei 12 85 073 vorgeschlagen worden.

Für die Erzeugung kohärenter optischer Strahlung die für die Übertragung von Nachrichten eine au reichende Energie aufweisen, kommen praktisch ni Laser in Frage. Es wird daher im folgenden für dei artige Strahlerzeuger der Ausdruck Laser und für di Strahlung selbst das Wort Laserstrahlung verwende Bei der Auskoppel- bzw. Gegentaktmodulation, b<.

der das die Information darstellende Signal als Mc dulationssignal am Steuereingang des Steuergliede wirksam ist, beispielsweise als elektrisches Wechsel spannungssignal, bereitet es Schwierigkeiten, nichi lineare Verzerrungen in der modulierten Laserstrah hing, d. h. bei der Modulation und bei der Demodu Iation zur Rückgewinnung der Information, zu ver meiden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein. vorteilhafte Anordnung zur verzcrriingsarmen Modu Iation von Laserstrahlung mit einer Information, ins besondere zur Übertragung der Information mi Laserstrahlung anzugeben.

Eine andere Aufgabe der Erfindung ist es, eine verzerrungsarme Modulation von Laserstrahlung mi einer Information, insbesondere zur Übertragung de: Information mit Laserstrahlung mit möglichst geringem Gesamtaufwand an Laserstrahlungsenergie zi erreichen.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine verzerrungsarme Modulation von Laserstrahlung mit einer Information, insbesondere zur Übertragung der Information mit Laserstrahlung anzugeben, die nur geringe Anforderungen an die Demodulation bzw. deren Einrichtungen stellt.

Diese Aufgaben lassen sich, ausgehend von einer Anordnung der einleitend geschilderten Art, gemäß der Erfindung dadurch lösen, daß sendeseitig die zu übertragende, im Eingang eingegebene Information in einer Einrichtung des Modulators in ein frequenzmoduliertes Zwischensignal umgewandelt wird, das seinerseits das elektrische Feld im Steuerglied des Modulators derart steuert, daß eine mit dem FM-Zwischensignal zweiseitenband-ainplitudenmodulierte Strahlung aus dem optischen Resonator des optischen Senders (Laser) praktisch ohne (Zwischen-)Trägeranteil ausgekoppelt wird und daß empfangsseitig die Information in zwei Schritten durch Demodulieren der empfangenen modulierten Laserstrahlung und durch Demodulieren des dabei entstehenden neuen empfangsseitigen Zwischensignals durch Frequenzdemodulation zurückgewonnen wird.

Als Medien mit den geforderten Eigenschaften für das Steuerglied kommen vorieilhafterweise solche mit