DE2741849A1

DE2741849A1 - Optisches multiplex-uebertragungssystem

Info

Publication number: DE2741849A1
Application number: DE19772741849
Authority: DE
Inventors: Jean Desbois; Pierre Tournois
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1976-09-17
Filing date: 1977-09-16
Publication date: 1978-03-23
Also published as: FR2365138B1; US4146783A; FR2365138A1; JPS5338290A; GB1592316A; JPS596092B2

Description

Patentanwälte 2 7 A 1 8 A 9 Dipl-lng Dipl-Chem. Dipt-Ing

E. Prinz - Dr. G. Hauser - G. Leiser

E r π sber ge r s! r a s s β 19

8 München 60

THOMSON - CSF 15. September 1977

173» Bd. Haussmann

75008 PARIS / Frankreich

Unser Zeichen; T 2259 Optisches Multiplex-Übertragungesystem

Die Erfindung bezieht sich auf ein optisches Syβtem, das die Codierung eines Liohtsignals ermöglicht. Sie betrifft insbesondere die Codierung der Spektralkomponenten eines Lichtbündele duroh N Modulationssignale, wodurch die MuI-tiplexierung dieser N Signale ermöglicht wird.

Aus dem Stand der Technik ist eine optische Anordnung bekannt, die im angelsächsischen Sprachgebrauch als "diffraction grating pair"(Beugungsgitterpaar) bezeichnet wird. Die theoretische Untersuchung dieser Anordnung ist von E.B. Treaoy in der Zeitschrift "IEEE Journal of Quantum Electronics", Vol. QE-5, Nr. 9, September 1969, Seiten 454-458 beschrieben.

Eine vergleichbare optische Anordnung ist schematisoh in Fig. 1 dargestellt. Sie enthält zwei Beugungsgitter R₁

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und R_?f die mit einem Spiegel G kombiniert sind. Die Strichätzungen der beiden Beugungsgitter haben die gleiche konstante Teilung und sind innerhalb jedes Gitters sowie auch von Gitter zu Gitter zueinander parallel. Eine impulsweise betriebene Laseranordnung 11 liefert eine Folge von Lichtimpulsen sehr kurzer Dauer D, die klein gegen ihre Folgeperiode P ist, wie in Fig. 2a dargestellt ist. Das Spektrum der Impulse hat als Funktion der Frequenz eine Breite B mit der Mittenfrequenz f_Q, wobei die Dauer D größer als oder gleich 1/B ist. Im allgemeinen wird eine Impulsdauer von einigen zehn Picosekunden und eine Folgeperiode von einigen Nanosekunden erreicht.

Die Lichtimpulsfolge wird zunächst von dem Gitter R₁ und dann von dem Gitter Rp gebeugt. Infolge der Anordnung der Gitter sind nach der Beugung am Gitter R₂ alle Strahlen, die den im Frequenzband B der Eingangsimpulse enthaltenen Frequenzen f^. entsprechen, parallel zu der Richtung des einfallenden Laserbündels und räumlich aufgespalten; man erhält somit ein Lichtbündel F, das eine räumliche Dispersion in Abhängigkeit von der Frequenz aufweist, und dessen Breite L, gemessen entlang einer senkreoht zur Richtung des Bündels F stehenden Achse Zz₁, der Amplitude der räumlichen Dispersion des Frequenzbandes B entspricht. Wenn entlang der Aohse Zz₁ ein Spiegel G angebracht ist, legen die Strahlen des Bündels F den umgekehrten Weg zurück, und man erhält am Ausgang ein Lichtbündel, das die entgegengesetzte Richtung wie das einfallende Bündel hat und aus einer Folge von periodischen Impulsen zusammengesetzt ist, die eine zeitliche Dispersion über eine Dauer T aufweisen, die den Differenzen der von den beiden äußersten Strahlen F₁ und F₂ auf dem Hinweg und auf dem Rückweg zurückgelegten Strecken entspricht. Man erhält

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somit für jeden Impuls des EintrittslichtbUndels einen Impuls der Dauer T, die dem Dispersionsbereich des dispers iven Filters im Eingangsband B entspricht, wie in Fig. 2b dargestellt ist. Die Dauer T dieses Impulses ist wesentlich größer als die Dauer D des Eintrittsimpulses, und für eine gegebene Energie ist die mittlere Amplitude dieses Impulses kleiner. Vorzugsweise wählt man eine Dauer T, die etwas kleiner als die Periode P ist.

Die Dauer und die Form der als Funktion der Zeit am Ausgang der Anordnung erhaltenen Lichtimpulse können dadurch verändert werden, daß mit irgendwelchen, für den gewünschten Zweck geeigneten Mitteln auf die Strahlen des die räumliche Dispersion aufweisenden Bündels F eingewirkt wird. Wenn beispielsweise in das Bündel F mehr oder weniger stark absorbierende Schirme parallel zur Achse ZZ₁ angebracht werden, können die Lichtimpulse des Lasers kalibriert werden, wie in einem Aufsatz von J. Desbois, F. Gires und P. Tournois in der Veröffentlichung "Comptes Rendus de l'Academie des Sciences Paris", Serie B, Vol.270, 1970, Seiten 1604 - 1606 angegeben ist.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Anordnung, welche unter Anwendung der insbesondere in den zuvor genannten Veröffentlichungen enthaltenen technischen Lehren eine MuItiplex-Informationsübertragung durch Codierung von Lichtsignalen ermöglicht.

Die optische Anordnung nach der Erfindung enthält wenigstens ein Paar Beugungsgitter, mit dem mehrere optische Lichtmodulatoren kombiniert sind, die in den Strahlengängen der Strahlen des die räumliche Dispersion aufweisenden Lichtbündels angeordnet sind und durch informationshaltige

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elektrische Signale gesteuert werden, so daß die dadurch erhaltenen codierten Lichtimpulse eine Übertragung der Informationen im Zeitmultiplexsystem in einem Lichtsignal ermöglichen.

Nach der Erfindung ist ein optisches Multiplex-Übertragungssystem zur gleichzeitigen Übertragung von N getrennten elektrischen Signalen, mit einer impulsweise betriebenen optischen Strahlungsquelle, einer optischen Dispersionsanordnung zur räumlichen Verteilung von N in der gepulsten Strahlung enthaltenen nebeneinanderliegenden Spektralkomponenten für die Bildung einer Gruppe von N Unterträgerwellen, einer optischen Pokussiereinrichtung, die der optischen Dispersionsanordnung zugeordnet ist, und mit einer optischen Ausgangsanordnung, welched ie N Unterträgerwellen in einem Übertragungskanal zusammenfaßt, nachdem sie jeweils mit einem der N elektrischen Signale optisch moduliert worden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Fokussiereinrichtung zwischen der Strahlungsquelle und der optischen Dispersionsanordnung angeordnet ist und die Fokussierung der Unterträgerwellen entlang einer Linie bewirkt, daß N optische Modulatoren zur Modulation der Unterträgerwellen entlang der Linie angeordnet sind, daß die optische Dispersionsanordnung zwei ebene Beugungsgitter gleicher Teilung enthält, die parallel zueinander angeordnet sind, um nacheinander eine Dispersion der gepulsten optischen Strahlung zu bewirken, und daß die Gitterstriche der Beugungsgitter derart parallel zueinander liegen, daß sich die Unterträgerwellen entlang Wegen ausbreiten, die parallel zu der Einfallsrichtung der gepulsten optischen Strahlung an der optischen Dispersionsanordnung sind.

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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von AusfUhrungsbeispielen der Erfindung anhand der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 ein vereinfachtes Schema einer optischen Anordnung nach dem Stand der Technik,

Fig. 2a und 2b Diagramme zur Erläuterung der Wirkungsweise der Anordnung von Fig. 1,

Fig. 3 ein vereinfachtes Schema eines Codiersystems nach der Erfindung,

Fig. 4a und 4b Diagramme zur Erläuterung der Wirkungsweise der Anordnung von Fig. 3,

Fig. 5 ein vereinfachtes Schema einer anderen AusfUhrungsform des Systems nach der Erfindung und

Fig. 6 ein vereinfachtes Schema eines Codiersystems nach der Erfindung mit zwei Beugungsgittern.

Sie schematisoh in Fig. 3 dargestellte bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäfien Anordnung enthält außer dem Laser 11 und den beiden Beugungsgittern R₁, R₂* die bereite zuvor beschrieben worden sind, zwei weitere Beugungsgitter R, und R. sowie N optische Modulatoren M₁, Mp t * · · Mif., ... Nn.

Die verwendeten optisohen Modulatoren sind beispielsweise an sich bekannte elektro-optische Modulatoren. Ein solcher Modulator ist durch einen Kristall gebildet, an den ein elektrisches Feld angelegt ist; die von einem elektrischen

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Steuersignal S^ bewirkten Änderungen dieses Feldes polarisieren das Licht mehr oder weniger stark, und diese Änderungen werden in Lichtintensitätsänderungen umgewandelt. Eine derartige Modulation ist in einem Aufsatz von Kaminow und Turner in der Zeitschrift "Applied Optics", Vol. 5, Nr. 10, Oktober 1966, Seiten 1612-1628 beschrieben.

Die beiden Beugungsgitter R, und R. sind in bezug auf eine senkrecht zur Einfallsrichtung des Laserbündels stehende Ebene, die durch die Symmetrieachse zz. in Fig. angedeutet ist, symmetrisch zu den Beugungsgittern R^ und Rp angeordnet. Die von den Strahlen des Bündels F zurückgelegten Strecken sind in Abhängigkeit von der Frequenz verschieden, und das System bewirkt zugleich eine Konzentration und eine zeitliche Dispersion der Lichtimpulse· Die N Modulatoren M_k sind im Weg der Strahlen des Bündels F nach der Beugung am Gitter R₂ zwischen den beiden Gittern R₀ und R₇; angeordnet. Wenn die Dimension der Eintrittspupille eines Modulators M^ in der Richtung der Aohse zz^ den Wert d^ hat, beeinflußt dieser Modulator einen Bruchteil b_fc des Spektrums der Laserimpulse, wobei dieser Bruchteil die Mittenfrequenz f_k hat. Das Frequenzband B der Impulse wird somit In N voneinander unabhängige Frequenzbänder b., bp» ... b_k, ... bjj mit den Mittenfrequenzen f ^, f₂» ... f_fct ... fjj aufgeteilt, wie in Fig. 4a dargestellt ist.

Wenn mehrere Modulatoren aneinander anschließend angeordnet werden, ist es möglich, mittels der Lichtimpulse die in N Signalen S₁, Sp,.... S_n enthaltene Information zu übertragen, indem die Lichtintensität oder die Phase jeweils nur in den Strahlengängen moduliert wird, die den im Band b^ enthaltenen Frequenzen entsprechen. Die Übertragungskenngrößen der Intensität oder der Phase können in

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einem Zeitintervall verändert werden, das kleiner als die Periode P ist.

Die Abmessung d^ der Eintrittspupille wird möglichst klein gehalten, damit die Anzahl der Modulationssignale S vergrößert werden kann. Es sind Abmessungen in der Größenordnung von einem Millimeter möglich.

Es ist'jedoch erforderlich, daß die spektrale Auflösung der räumlichen Dispersion des Bündels F kleiner als das durch die Abmessung d_fc begrenzte Frequenzband b_fc oder höchstens gleich diesem Frequenzband ist. Mit anderen Worten: nachdem ein monochromatisches Lichtbündel der Frequenz f_fe an den Gittern R₁ und Rp gebeugt worden ist, muß es vollständig durch die Eintrittspupille des entsprechenden Modulators M^ gehen; man vermeidet dadurch gegenseitige Überlappungen der Frequenzbänder.

Zur Verbesserung der Auflösung ist es vorgesehen, zwischen dem Laser-Generator 11 und dem Beugungsgitter R₁ eine optische Einrichtung, beispielsweise eine Linse 12, anzuordnen, die das Bündel F fokussiert.

Die Modulatoren M sind entlang dem geometrischen Ort der Fokuäsierungspunkte der den Frequenzen f_fc entsprechenden Strahlen angeordnet.

Das am Ausgang erhaltene Lichtsignal hat die Form einer Folge von Impulsen, die eine zeitliche Dispersion aufweisen und codiert sind, wie in Fig. 4b schematisoh für den Fall einer Lichtintensitätsmodulation dargestellt ist.

Gemäß einer Ausführungsform ist es möglich, die Addition von Signalen vorzunehmen, ohne daß eine zeitliche Dispersion erhalten wird. Zu diesem Zweck werden die Beugungsgitter R, und R. in der schematisch in Fig. 5 dargestellten ⁵ 1B03812/0915

Weise angeordnet, d.h. symmetrisch zu den Beugungsgittern R₁ und Rp in bezug auf einen Symmetriemittelpunkt 0, der auf der Mittelachse des BundθIsF liegt. Gemäß einer anderen Ausführungeform sind die Modulatoren M zwischen dem Gitter R₂ und einem Spiegel G angeordnet, der die Strahlen des Bündels F reflektiert. Wenn nur zwei Beugungsgitter anstatt vier Beugungsgittern verwendet werden, ist es nicht möglich, die Strahlen des Bündels F an allen Modulatoren M zu fokussieren; da es nämlich nicht möglich ist, die Strahlen auf dem Hinweg und auf dem Rückweg zu fokussie ren, müssen die Modulatoren an dem Spiegel angeordnet werden, dessen reflektierende Fläche nicht der geometrische Ort Vy₁ der Fokussierungspunkte ist.

Gemäß einer anderen Ausführungsform wird dieser Nachteil dadurch vermieden, daß jeweils ein eigener Spiegel G^ am Ausgang jedes der Modulatoren M^ angeordnet wird, wobei diese Spiegel entlang dem geometrischen Ort yy₁ der Fokussierungspunkte angeordnet ist. Diese Anordnung ist in Fig. 6 dargestellt; sie ergibt jedoch keine zeitliche Dispersion.

In allen Fällen können optische Einrichtungen am Ausgang der beschriebenen Anordnung so angeordnet werden, daß sie als Kollimator für das Ausgangs-Laserbündel wirken.

Die beschriebene Anordnung kann bei optischen Informationsverarbeitungssystemen oder Informationsübertragungssystemen angewendet werden, die in einem sehr schnellen Takt arbeiten, der Multiplexierfrequenzen von mehreren zehn Gigahertz für etwa fünfzig multiplexierte Signale erreichen kann.

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Es sind verschiedene Anordnungen zur Multiplexierung von Signalen mittels optischer Einrichtungen durch Codierung von Laserimpulsen beschrieben worden, die für die Informationsübertragung durch optische Mittel verwendbar sind, die beispielsweise als Ubertragungsmedium Lichtleitfasern verwenden.

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Claims

Patentanwälte

Uipl IfHJ Dipl-Cneiii Dipl-Iny

E. Prinz - Dr. G. Hauser - G. Leisat 741849

F ι η s b e r c| ti ι s t r . ι s s e 1¹

8 München 60

THOMSON - GSP 15. September 1977

173· Bd. Haussmann

75008 PARIS / Frankreich

Unser Zeichen: T 2259

Patentansprüche

Optisches Multiplex-Ubertragungssystem zur gleichzeitigen Übertragung von N getrennten elektrischen Signalen, mit einer impulsweise betriebenen optischen Strahlungsquelle, einer optischen Dispersionsanordnung zur räumlichen Verteilung von N in der gepulsten Strahlung enthaltenen nebeneinanderliegenden Spektralkomponenten für die Bildung einer Gruppe von N Unterträgerwellen, einer optischen Fokussiereinrichtung, die der optischen DispersionBanordnung zugeordnet ist, und mit einer optischen Ausgangsanordnung, welche die N Unterträgerwellen in einem Übertragungskanal zusammenfaßt, nachdem sie jeweils mit einem der N elektrischen Signale optisch moduliert worden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die optisohe Pokussiereinrichtung zwischen der Strahlungsquelle und der optisohen Dispersionsanordnung angeordnet ist und die Fokussierung der Unterträgerwellen entlang einer Linie bewirkt, daß N optisohe

Lei/Gl

ORIGINAL INSPECTED

Modulatoren zur Modulation der Unterträgerwellen entlang der Linie angeordnet sind, daß die optische Dispersionsanordnung zwei ebene Beugungsgitter gleicher Teilung enthält, die parallel zueinander angeordnet sind, um nacheinander eine Diapereion der gepulsten optischen Strahlung zu bewirken, und daß die Gitterstriche der Beugungsgitter derart parallel zueinander liegen, daß sich die Unterträgerwellen entlang Wegen ausbreiten, die parallel zu der Einfallsriohtung der gepulsten optisohen Strahlung an der optischen Dispersionsanordnung sind.
2. System nach Anspruch 1, daduroh gekennzeichnet, daß die optische Ausgangsanordnung durch zwei weitere Beugungsgitter gebildet ist, die symmetrisch zu den beiden Beugungsgittern der optischen Dispersionsanordnung in bezug auf eine senkrecht zur Einfallsrichtung stehende Symmetrieebene angeordnet sind.
3. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Spiegel senkrecht zu dem einfallenden Lichtbündel angeordnet ist, und daß die optische Ausgangsanordnung die Beugungsgitter der optischen Dispersionsanordnung umfaßt.
4. System nach Anspruoh 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optisohe Ausgangsanordnung durch zwei Beugungsgitter gebildet ist, die symmetrisch zu den beiden Beugungsgittern der optischen Dispersionsanordnung in bezug auf einen auf der Linie liegenden Symmetriemittelpunkt angeordnet sind.
5. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar am Ausgang jedes optischen Modulators ein Spiegel senkrecht zur Einfallsrichtung angeordnet ist, und daß die Spiegel auf der Linie liegen.

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6. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Modulatoren elektrooptische Modulatoren sind.
7. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch, gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle ein Impuls-Laser ist.

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