DE3716896C2 - - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Übertragen von Lichtsignalen zwischen Satelliten.

Aus dem Techn. Bericht des Forschungsinstitutes des FTZ, A465 T. Br. 5, Sept. 1971, "Laser-Übertragungssysteme und Modulationsverfahren" von A. Sander geht hervor, daß zwischen Satelliten ein Nachrichtenaustausch mittels optischer Signale durchgeführt wird. In demselben Bericht ist auch ein terrestrisches Laser-Richtfunksystem beschrieben, bei dem zum Empfang der Lasersignale eine optische Antenne eingesetzt wird, die aus einem Hauptreflektor und einem Fangreflektor besteht. Optische Sendesignale werden dagegen über ein Linsensystem abgestrahlt.

Bei einem in der DE-AS 19 27 006 beschriebenen optischen Übertragungssystem werden mehrere optische Signale im Zeitmultiplex von einem Sender zu einem Empfänger durch die Atmosphäre übertragen. Dabei dienen auf der Sende- und auf der Empfangseite Linsen zur Strahlfokussierung.

Aus der DE-OS 25 01 791 ist ein Übertragungssystem für mehrere Lichtsignale verschiedener Wellenlängen bekannt, in dem die Lichtsignale gemeinsam über einen Lichtwellenleiter übertragen werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Übertragen von Lichtsignalen zwischen Satelliten anzugeben, welches es trotz extrem großer Entfernung zwischen den Satelliten ermöglicht, Lichtsignale mehrerer verschiedener Wellenlängen sehr genau auf einen Ziel-Satelliten auszurichten und von diesem ausgesendete Lichtsignale anderer verschiedener Wellenlängen mit möglichst geringem Leistungsverlust zu empfangen.

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Zweckmäßige Ausführungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Anhand zweier in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele wird nun die Erfindung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine Anordnung mit einem gemeinsamen Sende-/Empfangs­ zweig, welche ein optisches Nachrichtenübertragungsverfahren zwischen Satelliten ausübt, und

Fig. 2 zeigt eine Anordnung, bei der Sende- und Empfangszweig vonein­ ander getrennt sind.

Zunächst wird an der in Fig. 1 dargestellten Anordnung das Verfahren zum Aussenden von Lichtsignalen zu einem entfernten Satelliten beschrieben. Die auszusendenden Lichtsignale der verschiedenen Wellenlängen λ_s ₁, λ_s ₂ . . . λ_sn werden alle von einem optischen Multiplexer M_s in einen Lichtwellenleiter L eingekoppelt. Dieser Lichtwellenleiter L ist mit seiner Stirnfläche im Brenn­ punkt eines Kollimators K - z. B. einer Linse oder eines Hohlspiegels mit der Brennweite f₃ - angeordnet, der das vom Lichtwellenleiter L abgestrahlte divergente Lichtstrahlbündel in ein paralleles Lichtstrahlbündel überführt. Das die auszusendenden Lichtsignale alle Wellenlängen λ_s ₁, λ_s ₂ . . . λ_sn enthaltende parallele Lichtstrahlbündel wird - gegebenenfalls über einen Umlenkspie­ gel U - auf einen konvexen Fangspiegel FS mit der Brennweite f₂ geführt. Von diesem Fangspiegel FS wird das Licht auf einen parabolischen Reflektor R mit der Brennweite f₁, dessen Brennpunkt mit dem Brennpunkt des Fang­ spiegels zusammenfällt, umgelenkt und dann als paralleles Lichtstrahlbündel zum Ziel-Satelliten ausgestrahlt.

Über denselben Reflektor R werden auch die von einem anderen Satelliten ausgesendeten Lichtsignale verschiedener Wellenlängen λ_e ₁, λ_e ₂ . . . λ_en aufge­ fangen und auf den Fangspiegel FS reflektiert. Der Fangspiegel FS leitet das Lichtstrahlbündel der empfangenen Lichtsignale über den gegebenenfalls vorhandenen Umlenkspiegel U zum Kollimator K, der es fokussiert und in den Lichtwellenleiter L einkoppelt. Ein wellenlängenselektiver optischer Duplexer DP sorgt dafür, daß die empfangenen Lichtsignale der Wellenlängen λ_e ₁, λ_e ₂ . . . λ_en völlig getrennt von den auszusendenden Lichtsignalen anderer Wellen­ längen λ_s ₁, λ_s ₂ . . . λ_sn aus dem Lichtwellenleiter L ausgekoppelt werden. Die ausgekoppelten empfangenen Lichtsignale werden dann von einem optischen Multiplexer M_e in die einzelnen Wellenlängen λ_e ₁, λ_e ₂ . . . λ_en zerlegt. Damit das vom Reflektor R abgestrahlte Lichtstrahlbündel auch möglichst genau auf den Reflektor am Ziel-Satelliten trifft, muß unter Umständen eine sehr präzise Schwenkung des Lichtstrahlbündels vorgenommen werden. Dies läßt sich auf sehr einfache Weise durch eine laterale Verschiebung des Lichtwel­ lenleiters L oder des Kollimators K gegenüber deren optischen Achse um eine Strecke Y₃ und/oder X₃ realisieren. Denn bei einer Verschiebung des Licht­ wellenleiters L bzw. des Kollimators K um die Strecke Y₃ (bzw. X₃) kippt der aus dem Kollimator K austretende parallele Lichtstrahl gegenüber der optischen Achse des Kollimators um einen Winkel α₂, der sich ergibt aus

mit f₃ der Brennweite des Kollimators K. Dadurch verschiebt sich der Ein­ strahlpunkt des auf den Fangspiegel FS fallenden Lichtstrahlbündels aus dem Brennpunkt B des Fangspiegels um eine Strecke, welche aus dem Produkt der Fangspiegel-Brennweite f₂ und dem tan α₂ resultiert. Daraus folgt eine Schwenkung des vom Reflektor R ausgehenden parallelen Lichtstrahlbündels um einen Winkel

wobei f₁ die Brennweite des Reflektors R ist.

Das Übersetzungsverhältnis für den Winkel α₁, um den das ausfallende Lichtstrahlbündel in Abhängigkeit von der lateralen Relativbewegung zwischen Lichtwellenleiterstirnfläche und Kollimator K um die Strecke Y₃ bzw. X₃ geschwenkt wird, ist also um so kleiner, je kleiner die Brennweite f₂ des Fangspiegels FS und je größer die Brennweite f₁ des Reflektors R und die Brennweite f₃ des Kollimators K sind. Somit ist es möglich, eine definierte Ausrichtung des auszusendenden Lichtstrahlbündels zu erzielen. Umgekehrt kann mit dem gleichen Justierverfahren auch für eine maximale Lichtein­ kopplung eines empfangenen Lichtstrahlbündels in den Lichtwellenleiter L gesorgt werden.

Durch eine Verschiebung des Lichtwellenleiters L bzw. des Kollimators K in longitudinaler Richtung parallel zu deren optischen Achse um eine Strecke Z₃ läßt sich das ansonsten parallele vom Reflektor R abgestrahlte Lichtstrahl­ bündel mehr aufweiten. Ein solches divergentes Lichtstrahlbündel eignet sich als Suchstrahl zum Orten eines Ziel-Satelliten, dessen exakte Position dem sendenden Satelliten nicht bekannt ist. Bei einer derartigen Suchprozedur wird Licht aller Wellenlängen λ_s ₁, λ_s ₂ . . . λ_sn von allen vorhandenen Sendelasern synchron ausgesendet, um einen Suchstrahl möglichst hoher Lichtleistung zu erhalten.

Bei dem anhand von Fig. 1 beschriebenen Verfahren werden die auszusenden­ den und die empfangenen Lichtsignale über einen gemeinsamen Lichtwellen­ leiter L geführt. Dieses Verfahren ist geeignet für eine Übertragung optischer Signale zwischen Satelliten, die keine Relativbewegung zueinander ausführen, z. B. zwischen geostationären Satelliten. Hierbei ist die Empfangsrichtung mit der Senderichtung identisch. In diesem Fall läßt sich eine einfache Regelung der Strahlausrichtung vornehmen, indem als Stellgröße für die laterale Ver­ schiebung des Lichtwellenleiters L bzw. des Kollimators K in Y₃ bzw. X₃ Richtung die Intensität des empfangenen Lichtes herangezogen wird.

Soll jedoch ein optischer Nachrichtenaustausch zwischen Satelliten erfolgen, die eine Relativbewegung zueinander haben, so weichen die Empfangsrichtung und die Senderichtung voneinander ab entsprechend dem Verhältnis zwischen der Lichtgeschwindigkeit und der Geschwindigkeit, mit der sich die Satelliten relativ zueinander bewegen. In diesem Fall wird das vorangehend beschriebene Verfahren folgendermaßen abgeändert. Wie der Fig. 2 zu entnehmen ist, werden die auszusendenden Lichtsignale der Wellenlängen λ_s ₁, λ_s ₂ . . . λ_sn über einen eigenen Lichtwellenleiter L_s und einen eigenen Kollimator K_s und getrennt davon die empfangenen Lichtsignale der Wellenlängen λ_e ₁, λ_e ₂ . . . λ_en auch über einen eigenen Kollimator K_e und einen eigenen Licht­ wellenleiter L_e geführt. Die Trennung zwischen dem Sende- und dem Emp­ fangsweg erfolgt hier durch einen zwischen dem Fangreflektor FS und den Kollimatoren K_s, K_e eingefügten Duplexer DP′, der z. B. als ein Glasquader mit einem schräg liegenden teildurchlässigen Spiegel ausgeführt sein kann, der wellenlängenselektiv ausgebildet ist, um die Sendewellenlängen λ_s₁, λ_s₂ . . . λ_sn von den Empfangswellenlängen λ_e1, λ_e2 . . . λ_en zu trennen. Die Ausrichtung der Sende- und Empfangslichtstrahlbündel kann unabhängig von­ einander, vorgenommen werden durch Verschieben (X_s, Y_s, Z_s) des Lichtwel­ lenleiters L_s bzw. des Kollimators K_s im Sendezweig und durch Verschieben (X_e, Y_e, Z_e) des Lichtwellenleiters L_e bzw. des Kollimators K_e im Emp­ fangszweig. Somit lassen sich geschwindigkeitsbedingte Aberrationen der Lichtstrahlbündel ausgleichen. Als Stellgröße für die Justierung des Lichtwel­ lenleiters L_e bzw. des Kollimators K_e in X_e, Y_e, Z_e Richtung im Empfangs­ zweig dient die Intensität der empfangenen Lichtsignale, und als Stellgröße für die Justierung des Lichtwellenleiters L_s bzw. des Kollimators K_s in X_s, Y_s, Z_s Richtung im Sendezweig wird die im Ziel-Satelliten empfangene Lichtintensität benutzt, welche dem sendenden Satelliten auf optischem oder elektrischem Weg übermittelt wird.

Claims (5)

1. Verfahren zum Übertragen von Lichtsignalen zwischen Satelliten, dadurch gekennzeichnet,

• - daß von einem Satelliten mehrere Lichtsignale verschiedener Wellenlängen (λ_s ₁, λ_s ₂ . . . λ_sn) in der Weise ausgesendet werden,
  • - daß sie zunächst zusammen in einen Lichtwellenleiter (L, L_s) eingekoppelt werden, dann die aus dem Lichtwellenleiter (L, L_s) austretenden Lichtsignale auf einen Kollimator (K, K_s) ausgerichtet werden und von diesem aus als ein gemeinsames Lichtstrahlbündel einem Fangspiegel (FS) zugeführt werden, der das Lichtstrahlbündel auf einen Reflektor (R) umlenkt, von dem das Lichtstrahlbündel zu einem anderen Satelliten ausgestrahlt wird,
  • - und daß ein von demselben Reflektor (R) empfangenes, aus Lichtsignalen mehrerer verschiedener Wellenlängen (λ_e ₁, λ_e ₂, λ_en) bestehendes Lichtstrahlbündel auf den Fangspiegel (FS) reflektiert wird, von dem aus es auf einen Kollimator (K, K_e) umgelenkt wird, dann von dem Kollimator (K, K_e) in einen Lichtwellenleiter (L, L_e) eingekoppelt und schließlich die in dem Lichtstrahlbündel enthaltenen Lichtsignale wellenlängenselektiv aus dem Lichtwellenleiter (L, L_e) ausgekoppelt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die auszusenden­ den Lichtsignale und die empfangenen Lichtsignale über ein und denselben Kollimator (K) und ein und denselben Lichtwellenleiter (L) geführt werden und daß mit Hilfe eines optischen Duplexers (DP) die über den Lichtwel­ lenleiter (L) ankommenden empfangenen Lichtsignale getrennt von den in den Lichtwellenleiter (L) eingespeisten auszusendenden Lichtsignale aus­ gekoppelt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auszusendende und empfangene Lichtsignale über voneinander getrennte Kollimatoren (K_s, K_e) und Lichtwellenleiter (L_s, L_e) geführt werden und daß mit Hilfe eines zwischen den Kollimatoren (K_s, K_e) und dem Fangspiegel (FS) angeordneten optischen Duplexers (DP′) die auszusendenden Lichtsignale und die empfangenen Lichtsignale voneinander getrennt werden.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß durch eine Relativbewegung zwischen Kollimator (K, K_s) und darauf gerichtetem Lichtwellenleiterende (L, L_s) das von dem Reflektor (R) abgestrahlte Lichtstrahlbündel auf einen anderen Ziel-Satelliten ausgerichtet wird und eine Justierung auf maximale Lichteinkopplung eines empfangenen Lichtstrahlbündels in den betreffenden Lichtwellenleiter (L, L_e) durchgeführt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ortung eines Ziel-Satelliten durch eine longitudinale Relativbewegung von Kollimator (K, K_s) und Lichtwellenleiter (L, L_s) das vom Reflektor (R) abgestrahlte Lichtstrahlbündel aufgeweitet wird.