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Die Erfindung bezieht sich auf einen Korrelator mit
Lichtleitfaser, der ein elektrisches Signal liefert, das die
Korrelation von zwei zu korrelierenden elektrischen Signalen
wiedergibt, beispielsweise von einem von einem Kadar
empfangenen Impuls und einem Bezugsimpuls.
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Auf dem Radargebiet korreliert man bekanntlich zwei
Signale mit einer Verzögerung in der Größenordnung von 10 bis
100 Nanosekunden mit Hilfe von logischen Toren und
Verzögerungsleitungen, aber diese Technik wird sehr schwierig bei
Verzögerungen in der Größenordnung von 10 Nanosekunden und
unmöglich bei Verzögerungen deutlich unter 10 Nanosekunden.
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Es ist bekannt, für extrem kurzzeitige Verzögerungen,
in der Größenordnung von 100 Picosekunden, eine optische
Korrelation mit Hilfe einer Vorrichtung durchzuführen, die
aufweist
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- eine erste und eine zweite Laserdiode, die
Lichtsignale mit gleicher Frequenz und einer durch je eines der
beiden zu korrelierenden Signale modulierten Amplitude
aussenden,
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- einen Lichtleiter, der in einem LiNbO&sub3;-Kristall
gebildet ist und dessen Enden an die beiden Laserdioden
gekoppelt sind,
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- einen Photovervielfacher, um die zweite Harmonische
des vom Kristall ausgehenden Signals aufzufangen, wobei die
Intensität dieser zweiten Harmonischen die Korrelation
zwischen den beiden das Licht der beiden Laserdioden
modulierenden Signale wiedergibt.
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Eine solche Vorrichtung wird beschrieben in dem
Aufsatz von R. Normandin und G.I. Stegeman "Picosecond signal
processing with planar non linear integrated optics",
veröffentlicht in Appl. Phys. Lett. 36 (4), 15. Februar 1980, Seite
253, und in dem Aufsatz von P.J. Vella, R. Normandin, G.I.
Stegeman "Enhanced second harmonic generation by
counter-propagating
guided optical waves" veröffentlicht in Appl. Phys.
Lett. 38 (10), 15. Mai 1981, Seite 751.
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Ein LiNbO&sub3;-Monokristall kann höchstens einige
Zentimeter Länge besitzen. Man kann damit die Korrelation zwischen
zwei Signalen für Verzögerungen unter einer Nanosekunde, ja
selbst im Bereich der picosekunde in Betracht ziehen, aber ein
solcher Kristall eignet sich nicht für den Bereich von einer
Nanosekunde bis 10 Nanosekunden, da die realisierbare
Kristallänge nicht ausreicht für eine Länge entsprechend der
Fortpflanzungsdauer eines Impulses, wenn diese Dauer mindestens
eine Nanosekunde lang ist.
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Ziel der Erfindung ist es, einen Korrelator
herzustellen, der zwei Impulssignale mit einer Dauer in der
Größenordnung von 1 bis 10 Nanosekunden zu korrelieren vermag.
Gegenstand der Erfindung ist ein Korrelator mit einer
Lichtleitfaser, in der in Gegenrichtung zwei Lichtsignale verlaufen, die
die beiden zu korrelierenden elektrischen Signale wiedergeben,
wobei diese Lichtleitfaser einen Flachbereich in Kontakt mit
der Oberfläche einer dünnen Schicht aus nichtlinearem Material
besitzt, um eine zweite Harmonische auszusenden, deren
Amplitude dem Korrelationsintegral der beiden Signale entspricht.
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Gemäß der Erfindung ist ein Lichtleitfaser-Korrelator
mit einem ersten und einem zweiten Laser, die Licht mit
gleicher Frequenz und einer Amplitude aussenden, die von einem
ersten bzw. zweiten miteinander zu korrelierenden Signal
moduliert ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Korrelator außerdem
aufweist:
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- eine Lichtleitfaser, deren beide Enden an je einen
der Laser gekoppelt sind und deren Länge mindestens gleich der
Länge entsprechend der maximalen Dauer der zu korrelierenden
Signale gewählt ist, wobei die Lichtleitfaser über ihre ganze
Länge einen Bereich verringerten Durchmessers besitzt, um eine
austretende Welle, die dem geführten Modus zugeordnet ist,
durchzulassen, und wobei die Faser einen Kern mit einem Index
n1 und einer Hülle mit einem Index n2 besitzt,
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- eine Schicht aus nicht zentrosymmetrischem Material
in Kontakt mit dem Bereich reduzierten Durchmessers über die
ganze Länge der Faser, wobei diese Schicht einen
Brechungsindex n3 höchstens gleich dem Index n1 des Kerns der Faser und
mindestens gleich dem Index n2 der Hülle besitzt,
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- Mittel, um das von der Schicht bei der doppelten
Frequenz bezüglich der Sendefrequenz der beiden Laser
ausgesandte Licht aufzufangen und ein elektrisches Signal abhängig
von der Intensität dieses Lichts zu liefern, wobei dieses
elektrische Signal das Korrelationsintegral der beiden zu
korrelierende Signale wiedergibt.
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Die Erfindung und weitere Einzelheiten gehen aus der
nachfolgenden Beschreibung und den beiliegenden Figuren
hervor.
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Figur 1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel des
erfindungsgemäßen Korrelators.
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Figur 2 zeigt genauer einen Teil dieses
Ausführungsbeispiels.
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Figur 3 zeigt Kurven betreffend den Betrieb mehrere
Varianten dieses Ausführungsbeispiels.
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In Figur 1 enthält das dargestellte
Ausführungsbeispiel zwei Eingangsklemmen 5 und 7 für die zu korrelierenden
elektrischen Signale, zwei Laserdioden 6 und 8, die bei
gleicher Frequenz und mit einer Amplitude senden, die mit je einem
der korrelierenden Signale moduliert ist, eine
Monomode-Lichtleitfaser 9, deren beide Enden an je eine der beiden
Laserdioden 6 und 8 gekoppelt ist, einen ebenen Träger 12, auf dem die
Lichtleitfaser 9 in konzentrischen Windungen aufgelegt ist,
eine dünne Schicht 10 aus einem nicht zentrosymmetrischen
Material, derart, daß die Lichtleitfaser 9 sandwichartig
zwischen den Träger 12 und die Schicht 10 eingeklebt ist, eine
Linse 3, die über der Schicht 12 liegt, um das von dieser
Schicht ausgesandte Licht aufzufangen, ein Filter 2, das die
zweite Harmonische ausfiltert, einen Photovervielfacher 1, der
die vom Filter 2 kommende zweite Harmonische empfängt, und
eine Ausgangsklemme 4, die ein elektrisches Ausgangssignal des
Photovervielfachers 1 liefert, welches das
Korrelationsintegral der beiden zu korrelierenden Signale wiedergibt.
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Figur 2 zeigt einen Schnitt durch einen Teil dieses
Ausführungsbeispiels mit zwei Windungen 14 und 15 der
Lichtleitfaser 9 zwischen der Schicht 10 aus nicht
zentrosymmetrischem Material und dem Träger 12. Die Faser 9 besitzt über
ihre ganze Länge einen Flachbereich 13, der durch Polieren der
Hülle 17 erhalten wurde, um Zugang zu dem austretenden Teil
des geführten Modus zu bekommen. Der Flachbereich 13 steht
über seine ganze Länge mit der Unterseite der Schicht 10 in
Kontakt. Der Raum zwischen den Windungen 14 und 15 ist mit
einer Flüssigkeit gefüllt, deren Brechungsindex zwischen den
Indices n&sub1; und n&sub2; des Kerns 16 und der Hülle 17 der Faser 9
liegt, und beispielsweise gleich (n&sub1;.n&sub2;)1/2 ist. Die Schicht 10
hat einen Index n&sub3;, der höchstens gleich dem Index n&sub1; ist und
mindestens gleich dem Index n&sub2; sein soll.
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Der Flachbereich 13 ermöglicht der dem geführten Modus
zugeordneten austretenden Welle, mit dem nicht linearen
Material der Schicht 10 in Wechselwirkung zu treten. Gemäß einer
Variante kann der Flachbereich 13 durch eine gleichmäßige
Entfernung eines Teils der Dicke der Hülle 17 der Faser 9
ersetzt sein, wobei eine Verringerung des Außendurchmessers
der Hülle 17 der Lichtleitfaser durch chemischen Angriff
erzielt wird.
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In diesem Ausführungsbeispiel senden die beiden
Laserdioden im nahen Infrarotbereich, z.B. bei einer Wellenlänge
von 1,06 Mikrometer, und die Länge der Faser 9 beträgt 20 m,
was eine Korrelation von zwei Signalen erlaubt, deren Impulse
eine Dauer von 96 Nanosekunden haben, unter Berücksichtigung
der optogeometrischen Parameter der verwendeten Faser und des
Abstands h zwischen dem Übergang vom Kern 16 zur Hülle 17 und
der Schicht 10 aus nicht-linearem Material.
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Die geringen Übertragungsverluste in einer Monomode-
Faser bieten also die Möglichkeit, große Längen entsprechend
einer Impulsdauer in der Größenordnung von 100 Nanosekunden
ebenso wie Längen entsprechend Impulsdauern in der
Größenordnung von einer Nanosekunde in Betracht zu ziehen, wobei der
letztere Fall einer Fortpflanzungslänge von etwa 30 cm in
einer Lichtleitfaser entspricht.
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In diesem Beispiel besteht die Schicht 10 aus nicht
linearem Material, vorzugsweise aus einem Kristall von
2-Dimethyl 4-Nitroanilin, MNA genannt, mit einer Dicke von einigen
Mikrometern.
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Es ist auch möglich, die Schicht 10 aus einer
Langmuir-Blodgett-Schicht zu bilden, die eine zweite Harmonische
in einer Richtung senkrecht zur Ebene der Schicht 10 erzeugen
kann, wenn eine Lichtwelle in dieser Schicht und in dieser
Richtung ankommt. Eine derartige Schicht 10 besitzt den
Vorteil, sehr viel leichter herstellbar zu sein als eine
monokristalline Schicht wie z.B. MNA.
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Durch Modellanalyse des Verhaltens der Materialien ist
es möglich, die Leistung der zweiten Harmonischen zu
ermitteln, die bei der Korrelation zwischen zwei in Gegenrichtung
durch die Faser 9 verlaufenden Lichtsignalen erzeugt werden
kann. Nimmt man an, daß das nicht-lineare Material, das auf
dem Flachbereich 13 liegt, einen gleichen Brechungsindex wie
die Hülle 17 der Faser 9 besitzt, und vernachlässigt man
aufgrund der geringen Dicke der Schicht 10 die Interferenzef fekte
an der in dieser Schicht 10 erzeugten harmonischen Welle, dann
kann man zeigen, daß die Leistung der zweiten Harmonischen
sich durch folgende vereinfachte Formel beschreiben läßt:
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Hierbei hängt der Koef fizient cNL von den
optogeometrischen Eigenschaften der Faser 9 und des Flachbereichs 13
und vom nicht linearen Koeffizienten des Materials der Schicht
10 ab. P&sbplus;(ω) und P&submin;(ω) sind die Leistungen der von den beiden
Laserdioden 6 und 8 ausgesandten Impulse und U(t) ist gleich:
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Hierbei sind U&sbplus;(t) und U&submin;(t) die zeitlichen Profile
der zu korrelierenden beiden Signale, Vg ist die
Gruppengeschwindigkeit in der Faser 9 und L ist die Länge der Faser 9.
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Vergleicht man die Formeln (1) und (2) mit der Formel
für den Wert U'(t) eines Signals, das das Korrelationsintegral
der Signale U&sbplus;(t) und U&submin;(t) wiedergibt, nämlich
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hierbei ist
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dann erkennt man, daß die Leistung der zweiten Harmonischen
proportional zum Korrelationsintegral der an den beiden Enden
der Faser 9 eingespeisten Signale ist, mit einem
Zeitkompressionsfaktor 2 aufgrund der relativen Geschwindigkeit der
Impulse, da sie in Wechselwirkung treten, während sie in
entgegengesetzter Richtung fortschreiten.
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Die nicht-linearen Materialien besitzen im allgemeinen
einen höheren Brechungsindex als der der Hülle 17 der
Lichtleitfaser 9, allerdings mit Ausnahme der organischen
Materialien. Wenn das nicht-lineare Material einen höheren
Brechungsindex als die Hülle 17 besitzt, dann läßt sich durch eine
verfeinerte Analyse die Leistung der zweiten Harmonischen
ebenfalls berechnen.
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Figur 3 zeigt Kurven der Leistung P(2ω) der zweiten
Harmonischen, wie sie in einem Ausführungsbeispiel erzeugt
wird, bei dem die Schicht 10 aus MNA besteht; hierbei ist die
von jeder Laserdiode 6 und 8 ausgesandte Leistung gleich 1
Watt und die Länge der Faser ist gleich 20 m. Die Kurven
gelten für verschiedene Werte des Unterschieds Δn der
Brechungsindices n&sub2; und n&sub1; und für verschiedene Werte des Abstands h
zwischen dem Flachbereich 13 und dem Übergang vom Kern 16 zur
Hülle 17 der Faser.
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Die Leistung der zweiten Harmonischen liegt in der
Größenordnung von 10&supmin;&sup5; Watt für einen Abstand h von 1
Mikrometer und eine Wellenlänge λ derart, daß λ/λC = 1,53, wobei λC
die Grenzwellenlänge der Faser 9 ist. Der Wirkungsgrad der
Vorrichtung verringert sich, wenn das Verhältnis λ/λC abnimmt
und wenn der Abstand h zunimmt, oder wenn der Unterschied Δn
der Brechungsindices zunimmt.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist für zahlreiche
Signalverarbeitungen brauchbar, insbesondere auf dem
Radarsektor.