DE4334102A1 - Optische Nachrichtenverbindung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf optische Nachrichten­ verbindungssysteme.

Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, Mittel zu schaf­ fen, um eine Nachrichtenverbindung zwischen zwei oder mehreren Stationen herzustellen und aufrechtzuerhalten, deren relative Lage zueinander anfänglich unbekannt ist, und außerdem soll diese Nachrichtenverbindung sehr schnell hergestellt werden.

Gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt ein optisches Nachrichtenverbindungssystem einen Sender mit Mitteln zur Erzeugung eines frequenzmodulierten optischen Strahls, eine akusto-optische Ablenkzelle zum Abtasten des Strahls und zum Einführen einer Frequenzverschiebung in den frequenz­ modulierten optischen Strahl, wobei ein Empfänger vorgesehen ist, der Mittel aufweist, um einen frequenzverschobenen frequenzmodulierten optischen Strahl zu erfassen, und Mittel vorgesehen sind, um dessen Frequenz zu bestimmen.

Die Mittel zur Erzeugung eines frequenzmodulierten optischen Strahls können zweckmäßigerweise einen Laser aufweisen, der mit einem akusto-optischen Modulator gekoppelt ist.

Die Mittel zur Bestimmung der Frequenz eines frequenz­ verschobenen frequenzmodulierten optischen Strahls können ein kohärentes Detektorsystem aufweisen, welches beispiels­ weise eine Überlagerungstechnik benutzt.

Die Ablenkzelle kann aus irgendeinem geeigneten Material bestehen, welches einen akusto-optischen Effekt bewirkt, d. h. eine Brechung von Licht durch akustische Wellen.

Ein Beispiel für ein solches Material ist Tellurdioxid. Die akustischen Wellen werden gewöhnlich in die Zelle über einen piezoelektrischen Wandler eingeführt, der beispielsweise mit einer Oberfläche der Zelle verbunden ist.

Die Theorie der Arbeitsweise der akusto-optischen Vor­ richtungen ist eingehend beschrieben. Als Beispiel wird auf "Principles of Acousto-Optic Devices" von V. M. Ristic verwiesen.

Wie bekannt, kann eine akusto-optische Ablenkzelle so ausgebildet sein, daß sie einen Strahl von Laserlicht, etwa mit der Frequenz f_o, empfängt und gemäß einem an die Zelle angelegten Hochfrequenztreibersignal im MHz-Bereich bis GHz-Bereich ein Teil des Lichts, welches aus der Zelle austritt, abgelenkt wird, um einen sogenannten "Strahl erster Ordnung" zu erzeugen. Der Ablenkwinkel dieses Strahls gegenüber dem nicht abgelenkten Strahl der Ordnung Null ist im wesentlichen proportional zur Frequenz des Treibersignals (fac), welches eine Schallwelle anregt, die über die Zelle fortschreitet. Demgemäß kann durch Änderung der Treibersignalfrequenz in steuerbarer Weise ein Strahl in einer einzigen Ebene abgetastet werden. Die zweidimensionale Abtastung kann dadurch erreicht werden, daß eine zweite Ablenkzelle vorgesehen wird, über die der Strahl erster Ordnung, welcher von der ersten Zelle erzeugt wird, geleitet wird. Verschiedene Mittel zur Erzeugung eines zweidimensio­ nalen Abtaststrahls (für Flugkörperleitanwendungen) sind beispielsweise in der GB-A-Z 113 939 beschrieben.

Zusätzlich zu seiner Ablenkung wird der Strahl erster Ordnung einer Frequenzverschiebung derart unterworfen, daß die Frequenz f_d des abgelenkten Strahls erster Ordnung wie folgt geschrieben werden kann:

f_d=f_o±fac.

D. h. die Frequenz des abgelenkten Strahls wird gegenüber der Frequenz des einfallenden Lichtes um einen Betrag verschoben, der gleich ist der Frequenz des Treibersignals. Tatsächlich wird das einfallende Licht durch die Frequenz der akustischen Wellen, die über die Zelle fortschreiten, einer Doppler-Verschiebung unterworfen. Die Richtung der Verschiebung (d. h. ein Ansteigen oder ein Abfallen der Frequenz) wird durch die Ausbreitungsrichtung der Schall­ wellee relativ zur einfallenden Laserstrahlung bestimmt.

Daraus folgt dann, daß der Ablenkwinkel in bestimmter Weise auf diese Doppler-Verschiebung bezogen ist und daß jeder Strahlwinkel eines aus der Zelle austretenden Strahls in eindeutiger Weise durch eine eindeutige Frequenzverschiebung codiert ist. Die vorliegende Erfindung benutzt diesen Effekt der Doppler-Verschiebung.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in Verbindung mit der beiliegenden Zeichnung beschrieben, die eine schematische Darstellung eines optischen Nachrichten­ verbindungssystems zeigt.

Die Zeichnung zeigt zwei Anschlußstationen 1 und 2, wobei die Station 1 eine Nachrichtenverbindung mit einer entfern­ ten Station 2 herstellen und aufrechterhalten möchte. Jede Station ist mit einem Sender 3 ausgerüstet, der einen Laser 4, einen akusto-optischen Modulator 5 und eine akusto­ optische Ablenkeinrichtung 6 aufweist. Jede Station ist außerdem mit einem Empfänger 7 ausgerüstet. Der Empfänger 7 weist einen örtlichen Oszillator 8 und ein Festkörper­ photodetektorelement 9 auf.

Ein kohärenter Empfang eines frequenzmodulierten Abtast­ strahls vom Sender 3 kann dadurch erfolgen, daß empfangenes Licht und Laserlicht vom örtlichen Oszillator 8 auf das Detektorelement 9 gerichtet werden. Dies führt zur Erzeugung eines Schwebungssignals am Detektorausgang, welches durch eine äußere Elektronik als Zwischenfrequenz (IF) erfaßt wird. Alle Änderungen in Amplitude, Frequenz oder Phase des Abtaststrahls (oder des örtlichen Oszillators) werden auf das Schwebungssignal übertragen, was bedeutet, daß das Zwischenfrequenzsignal die gesamte ursprüngliche Information des Abtaststrahls enthält. Demgemäß kann die Größe der Doppler-Frequenzverschiebung leicht festgestellt werden.

Die akusto-optische Ablenkeinrichtung 6 ist so ausgebildet, daß ein zweidimensionales Abtastmuster erzeugt wird. Bei diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Frequenz des Treibersignals nach den akusto-optischen Zellen durch einen schnell schaltenden digital gesteuerten Spannungs/Radio­ frequenz-Wandler 10 gesteuert. Dies gewährleistet eine hohe Abtastrate, was wiederum einen schnellen Aufbau der Nach­ richtenverbindung gewährleistet.

Der örtliche Oszillator 8 der einen Station muß an den Laser 4 der anderen Station angepaßt sein. Eine Möglichkeit, dies zu erreichen, wird im folgenden beschrieben.

Der Sender 3 der Station 1 wird auf die Station 2 hin gerichtet. Das Ausmaß der erforderlichen Genauigkeit wird durch das jeweilige akusto-optische Ablenkfeld bestimmt. Typische Feldwinkel sind größer als wenige Grade. Die Station 1 tastet dann ihren CW-Laser 4 mit einer hohen Geschwindigkeit ab, und zwar im typischen Fall mit mehreren Hundert Kilohertz. Der Empfänger 7 an der Station 2 wird dann gelegentlich durch die Strahlung beleuchtet. Die Laserstrahlung von der Station 1 enthält eine feste vorbe­ stimmte Frequenzmodulation durch den Modulator 5. Hierdurch wird die Möglichkeit geschaffen, daß der örtliche Oszillator 8 in der Station 2 verändert wird, bis eine Augenblicks­ frequenz abgezogen werden kann. Zu dieser Zeit beginnt die Station 2 zu senden, wobei das gleiche Verfahren wie oben erläutert benutzt wird. Wenn die Station 1 gelegentlich das von der Station 2 abgestrahlte Signal empfängt, hört die Station 1 auf zu senden und beginnt mit der Anpassung ihres örtlichen Oszillators 8 an die Abstrahlung von der Station 2. Nachdem dies geschehen ist, können die beiden Stationen miteinander in Verbindung treten.

Es ist festzustellen, daß dieses Verfahren in einer relativ kurzen Zeitskala vollendet werden kann, und zwar infolge der schnellen Abtastfähigkeit des akusto-optischen Systems.

An dieser Stelle haben die beiden Stationen eine Nach­ richtenverbindung zwischen sich aufgebaut, aber ihre gegenseitige Lage ist noch nicht bekannt.

Eine vollständige Nachrichtenverbindung wird wie folgt hergestellt:

Die Station 1 beginnt mit einer schnellen Abtastung. Wenn die Station 2 das Signal empfängt, wird die Doppler- Verschiebung (die den Empfangswinkel des abgetasteten Strahls ändert) aus dem empfangenen Signal abgeleitet. Dann schickt die Station 2 diese Information aus, indem ihr eigener Abtaststrahl unter Benutzung des Modulators 5 frequenzmoduliert wird. Die Station 1 empfängt dann gele­ gentlich die von der Station 2 abgestrahlte Information. Diese Information bezieht sich auf die Koordinaten der Station 2 relativ zu der Station 1. Die Station 1 hört dann mit der Abtastung auf, und es erfolgt eine Verriegelung auf die von der Station 2 empfangenen Koordinaten. Das von der Station 2 empfangene Licht enthält infolge der akusto­ optischen Ablenk-Doppler-Verschiebung die Koordinaten der Station 1 relativ zur Station 2.

Die Station 1 sendet daher diese Koordinaten direkt zur Station 2. Dann hört die Station 2 mit der Abtastung auf und verriegelt sich auf die Koordinaten, die von der Station 1 abgestrahlt wurden.

Das obige Verfahren zur Herstellung einer vollen Nach­ richtenverbindung kann erwartungsgemäß infolge der hohen Abtastrate sehr schnell vorgenommen werden.

Die beiden Stationen können nunmehr jede Information über ihre Sender 3 und den Modulator 5 übertragen, bis die Verbindung beispielsweise durch die Bewegung der einen Station relativ zu der anderen Station unterbrochen wird. Sobald dies geschieht, beginnen die beiden Stationen mit einer Suchabtastung, um die volle Nachrichtenverbindung wieder herzustellen. Wegen der hohen Abtastrate geschieht dies sehr schnell unter der Annahme, daß die Relativbewegung zwischen den Stationen nicht extrem schnell oder unregel­ mäßig erfolgt.

Die durch Frequenzmodulation des Abtaststrahls übertragene Information kann sich beispielsweise auf eine IFF-Informa­ tion beziehen. Eine andere Anwendung, für die die Erfindung speziell geeignet ist, ist eine geheime Sicherheits­ nachrichtenverbindung.

Claims (4)

1. Optisches Nachrichtenverbindungssystem mit einem Sender (3), der Mittel zur Erzeugung eines frequenz­ modulierten optischen Strahls (4, 5) aufweist, und mit einer akusto-optischen Ablenkzelleneinrichtung (6) zur Strahl­ abtastung und Einführung einer Frequenzverschiebung in den frequenzmodulierten optischen Strahl, gekennzeichnet durch einen Empfänger (7), der Mittel aufweist, um einen frequenzverschobenen frequenzmodulierten optischen Strahl (9) zu erfassen, wobei Mittel (8) vorge­ sehen sind, um die Frequenz des Strahls zu bestimmen.

2. Optisches Nachrichtenverbindungssystem nach Anspruch 1, bei welchem die Mittel zur Erzeugung eines frequenzmodulierten optischen Strahls einen Laser (4) aufweisen, der mit einem akusto-optischen Modulator (5) gekoppelt ist.

3. Optisches Nachrichtenverbindungssystem nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei welchem der Empfänger (7) ein Empfängersystem für kohärenten Empfang ist.

4. Optisches Nachrichtenverbindungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die akusto­ optische Ablenkzelleneinrichtung (6) einen digital ge­ steuerten Spannungs/Frequenz-Wandler (10) aufweist, um den optischen Strahl in vorbestimmter Weise abzutasten.