DE69521382T2

DE69521382T2 - Gerät zur verstärkung der modulationsamplitude eines optischen strahls

Info

Publication number: DE69521382T2
Application number: DE69521382T
Authority: DE
Inventors: Dominique Delacourt; Michel Papuchon; Nakita Vodjdani
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1994-04-08
Filing date: 1995-03-28
Publication date: 2001-10-31
Anticipated expiration: 2015-03-29
Also published as: EP0702804B1; WO1995027921A1; US5835258A; FR2718539A1; FR2718539B1; DE69521382D1; EP0702804A1

Description

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der optischen Systeme, bei denen eine Amplitudenmodulation benötigt wird, insbesondere im Höchst- oder Hyperfrequenzbereich.
Eines der derzeit oft angetroffenen Probleme liegt im Verhältnis der elektrischen Leistung PE, die für die Amplitudenmodulation verwendet wird, und der elektrischen Leistung PS, die von einem Photodetektor geliefert wird, der eine modulierte Lichtwelle erfassen kann. Dieser Aspekt ist besonders im Hyperfrequenzbereich wichtig. Außerdem ist das Modulationssignal in diesem Fall ein analoges Signal, was bedeutet, daß eine Modulation mit einem Modulationsgrad < 1 durchgeführt wird, um die Qualität des Signals beizubehalten. Die vom Photodetektor erzeugte Leistung ist also relativ gering.
Üblicherweise kann man einen optischen Verstärker vor der Erfassung durch einen Photodetektor zur Verstärkung des Lichtsignals verwenden. Es ist auch möglich, eine leistungsstarke Laserquelle und einen externen Modulator zu verwenden.
Diese Techniken erlauben eine Verstärkung des nutzbaren Lichtsignals, ohne dadurch die Hyperfrequenz-Leistung zu erhöhen, die für dessen Erzeugung erforderlich ist.
Der Lichtverstärker und der Photodetektor geraten jedoch leicht in die Sättigung, wenn sie nicht nur die modulierte optische Leistung, sondern auch den kontinuierlichen Untergrund aufgrund eines Modulationsgrads unter dem Wert eins empfangen. Die Lichtleistung wird nicht optimal genutzt, da sie nicht nur im wichtigen Signal (modulierten Signal), sondern auch in dem für die Anwendung unbrauchbaren Untergrund vorliegt.
Es sind bereits Vorrichtungen für die Modulation einer Lichtwelle mit einer Frequenz bekannt, die interferometrische Vorrichtungen mit zwei Armen verwenden, wie sie insbesondere in dem Aufsatz "Microwave Phase Shifter Using Optical Waveguide Structure" von K. Matsumoto et al. beschrieben sind, der im Journal of Light Wave Technology, Vol. 9, Nº 11, November 1991 NY (US), Seiten 1523 bis 1527 veröffentlicht wurde.
Das Problem des nutzlosen kontinuierlichen Untergrunds wird dadurch jedoch nicht gelöst.
Um dieses Problem der Begrenzung des Modulationsgrads aufgrund des Vorliegens eines kontinuierlichen Untergrunds zu lösen, schlägt die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur Verstärkung des Amplitudenmodulationsgrads eines Lichtstrahls vor, die den kontinuierlichen Untergrund aus einem modulierten Signal entfernen kann. Hierzu enthält die erfindungsgemäße Vorrichtung Mittel, mit denen zwei Lichtwellen gleicher Amplitude und gegenseitig verschobener Frequenzen zur Interferenz gebracht werden, sodaß sich dadurch eine rein sinusförmige Lichtwelle ohne kontinuierlichen Untergrund ergibt.
Genauer betrachtet ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zur Verstärkung des Modulationsgrads einer ankommenden monochromatischen Lichtwelle der Frequenz FL, wobei die Vorrichtung einen optischen Verstärker AO besitzt sowie zwischen dem Eingang für die ankommende Welle und dem Verstärker eine interferometrische Vorrichtung mit zwei Armen B&sub1; und B&sub2; aufweist, die je einen Teil der ankommenden Welle empfangen und von denen der eine auch durch eine elektrische Vorrichtung gespeist wird, die eine Hyperfrequenzwelle der Frequenz FM in diesem Arm erzeugen kann,
- wobei diese interferometrische Vorrichtung Mittel zur Erzeugung zweier Lichtwellen gleicher Amplitude, aber unterschiedlicher Frequenzen am Ausgang der beiden Arme besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß
- der Arm B&sub1; einen Frequenzumsetzer Tf enthält, der von einer Hyperfrequenzwelle der Frequenz FM gesteuert wird und am Ausgang eine Lichtwelle der Frequenz FL und eine Lichtwelle der Frequenz FM + FL und einer Amplitude a&sub1;(FL) beziehungsweise a'&sub1;(FM + FL) liefert,
- der Arm H&sub2; einen konstanten Phasenschieber Dφ enthält, der am Ausgang eine Lichtwelle mit der Frequenz FL und einer Amplitude a&sub2;(FL) liefert, sodaß sich nach einer Wiedervereinigung mit der Lichtwelle der Amplitude a&sub1;(FL) am Ausgang der interferometrischen Vorrichtung eine Lichtwelle der Amplitude a'&sub1;(FL) ergibt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Verstärkung des Modulationsgrads kann auch ein Mach-Zehnder-Interferometer enthalten, wobei jeder Arm einen Phasenschieber enthält und einer dieser Phasenschieber konstant ist und eine Phasenverschiebung um den Wert π erzeugt, während der andere eine sinusförmige Phasenverschiebung im Hyperfrequenzbereich erzeugt. Am Ausgang der Interferometervorrichtung gibt es im wesentlichen Interferenzen zwischen zwei Lichtwellen gleicher Amplitude bei der Frequenz FL - FM beziehungsweise der Frequenz FL + FM.
Gegenstand der Erfindung ist auch eine Vorrichtung zur Verstärkung des Modulationsgrads, bei der die interferometrische Vorrichtung ein Mikrointerferometer vom Sagnac-Typ ist, in das ein Hyperfrequenz-Phasenschieber eingefügt wird. Am Ausgang dieser interferometrischen Vorrichtung ergibt sich auch eine Interferenz zwischen zwei Lichtwellen gleicher Amplituden, deren Frequenzen um 2FM gegeneinander verschoben sind, wenn der Phasenschieber mit der Frequenz FM gespeist wird.
Die Erfindung und weitere Merkmale werden nun anhand von die Erfindung nicht einschränkenden Ausführungsbeispielen und der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
Fig. 1 zeigt ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, die einen Frequenzumsetzer Tf verwendet.
Fig. 2 zeigt ein weiteres Beispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, die ein Interferometer mit zwei Phasenschiebern verwendet, von denen der eine konstant und der andere mit einem Hyperfrequenzsignal gespeist wird.
Fig. 3 zeigt ein drittes Beispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Mikrointerferometer nach Sagnac.
Ganz allgemein soll die erfindungsgemäße Vorrichtung die Interferenz zweier um eine Frequenz im Hyperfrequenzbereich gegeneinander versetzter Wellen gleicher Amplitude gewährleisten und ein im Hyperfrequenzbereich moduliertes Lichtsignal liefern, das keinen kontinuierlichen Untergrund mehr besitzt und dann vorzugsweise optisch verstärkt und in einem Photodetektor erfaßt werden kann.
Eine erste Ausführungsform verwendet eine interferometrische Vorrichtung, die einerseits einen Frequenzumsetzer und andrerseits einen Phasenschieber enthält. Das allgemeine Prinzip einer solchen Konfiguration wird anhand des allgemeinen Schemas der Fig. 1 erläutert. Eine Laserquelle, die eine Lichtleistung PO mit einem Dauerstrich emittiert und als monochromatische Quelle angenommen wird, ist an eine interferometrische Vorrichtung mit zwei Wellen gekoppelt. In einem ersten Arm B&sub1; liegt ein Frequenzumsetzer Tf, der mit einer Leistung PE im Hyperfrequenzbereich gespeist wird. Dieser Frequenzumsetzer erzeugt ausgehend von einer ankommenden Lichtwelle der Frequenz FL eine Welle der Frequenz FL + FM und eine Welle der Frequenz FL (FM ist die Frequenz einer Hyperfrequenzwelle, die ein Generator mit der Leistung PE liefert).
Das Verhältnis zwischen der auf die Frequenz FL + FM umgesetzten Welle und der nicht umgesetzten Welle der Frequenz FL hängt von der Amplitude des angelegten Hyperfrequenzsignals ab. Wenn man die Leistung PE verringern will, ist dieses Verhältnis notwendigerweise klein. Daher legt man in den zweiten Zweig B&sub2; einen Phasenschieber Dφ, der konstant betrieben wird und dessen Wert so gewählt wird, daß nach der Wiedervereinigung der beiden Arme die beiden Wellen der Frequenzen FL und FL + FM die gleiche Amplitude besitzen. Das Lichtsignal mit zwei Frequenzen gelangt dann in einen Lichtverstärker AO mit dem Verstärkungsgrad G, ehe es an den Photodetektor angelegt wird, der schließlich die Überlagerung zwischen den beiden Wellen unterschiedlicher Frequenzen analysiert und ein Signal mit der Frequenz FM liefert.
In dieser Vorrichtung erkennt man, daß, wenn ein Photodetektor direkt hinter dem Frequenzumsetzer (Punkt 1) angeordnet wäre, das erfaßte Signal nicht nur eine Komponente mit der Frequenz FM aufgrund der Überlagerung der beiden Lichtwellen unterschiedlicher Frequenzen, sondern auch noch einen kontinuierlichen Untergrund auf Grund der Tatsache enthalten würde, daß die beiden Wellen nicht die gleiche Amplitude besitzen. Die Wirkung des einen Frequenzumsetzer und einen Phasenschieber verwendenden Interferometers besteht also darin, daß dar kontinuierliche Untergrund unterdrückt wird und nur noch die Überlagerung zwischen zwei Wellen gleicher Amplitude und so eines Einheitskontrasts übrigbleibt.
Der Lichtverstärker AO verstärkt also nur das optische Nutzsignal, und der Photodetektor gerät nicht mehr in Gefahr, durch den kontinuierlichen Untergrund begrenzt zu werden. So kann man die ganze maximale Ausgangsleistung des für den Photodetektor akzeptablen optischen Verstärkers ausnützen.
Der Frequenzumsetzer Tf im Arm B&sub1; kann vorzugsweise eine akusto-optische Vorrichtung vom Typ eines akusto-optischen Deflektors sein, die mit einem Hyperfrequenz-Signal gespeist wird. Dieser akusto-optische Deflektor kann einen piezo-elektrischen Transduktor enthalten, der eine akustische Welle erzeugen kann, die durch Bildung einer Index- Gitterstruktur eine ankommende Lichtwelle der Frequenz FL um eine Frequenzdifferenz FM in der Frequenz verschieben kann.
Der Frequenzumsetzer Tf kann auch eine elektro-optioptische Vorrichtung sein. Man erzeugt mithilfe von Elektroden ein elektrisches Feld, das die Ausbreitung einer Hyperfrequenzwelle initiiert.
Dieser Phasenschieber Dφ0 kann typisch von einem zwischen zwei Elektroden liegenden Wellenleiter gebildet werden, an den ein elektrisches Gleichfeld angelegt wird, welches den optischen Brechungsindex und damit den optischen Pfad so beeinflußt, daß die gewünschte Phasenverschiebung erreicht wird.
In einer anderen Variante der Erfindung kann die interferometrische Vorrichtung vorzugsweise zwei Phasenschieber enthalten, wie dies Fig. 2 zeigt. In einem Arm B&sub1; induziert ein erster Phasenschieber Dπ eine Phasenverschiebung um einen Wert von ii auf der ankommenden Lichtwelle. Im zweiten Arm B&sub2; kann man einen Phasenschieber DFM vorsehen, der elektrisch mit einer Welle der Frequenz FM/2 gespeist wird. Im Arm B&sub2; erzeugt man so eine Reihe von Lichtwellen mit Frequenzen FL ± FM/2; FL ± 3FM/2; ... mit im wesentlichen zwei beherrschenden Komponenten FL + FM/2 und FL - FM/2. Am Ausgang der interferometrischen Vorrichtung erhält man hauptsächlich Interferenzen zwischen Hyperfrequenzwellen der Frequenzen +FM/2 und -FM/2, also eine Lichtwelle mit zwei Frequenzen und gleicher Amplitude für die beiden Komponenten und ohne kontinuierlichen Untergrund mit Überlagerung.
Eine dritte Konfiguration für die interferometrische Vorrichtung, die in der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendet wird, ist ein Mikrointerferometer nach sagnac, wie in Fig. 3 zu sehen ist. Ausgehend von einer monochromatischen Laserquelle kann man ein solches Interferometer mit einem Separatorplättchen und halbreflektierenden Spiegeln realisieren. Die Lichtwelle mit der Frequenz FL wird durch ein Separatorplättchen in zwei Wellen aufgeteilt, die sich in Gegenrichtung entlang eines durch Spiegel definierten geschlossenen Pfads ausbreiten. Die beiden in Gegenrichtung verlaufenden Wellen vereinen sich wieder und erzeugen Interferenzstreifen, die von einem im Punkt 1 liegenden Photodetektor erfaßt werden können. Wenn kein nichtreziproker Effekt in den geschlossenen Pfad eingeführt wird, kommen die beiden in Gegenrichtung verlaufenden Wellen im Punkt 1 in Gegenphase an. Fügt man einen Phasenschieber in den geschlossenen Kreis ein, der eine zeitlich sinusförmige Veränderung induziert, dann kann man eine differentielle Phasenverschiebung zwischen den beiden Wellen und damit eine Amplitudenmodulation ausgehend von einem Niveau null realisieren. In einer solchen interferometrischen Vorrichtung gleicht der Betrieb also dem eines Mach-Zehnder-Interferometers, das auf 180º eingestellt ist, ohne daß eine Spannung angelegt werden müßte, um diese Phasenverschiebung von it zu erzeugen. So erhält man für eine Phasenverschiebungsfrequenz von FM/2 im wesentlichen ein Überlagerungssignal mit der Frequenz FM.

Claims

1. Vorrichtung zur Verstärkung des Modulationsgrads einer ankommenden monochromatischen Lichtwelle der Frequenz FL, wobei die Vorrichtung einen optischen Verstärker AO besitzt sowie zwischen dem Eingang für die ankommende Welle und dem Verstärker eine interferometrische Vorrichtung mit zwei Armen B&sub1; und B&sub2; aufweist, die je einen Teil der ankommenden Welle empfangen und von denen der eine auch durch eine elektrische Vorrichtung gespeist wird, die eine Hyperfrequenzwelle der Frequenz FM in diesem Arm erzeugen kann,

- wobei diese interferometrische Vorrichtung Mittel zur Erzeugung zweier Lichtwellen gleicher Amplitude, aber unterschiedlicher Frequenzen am Ausgang der beiden Arme besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß

- der Arm B&sub1; einen Frequenzumsetzer Tf enthält, der von einer Hyperfrequenzwelle der Frequenz FM gesteuert wird und am Ausgang eine Lichtwelle der Frequenz FL und eine Lichtwelle der Frequenz FM + FL und einer Amplitude a&sub1;(FL) beziehungsweise a'&sub1;(FM + FL) liefert,

- der Arm B&sub2; einen konstanten Phasenschieber D&sub4; enthält, der am Ausgang eine Lichtwelle mit der Frequenz FL und einer Amplitude a&sub2;(FL) liefert, sodaß sich nach einer Wiedervereinigung mit der Lichtwelle der Amplitude a&sub1;(FL) am Ausgang der interferometrischen Vorrichtung eine Lichtwelle der Amplitude a'&sub1;(FL) ergibt.

2. Vorrichtung zur Verstärkung des Modulationsgrads nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzumsetzer eine akusto-optische Vorrichtung ist.

3. Vorrichtung zur Verstärkung des Modulationsgrads nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzumsetzer eine elektro-optische Vorrichtung ist.

4. Vorrichtung zur Verstärkung des Modulationsgrads nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzumsetzer ein akusto-optischer Deflektor ist.

5. Vorrichtung zur Verstärkung des Modulationsgrads einer ankommenden monochromatischen Lichtwelle der Frequenz FL, wobei die Vorrichtung einen optischen Verstärker AO besitzt sowie zwischen dem Eingang für die ankommende Welle und dem Verstärker eine interferometrische Vorrichtung mit zwei Armen B&sub1; und B&sub2; aufweist, die je einen Teil der ankommenden Welle empfangen und von denen der eine auch durch eine elektrische Vorrichtung gespeist wird, die eine Hyperfrequenzwelle der Frequenz FM in diesem Arm erzeugen kann,

- wobei diese interferometrische Vorrichtung Mittel zur Erzeugung zweier Lichtwellen gleicher Amplitude, aber unterschiedlicher Frequenzen am Ausgang der beiden Arme besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß der Arm B&sub1; einen festen Phasenschieber um den Wert ii und der Arm B&sub2; einen Phasenschieber enthält, der mit einem Hyperfrequenzsignal gespeist wird.

6. Vorrichtung zur Verstärkung des Modulationsgrads einer ankommenden monochromatischen Lichtwelle der Frequenz FL, wobei die Vorrichtung einen optischen Verstärker AO besitzt sowie zwischen dem Eingang für die ankommende Welle und dem Verstärker eine interferometrische Vorrichtung mit zwei Armen B&sub1; und B&sub2; aufweist, die je einen Teil der ankommenden Welle empfangen und von denen der eine auch durch eine elektrische Vorrichtung gespeist wird, die eine Hyperfrequenzwelle der Frequenz FM in diesem Arm erzeugen kann,

- wobei diese interferometrische Vorrichtung Mittel zur Erzeugung zweier Lichtwellen gleicher Amplitude, aber unterschiedlicher Frequenzen am Ausgang der beiden Arme besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß die interferometrische Vorrichtung ein Mikrointerferometer nach Sagnac mit einem Phasenschieber D2φ ist, der mit einem Hyperfrequenzsignal gespeist wird.