NO175878B - - Google Patents

Description

Denne oppfinnelse vedrører et system for å kode informasjon på en optisk stråle, omfattende et legeme av elektro-optisk materiale som er tilpasset til å motta en første optisk stråle, og midler for å etablere et vekslende elektrisk felt innenfor legemet for å indusere en varians i materialets indeksellipsoide via legemets elektro-optiske effekt. Videre vedrører oppfinnelsen en fremgangsmåte for å kode informasjon på en optisk stråle, omfattende å sende en første optisk stråle gjennom et legeme av elektrop-optisk materiale, og å etablere et vekslende elektrisk felt innenfor legemet for å indusere en varians i legemets indeksellipsoid via den elektro-optiske effekt.

Fotobrytende materialer er blitt anvendt i et antall av forskjellige anvendelser som involverer behandlingen av optiske stråler. En hovedanvendelse er i fasekonjugerte speil (PCM). Andre anvendelser innbefatter holografi, bildebehand-ling og ytelsen av optisk matematiske funksjoner slik som bildeforsterkning, mønstersubtraksjon og mønstergjenkjen-nelse. I hver av disse anvendelser har det fotobrytende optiske system hovedsakelig vært passivt, i det henseende at det har en kjent respons overfor en optisk inngangsstråle, og i realiteten frembringer en utgangsstråle som er slavebundet til inngangsstrålen.

Ettersom PCM og fotobrytningsanordninger generelt er av interesse i denne oppfinnelse, vil det være nyttig kort å minnes noen av deres grunnleggende drifts- og konstruksjons-karakteristika.

Generelt er et fotobrytningsmateriale et materiale der hvor brytningsindeksen endrer seg under innflytelsen av tilført lys, slik som en laserstråle. Lyset bevirker ladninger innenfor det fotobrytende materialet til å migrere og separere, hvorved frembringes et internt elektrostatisk felt. Dette felt frembringer en endring i krystallets brytningsindeks ved hjelp av den lineære elektro-optiske effekt

(Pockels-effekten). Teorien for den elektro-optiske effekt er beskrevet i en tekst av A. Yariv, "Introduction to Optical Electronics", 2. utg., s. 246-253 (1976). Det fotobrytende "indeksgitter", eller periodiske variasjoner i krystallets brytningsindeks, er et mål på indeksendringen. Fotobrytningsmaterialer omfatter generelt III-V og II-VI halvlederkombina-sjoner innenfor den periodiske tabell, og andre krystaller slik som BaTi03, Bi12<S>iO20 og KTa1_xNbx03.

Dannelsen av fotobrytningsindeksgitter er vist i fig. 1, hvor den horisontale aksen representerer distansen innenfor det fotobrytende krystallet.

Det øvre diagrammet illustrerer lysmønsteret med en rommessig periodisk intensitet innenfor krystallet, mens det neste diagram illustrerer den resulterede ladningstetthet p innenfor krystallet. De mobile ladninger, vist til å være av positiv polaritet, har tendens til å akkumulere seg i de mørke regioner av lysintensitetsmønsteret. Den resulterende periodiske ladningsfordeling frembringer et periodisk elektrostatisk felt E ved Poisson's ligning. Dette elektriske felt, vist i det tredje diagrammet i fig. 1, bevirker så en endring i brytningsindeksen A n for krystallet ved hjelp av den lineære elektro-optiske effekt. Den elektro-optiske koeffisient er proporsjonal med forholdet mellom brytnings-indeksendringen og romladningens elektrostatiske felt innenfor krystallmaterialet. Fotobrytningseffekten, vist i det siste diagrammet i fig. 1, er ikke-lokal ved at den maksimale brytningsindeksendring ikke opptrer ved toppen av lysintensiteten. I fig. 1 er den rommessige forskyvning mellom A n og I lik M (en 90° faseforskyvning) av gitterperioden. Generelt kan imidlertid denne forskyvning være en hvilken som helst andel av gitterperioden (grating period).

Fasekonjugering er et optisk fenomen som har tiltrukket seg betydelig oppmerksomhet i senere år. Flere forskjellige måter å fremstillle fasekonjugerte stråler er blitt omtalt i litteraturen, innbefattende fire-bølge-blanding, stimulert Brillouin-spredning, Raman-spredning, tre-bølge-blanding og foton-ekkoanordninger. En oversikt over forskjellige anvendelser av optisk fasekonjugering gis av Giuliano i Physics Today, "Applications of Optical Phase Conjugation", april 1981, s. 27-35. En generell oversikt over feltet gis i A. Yariv, IEEE, J. Quantum Electronics E14, 650 (1978), og i "The Laser Handbook vol. 4", redigert av M.L. Stitch og M. Boss, kap. 4 av foreliggende oppfinner, "Non-Linear Optical Phase Conjugation", s. 333-485, North Holland Publishing Co. 1985 .

I grunntrekk frembringer et fasekonjugert speil (PCM) en retro-reflekterende refleksjon av en innfallende stråle, med fasen av den reflekterte strålen reversert fra den for den innfallende strålen ved refleksjonspunktet. Et typisk PCM som er kjent innenfor den tidligere teknikk er vist i fig. 2. Dette er vist som en f ire-bølge-blander, i hvilken et par kontra-direktive laserstråler 2 og 4 rettes inn i et optisk blandingsmedium 6. En initialiserende laserstråle Ej, lik i frekvens med strålene 2 og 4, rettes inn i blandingsmediumet fra siden. Som et resultat av virkningen av de forskjellige strålene innenfor blandingsmediumet, blir en reflektert stråle REj<*>, hvor R er refleksjonskoeffisienten, reflektert tilbake i en retning motsatt den innfallende strålen Ej. Ettersom effekt pumpes inn i systemet av stråler 2 og 4, kan reflektoren produsere en forsterkning som gjør R større enn 1. ;I tillegg til å være retro-reflekterende for den innfallende strålen, gjennomgår også den fasekonjugerte reflekterte strålen en fasereversering med hensyn til den innfallende strålen ved refleksjonspunktet. Dette er vist i fasedia-grammet i fig. 3, som viser de innfallende og reflekterte bølgene som vektorer plottet mot en horisontal reell akse og en vertkal imaginær akse. Man vil se at fasevinkelen for den reflekterte strålen REj<*> er lik i absolutt størrelse, men omsnudd i polaritet fra den innfallende strålen Ej.

PCM'er kan tilveiebringes enten med eksterne pumpingsstråler, slik som i bølge-blanderen vist i fig. 2, eller en "selv-pumpet" anordning som eliminerer kravet til eksterne pumpestråler. I en anvendelse er ekstern informasjon blitt kodet på utgangsstrålen fra en fire-bølge-blander ved å modulere pumpestrålene, f.eks. E.I. Mandelberg, "Phase Modulates Conjugate Wave Generation in Ruby" Optics Letters, vol. 5, s. 258, 1980. Imidlertid krever denne teknikk bruken av både eksterne pumpestråler og en ekstern modulator.

Av de selv-pumpede PCM'er, blir de som anvender Brillouin eller Raman-spredning generelt anvendt i forbindelse med høyeffektspulsede laserstråler, slik som fra en Nd:YAG-laser, men er ikke praktiske med laveffekts kontinuerlig opererende lasere, slik som HeNe-anordninger. En annen type av selv-pumpet PCM er basert på bruken av et fotobrytende materiale, som vanligvis innehar en høy elektro-optisk koeffisient som det fasekonjugerende medium. Et slikt selv-pumpet PCM er blitt anvendt med kontinuerlig opererende, laveffekts lasere slik som HeNe-lasere.

Selv om fotobrytningsmaterialer er blitt anvendt som PCM'er og andre anordninger til å frembringe en kjent respons overfor en innmatet optisk stråle, er det ikke blitt anvendt til å sende ytterligere informasjon. Ettersom mange av disse anordninger danner effektive kommunikasjonskanaler, anvendes de ikke fullstendig når deres bruk således begrenses til de begrensede formål som de opprinnelig var utviklet for.

Det er et formål ved den foreliggende oppfinnelse i stor grad å utvide den potensielle anvendelse av fotobrytningsmaterialer ved å anvende dem som en kommunikasjonskanal for informasjon som skal kodes på optiske stråler

Et annet formål er tilveiebringelsen av optiske anordninger som har fotobrytning og som er i stand til å kode informasjon på en laserstråle på et høyfrekvens-bærebølgenivå godt over den karakteristiske laserstøybåndbredden, hvorved den kodete informasjonen i alt vesentlig isoleres fra laserens støy-spektrum.

Andre formål innbefatter realiseringen av en fjerntliggende, kodbar retro-stråle, kodingen av informasjon på en optisk stråle med høye datatakter og med et potensial for multi-pleksing av tallrike forskjellige informasjonskanaler, evnen til å kode en optisk stråle med enten frekvens, fase, polarisasjons- eller amplitudemodulasjon, og oppnåelsen av et kompakt informasjonskodingssystem som har lav vekt og dessuten har lave krav til modulasjonseffekt/spenning.

I tillegg er det et formål å tilveiebringe et informasjonskodingssystem og en fremgangsmåte som er særlig egnet for et selv-pumpet PCM, og som kan tilpasses for bruk i en forbedret modus-låst fasekonjugert laser.

Det innledningsvis nevnte system kjennetegnes, ifølge oppfinnelsen, ved at det nevnte legemet er et fotobrytende materiale, og at systemet videre omfatter midler for å tilføre minst en andre optisk stråle til legemet for å krysskople med den første strålen innenfor legemet og frembringe en resulterende utgangsstråle, for derved å etablere fotobrytende gitre innenfor nevnte legeme, og middel for å modulere nevnte vekslende elektriske felt innenfor legemet for å kode ønsket informasjon på utgangsstrålen.

Den innledningsvis nevnte fremgangsmåte kjennetegnes, ifølge oppfinnelsen, ved at nevnte legeme dannes av et fotobrytende materiale, og dessuten å tilføre minst en andre optisk stråle til legemet for å krysskople med den første strålen og frembringe en resulterende utgangsstråle, hvorved det etableres fotobrytende gittere innenfor nevnte legeme, og å modulere det vekslende elektriske feltet for å kode ønsket informasjon på utgangsstrålen.

Ytterligere utførelsesformer av systemet og fremgangsmåten vil fremgå av den etterfølgende beskrivelse med henvisning til de vedlagte tegninger, samt av de vedlagte patentkrav.

Ved oppfinnelsen blir således et legeme av fotobrytningsmateriale tilpasset til å motta en optisk stråle, og midler tilveiebringes for å etablere et vekslende elektrisk felt innenfor legemet. Det vekslende elektriske feltet, som kan være unipolart eller bipolart, blir så modulert innenfor legemet til å kode den ønskede informasjonen på utgangsstrålen. Kodingen finner sted ved en modulering av legemets brytningsindeks-ellipsoide via den elektro-optiske effekt. Forskjellige modulasjonsteknikker innbefatter modulering av frekvensen, fasen eller amplituden av det vekslende elektriske feltet, eller den relative polarisering av strålen relativt det innmatede optiske feltet. Feltene, og derved utgangsstrålen, kan kodes med informasjon fra et antall av forskjellige informasjonskanaler som multiplekses enten i tids- eller frekvensområdet. Når det vekslende elektriske feltet anvendes med en støyholdig inngangslaserstråle, kan det etableres på en vesentlig høyere frekvens enn laser-støyens båndbredde, hvorved tillates et modulerende signal som er innenfor det samme frekvensregimet som stråle-frekvensens støyspektrum som skal isoleres fra strålestøyen ved å plassere det på feltbærebølgen som har høyere frekvens gjennom bruken av fasefølsomme deteksjonsanordninger.

Oppfinnelsen kan anvendes på optiske anordninger som har fotobrytning, slik som PCM'er av enten det selv-pumpede eller eksternt pumpede utvalg. Når det modulerende signalet anvendes på et fotobrytnings-PCM, hvilket kan bevirkes til å selv-pumpe ved hjelp av et ytterligere vekslende elektrisk felt, kan det modulerende signalet utvikles enten i et vesentlig høyere frekvensområde enn fotobrytningsresponsen, hvorved informasjon kodes på den fasekonjugerte utgangsstrålen primært ved modulasjon av fotobrytningsmaterialets indeksellipsoide via den elektro-optiske effekt, eller innenfor frekvensregimet for fotobrytningseffekten, hvorfra informasjon kodes på utgangsstrålen ved å modulere både den elektro-optiske effekt og materialets fotobrytningsrespons.

Tallrike anvendelser er gjort mulige ved den nye kodings-planen, slik som bruken av et PCM for fjernavføling, bruken av en eller to PCM'er for interferometrisk avføling, en modus-låst fasekonjugert laser og forskjellige mulige optiske matematiske funksjoner, slik som bildeforsterkning.

Oppfinnelsen skal nå beskrives på basis av den etterfølgende detaljerte beskrivelse av foretrukne utførelsesformer, vurdert sammen med de vedlagte tegninger, hvor: Fig. 1 er en rekke av diagrammer som illustrerer dannelsen

av et fotobrytningsindeksgitter,

Fig. 2 er et illustrerende riss over et tidligere kjent PCM

som anvender fire-bølge-blanding,

Fig. 3 er et fasediagram som viser de innfallende og

reflekterte stråler i et fasekonjugeringssystem,

Fig. 4 er et blokkskjema over en grunnleggende realisering

av oppfinnelsen,

Fig. 5 er et blokkskjema over oppfinnelsen som anvendt på et selv-pumpet fotobrytnings-PCM med informasjonssignalet isolert fra strålestøyen, Fig. 6 er et blokkskjema ifølge oppfinnelsen som anvendt på

et selv-pumpet fotobrytnings-PCM med et selv-pumpende vekslende signal som tilveiebringer en bærebølge for informasjonssignalet,

Fig. 7 er et blokkskjema ifølge oppfinnelsen anvendt i en

fjernavfølingsanvendelse,

Fig. 8 er et blokkskjema over oppfinnelsen anvendt i en

fjerntliggende heterodyn avfølingsanvendelse,

Fig. 9 er et blokkskjema over oppfinnelsen anvendt på en

modus-låsningslaser,

Fig. 10 er et diagram som kontrastdanner PCM-modulerings-frekvensen med laserutmatningen fra systemet vist i fig. 9, og Fig 11 er et blokkskjema over oppfinnelsen anvendt i en modulert bildeforsterkningsanvendelse under bruk av to-bølge-strålekoplingsteknikk.

Den grunnleggende operasjon ifølge oppfinnelsen er vist i fig. 4. En vekselspenningskilde 8 er koplet ved hjelp av ledertråder 10 og 12 til elektroder 14 og 16 som er anbragt på motsatte flater av et krystall 18 som er dannet av et fotobrytningsmateriale. Elektrodene 14 og 16 består fortrinnsvis av filmer av ledende materiale som er malt på de motsatte flater av fotobrytningskrystallet 18. Spenningskilden 8 etablerer et vekslende elektrisk felt gjennom krystallet som påvirker krystallets indeks ellipsoide via den elektro-optiske effekt. En modulator 19 modulerer kilden 8, hvorved vekslingen av krystallets elektriske felt kodes med informasjonen som befinner seg i det modulerende signalet. Dette i sin tur modulerer krystallets indeksellipsoide via den elektro-optiske effekt, hvori det bevirkes at den kodete informasjon oppfanges av en laserstråle 20 som sendes gjennom krystallet. På denne måte kan informasjon overføres fra en informasjonskilde som er representert av modulatoren 19 til en laserstråle. I tilfellet av et PCM, vil en kodet fase-konjugert utgangsstråle 20A bli frembragt.

Virkningen av det modulerende signalet på laserstrålen vil avhenge av frekvensen av bærebølgens elektriske feltsignal fra kilden 8. For bærebølgefrekvenser som er vesentlig større enn fotobrytningsreaksjonsevnen hos fotobrytningsmaterialet, vil det modulerende signalet bli overført på laserstrålen praktisk talt kun ved modulasjon av krystallets indeksellipsoide via den elektro-optiske effekt. For bærebølge-frekvenser innenfor båndbredden av krystallets fotobrytningsrespons, vil det modulerte bærebølgesignalet kode utgangsstrålen gjennom en effekt både på krystallets indeksellipsoide via den elektro-optiske effekten og en modulasjon av dets fotobrytningsrespons.

Forskjellige former av signalmodulsjon kan anvendes, innbefattende frekvensmodulasjon, fasemodulasjon, og amplitudemodulasjon, hvilket resulterer i en modulasjon av laser-strålens frekvens, fase, amplitude eller relative polarisasjon. Den sistnevnte modulasjonsform kan oppnås ved en styrt variasjon av det relative feltets/krystallets rommessige orientering, eller ved tilføyelsen av spesielle polariserende elementer.

Anvendelsen av oppfinnelsen på et selv-pumpet (ingen eksterne pumpestråler) PCM er vist i fig 5. Selv om en bestemt type av selv-pumpet PCM er vist, bør det forstås at oppfinnelsen kan anvendes på hvilket som helst selv-pumpet eller ikke-selv-pumpet PCM som anvender et fotobrytningsmateriale som det konjugerende medium. En vekselspenningskilde 21 er koplet ved hjelp av ledetråder 10 og 12 til elektroder 14 og 16 på krystallet 18. I visse klasser av krystaller må frekvensen og intensisteten av kilden 21 velges slik at det vekslende elektriske feltet mellom elektrodene 14 og 16 etablerer som en fotobrytningsgitter-forskyvning lik 90° innenfor krystallet. Krystallorienteringen er som angitt på tegningene, med den vertikale aksen (0-0-0), den horisontale aksen (1-1-0) og z-aksen som kommer ut fra papiret (1-1-0).

En inngangssonde (probe) laserstråle 20 er rettet gjennom krystallet. Krystallet avbøyer strålen langs en bane 22 innenfor krystallet. Strålen blir igjen avbøyd tilbake til sin opprinnelige retning når den går ut fra den motsatte siden av krystallet som en utgangsstråle 24. Utgangsstrålen avbøyes av et par dreiende speil 26, 28 tilbake gjennom krystallet som en returstråle 30. De dreiende speil 26, 28 kunne realiseres som et enkelt hjørnespeil hvis vinkelen mellom utgangsstrålen 24 og returstrålen 30 er liten nok. Stråleavbøyningen kan også oppnås på krystalloverflaten ved å anvende et reflekterende belegg på krystallet, ved å anvende et krystall hvis overflate var naturlig reflekterende, eller ved å anvende den riktige innfallsvinkelen slik at strålene innenfor krystallet blir reflektert av overflaten via total innvendig refleksjon. Selv-pumpede krystaller som anvender stimulert tilbakespredning kan også anvendes. Speilanord-ningen dirigerer returstrålen 30 slik at den skjærer sondestrålen 22 innenfor krystallet i en vinkel A. De to strålene krysskoples med hverandre, overfører energi fra returstråle 30 og danner en fasekonjugert av sondestrålen, idet den fasekonjugerte strålen 32 kommer ut fra krystallet langs en bane som er i alt vesentlig retro-reflekterende relativt den opprinnelige sondestrålen 20.

Et bærebølgesignal som er tilveiebragt av vekselspennings-kilden 8 er koplet i serie med spenningskilden 21 og kry-stallelektroden 14, 16. Kilden 8 moduleres av en modulator 19 som i fig. 4, og overlagrer derved et modulert elektrisk felt på feltet som etableres over krystallet av kilden 21. Som omtalt nærmere nedenfor, blir den informasjon som befinner seg i det modulerende signalet påtrykket på utgangsstrålen ved hjelp av det modulerte bærebølgesignalets innflytelse på indeksellipsoiden for fotobrytningsmaterialet via den elektro-optiske virkning og, for modulert bærebølge-signaler innenfor det samme frekvensregimet som den elektriske feltkilden 21, også ved en modulasjon av krystallets fotobrytningsrespons.

Den realisering som er vist i fig. 5 foretrekkes fordi den gir et enestående selv-pumpet PCM som kan anvende et langt bredere og mer fordelaktig område av materialer for det konjugerende medium enn hva som tidligere er tilgjengelig. Denne type av konjugerer er omhandlet i norsk patent nr. 173077, og hvis innhold er innbefattet her ved henvisning. I denne type av PCM etableres et vekslende elektrisk felt over et fotobrytningslegeme, hvorved forsterkningen i legemet økes til et nivå hvor selv-pumpingsvirkning finner sted. Dette muliggjør bruken av fotobrytningsmaterialer med relativt lave elektro-optiske koeffisienter, slik som vanlige halvledere, som det konjugerende medium for et selv-pumpet PCM. Forut for dette fremskritt hadde selv-pumpede fotobrytnings-PCM'er vært begrenset til høyelektro-optiske materialer, slik som BaTiOs (bariumtitanat) og Sr1_xBaxNb205 (strontiumbariumniobat). Slike tidligere kjente anordninger er omhandlet i White et al., Appl. Phys. Lett. 40. 450, 1982 og Feinberg, Opt. Lett. 7, 486, 1982. Materialene med høyere elektro-optisk koeffisient har imidlertid flere ulemper. De er vanskelige å oppnå i god optisk kvalitet og med store dimensjoner, opererer i relativt små temperaturområder, har en relativt langsom foto-brytningsreaksjonsevne, og er ikke følsomme på alle bølge-lengder av interesse. Anvendelsen av et vekslende elektrisk felt som foreslått i nevnte norske patent nr. 173077 gjør det mulig å innkorporere materialer med langt lavere elektro-optisk koeffisient, slik som halvledere inn i et selv-pumpet PCM. Fra dette norske patent fremgår det at, for slike materialer, er den innvendige krystallvinkel A mellom inngangs- og returstålene optimalt mindre enn 5° (mindre enn 3° for GaAs). I motsetning til dette er den optimale vinkelen for det tidligere kjente BaTi03 PCM ca. 10°.

En nylig serie av avhandlinger er blitt publisert av Stepanov og Petrov hvor bruken av fotobrytningsmaterialer for både fasekonjugering og holografi ble diskutert (Optics Communi-cations 53, 292, 1. april 1985; Proe. of ICO-13, Sapporo, 1984; Sov. Tech. Phys. Lett. 10 (11), november 1984). Disse avhandlinger utviklet konseptet med å anvende et vekslende elektrisk felt på et fotobrytningsmateriale til å øke dets to-bølge-blandingsforsterkningskoeffisient for holografiske og bildebehandlingsanvendelser. Den foreliggende oppfinnelse involverer modulering av det elektriske feltet som påtrykkes fotobrytningsmediumet, og er nyttig for både anvendelsene ifølge nevnte norske patent (oppfinnere: Valley/Klein) og Stepanov/Petrov. Konseptet kan også anvendes på andre fotobrytningsoptiske systemer som ikke naturlig innbefatter eller krever et vekslende elektrisk felt ved ganske enkelt å tilføye feltet og så modulere det.

I fig. 5 kan frekvensene for de forskjellige signalene variere betydelig, avhengig av det bestemte materialet som anvendes. For en halvleder slik som GaAs med en relativt hurtig fotobrytningsreaksjonstid i størrelsesorden 0,1—10 mikrosekunder, vil 90° forskjøvne gittere bli dannet for å frembringe en fasekonjugeringsrespons når signalet fra kilden 21 har en frekvens i størrelsesorden 0,1-10 MHz. I dette tilfellet kunne bærebølgesignalet 8 være i størrelses-orden av en Gigahertz eller mer. For et materiale med langsommere fotobrytningsrespons, slik som BaTiOs, med en responstid lik ca. 1-100 millisekunder, ville frekvensen for kilde 21 (hvis den anvendes i det hele tatt) være i stør-relsesorden 10-1000 Hz (ettersom BaTi03 har en høy elektro-optisk koeffisient, er den naturlig selv-pumpende uten påtrykkede elektriske felt, og en kilde 21 kunne gjøres overflødig).

Bruken av en høyfrekvent bærebølge som vist i fig. 5 gir en vesentlig fordel hva angår støyreduksjon. Laserstrålene som anvendes i PCM'er er ofte ganske støybelagte, og denne støy kan begrense evnen til å oppnå nyttig informasjonskoding på strålen, særlig når modulatoren 19 opererer i det samme frekvensregimet som laserstrålen. Dette problem blir vesentlig eliminert ved å anvende et bærebølgesignal 8 på en langt høyere frekvens enn strålefrekvensen, og å isolere det modulerende signalet fra strålestøyen ved å anbringe det på toppen av bærebølgen.

Hvis et eksternt elektrisk felt påtrykkes som beskrevet til å indusere selv-pumpet drift, og det er ønskelig å begrense bærebølgefrekvensen til båndbredden av fotobrytningsresponsen, kunne utmatningen fra modulatoren 19 direkte tilføres kilde 21 som angitt i fig. 6. I denne utførelse tjener kilde 21 den dobbelte rollen med å etablere 90° forskjøvne gittere for selv-pumpningsoperasjon og å tilveiebringe en bærebølge for det modulerende signalet.

Informasjonsoverføringssystemet som er beskrevet så langt har mange forskjellige anvendelser slik som i fiberavfølere, interferometere, ringlasergyroskoper, fjerntliggende fyr, venn-eller-flende-identifisering, f iberkommunikasjons-forbindelser, modus-låste fasekonjugerte lasere/resonatorer, to-bølge og fire-bølge blander/modulatorplaner og mange optisk matematiske funksjoner, slik som bildeforsterkning, mønstersubtraksjon og mønstergjenkjennelse. En fjerntliggende fiberoptikk avfølingsanvendelse er vist i fig. 7. I dette systemet tilveiebringer en fjerntliggende avføler 38 informasjon om en ønsket karakteristikk, slik som temperatur. Den frembringer et modulerende signal som varierer med den parameter som måles, og anvendes til å modulere veksel-spenningsutmatningen fra en spenningskilde 40. Kildespen-ningen påtrykkes over et fotobrytningskrystall slik som det som er vist i foregående figurer og identifisert av de samme henvisningstallene. En laser 42 frembringer en stråle som fokuseres av linse 44 på en ende av en optisk fiber 46, hvis fjerntliggende ende sender en stråle som kollimeres av linse 48 på fotobrytningskrystallet 18. En fasekonjugert av inngangsstrålen til krystallet rettes tilbake gjennom linsen og det optiske fibersystemet, idet retursignalet kodes med det modulerende signalet fra avføleren 38. Dette signal kan så ekstraheres fra strålen ved et fjerntliggende sted fra avføleren 38 ved hjelp av et en-veis speil 49 i strålebanen og en deteksjonsenhet 50.

Den retro-reflekterende karakteristikk for nevnte PCM sikrer at utgangsstrålen vil bli nøyaktig fokusert på enden av det optiske fiber, selv om det er noe feilinnrettet eller hvis det endrer seg over tid. Selv om avfølingssystemet er vist med anvendelse av et selv-pumpet PCM med modulasjonsplanen i henhold til fig. 6, vil det forstås at den fjerntliggende avfølingsanvendelse er like forenlig med modulasjonsplanen ifølge fig. 5 eller med et pumpet PCM.

Idet det nå vises til fig. 8, er en anvendelse hva angår interferometrisk avføling vist. I denne anvendelse blir et par selv-pumpede PCM'er 51 og 52, som er konstruert på en måte lignende de som er tidligere beskrevet, anvendt. (PCM-speilene er igjen ikke vist for enkelhets skyld). Hvis nødvendig kan det første PCM 51 gjøres selv-pumpende ved hjelp av en elektrisk feltspenningskilde 54 til hvilken et modulerende signal fra en avføler 56 påtrykkes. Det andre PCM 52 som velges til å være identisk med PCM 51, kan også gjøres selvpumpende ved hjelp av en umodulert elektrisk feltspenningskilde 58, hvis frekvens er lik den for kilden 54. En laser 60 retter en stråle mot en strålesplitter/speil 62, som splitter strålen og retter den mot de to PCM'ene. De fasekonjugerte returstrålene fra de to PCM'ene rettes så ved hjelp av element 62 til et utgangstrinn 64, som leverer de kombinerte strålene til en interferometrisk (heterodyn) detektor 66. Detektoren 66 frembringer en utmatning som angir eventuelle frekvensforskjeller mellom de to returnerte strålene. PCM 52 tjener således som en referanse for strålen som returneres fra modulert PCM 51, hvorved muliggjøres at lavfrekvensmoduleringssignalet kan ekstraheres ved hjelp av detektor 66, som ser differansen i frekvens mellom de to PCM'ene.

Hvis det elektriske feltets frekvens for spenningskildene 54 og 58 er større enn ca. 10-20 MHz, vil systemet operere over støyspektrumet for de fleste lasere. Dette frembringer et forbedret signal/støyforhold, særlig for små modulasjons-frekvenser. Igjen er selv-pumpede PCM'er vist, men generelt kunne hvilken som helst fotobrytnings-basert PCM anvendes.

Fig. 9 illustrerer anvendelsen av oppfinnelsen på en forbedret modus-låst laser. I en slik laser oppnås utgangspulser med skarpe topper ved periodisk å avbryte lyssvingning innenfor laseren i en takt som er lik rundgangslystransitt-tiden. Det har vært kjent tidligere å anvende et fire-bølge-PCM i en modus-låst laser, med PCM's pumpelaserne pulset på den ønskede avbruddsfrekvensen. Med den foreliggende oppfinnelse erstattes pumpingslaserne av en variabel elektrisk spenningskilde 68 som etablerer et vekslende elektrisk felt gjennom det fotobrytningskonjugerende medium 70 på en frekvens lik c/2L, hvor c er lyshastigheten og L er den effektive eller optiske lengde av laserens svingningshulrom.

Selve laseren innbefatter nevnte PCM 70 ved en ende, et apertur-forsynt speil Ml ved den motsatte enden, et forsterkningsmedium 72 mellom de to, et fjernbart speil M2 mellom forsterkningsmediet og nevnte PCM 70, og en intra-hulromsapertur 74. Laseren startes først ved anvendelse av speil M2, mens elektrisk feltspenningskilde 68 danner gitteret i PCM-mediumet 70. Speil M2 fjernes så, hvorved det tillates at oscillasjon fortsetter mellom Ml og nevnte PCM. Modus-låsning opptrer som et resultat av gitterne som er dannet av det vekslende elektriske feltet. En laser som selv-kompenserer for langsomt varierende (intrahulroms) for-vrengninger og også er modus-låst, realiseres dermed. Fig. 10 illustrerer de skarpe toppene 76 som kan oppnås for den pulsede laserutmatning, selv om nevnte PCM moduleres med et jevnt signal, slik som sinus 78 fra spenningskilden 68. Anvendelsen av oppfinnelsen på en bildeforsterker er vist i fig. 11. Anordningen er vesentlig lik den som er vist i fig. 5, og felles henvisningstall anvendes. Den elektriske feltspenningskilden 21 påvirker indeksellipsoiden hos fotobrytningsmediumet 18 via den elektro-optiske effekt, og også dens fotobrytningsrespons hvis frekvensen er lav nok. Dette styrer overføringen av energi fra en inngangsenergi-kildestråle 80 til en stråle 82 som kan bære en optisk kilde, idet de to strålene krysskoples innenfor krystallet 18. Energi overføres via en to-bølge-koplingsmekanisme fra stråle 80 til stråle 82 i en mengde som styres ved hjelp av et varierende elektrisk felt fra kilden 8, hvorved bilde-strålen 82 forsterkes. Utgangsbildestrålen 82 blir generelt modulert (av kilden 8) i form av dens fase, amplitude, frekvens eller polarisasjon relativt den innfallende strålen ved hjelp av fotobrytningskrystallet.

Et nytt system og fremgangsmåte for å kode en optisk stråle med informasjon og med høye datatakter gjennom et utvalg av modulasjonsteknikker, og med tallrike optiske anvendelser, er således blitt vist og beskrevet. Det bør forstås at tallrike modifikasjoner og alternative utførelsesformer vil være åpenbare for fagfolk. Eksempelvis kan det være mulig å anvende frekvensmodulasjon av et fotobrytningskrystall som et kodesignal i forbindelse med enten et PCM eller en stråle-forsterker i et ringlasergyroskop. Følgelig er det tilsiktet at oppfinnelsen kun skal begrenses til det som fremgår av de vedlagte patentkrav.

Claims (27)

1. System for å kode informasjon på en optisk stråle, omfattende et legeme (18) av elektro-optisk materiale som er tilpasset til å motta en første optisk stråle (20; 82), og midler (8, 14, 16; 21; 40; 54; 68) for å etablere et vekslende elektrisk felt innenfor legemet (18) for å indusere en varians i materialets indeksellipsoide via legemets (18) elektro-optiske effekt, karakterisert ved at det nevnte legemet er et fotobrytende materiale, og at systemet videre omfatter midler (26, 28) for å tilføre minst en andre optisk stråle (30; 80) til legemet (18) for å krysskople med den første strålen (20; 82) innenfor legemet (18) og frembringe en resulterende utgangsstråle (32; 20A, 82), for derved å etablere fotobrytende gitre innenfor nevnte legeme (18), middel (19; 38; 56; 68; 84) for å modulere nevnte vekslende elektriske felt innenfor legemet (18) for å kode ønsket informasjon på utgangsstrålen (20A; 32; 82).

2. System som angitt i krav 1 for bruk med en støybelagt første optisk stråle (20; 82), karakterisert ved at midlene for å etablere det vekslende feltet (8, 14, 16;

21; 40; 54; 68) er tilpasset til å etablere et vekslende elektrisk felt på en vesentlig høyere vekslingsfrekvens enn den optiske strålens støyfrekvens, hvorved det tilveiebringes en bærebølge med høyere frekvens for i alt vesentlig å fjerne det modulerende signalet fra støyen som er tilhørende den første strålen (20; 82).

3. System som angitt i krav 1, karakterisert ved at nevnte fotobrytende legeme (18) og nevnte andre strålemidler (26, 28) danner et første fasekonjugert speil (PCM) (51; 70) med utgangsstrålen (32) som den fasekonjugerte (32) av den første strålen (20).

4. System som angitt i krav 3, karakterisert ved at de andre strålemidler (26, 28) omfatter midler for å tilføre et par av pumpestråler til legemet (18) for å etablere en fire-bølge blander PCM.

5. System som angitt i krav 3, karakterisert ved at midlene (26, 28) for å tilføre en andre optisk stråle (30) til legemet (18) omfatter middel (26, 28) for å returnere den første strålen (20) gjennom legemet (18) ved en returvinkel A til den første strålebanen (22) innenfor nevnte legeme, hvilken er tilstrekkelig liten til å indusere dannelsen av utgangsstrålen (20A; 32) som en fasekonjugert av den første strålen (20), hvorved nevnte PCM selv-pumpes.

6. System som angitt i krav 5, karakterisert ved at det fotobrytende materialet er en halvleder, og størrelsen og frekvensen av det vekslende elektriske feltet øker den optiske forsterkning hos det fotobrytende materialet for å muliggjøre selv-pumping.

7. System som angitt i krav 6, karakterisert ved at det modulerende midlet (19; 38; 56; 68; 84) frembringer et modulerende signal innenfor et vesentlig høyere frekvensområde enn frekvensen for feltvekslingen, hvorved koding av informasjon på den fasekonjugerte utgangsstrålen (20A; 32) i alt vesentlig skjer gjennom modulasjon av det fotobrytende materialets elektro-optiske effekt.

8. System som angitt i krav 6, karakterisert ved at det modulerende midlet (19; 38; 56; 68; 84) frembringer et modulerende signal innenfor frekvensregimet for feltvekslingen, hvorved informasjon kodes på den fasekonjugerte utgangsstrålen (20A; 32) ved å modulere både det fotobrytende materialets indeksellipsoid via den elektro-optiske effekten og den fotobrytende responsen.

9. System som angitt i krav 3, der det modulerende midlet (38) gir informasjon som skal fjernavføles, karakterisert ved optisk fibermiddel (46) anordnet til å sende den første strålen (20) til det fotobrytende legemet (18) og til å motta den fasekonjugerte utgangsstrålen (32), for derved å sette utgangsstrålen (32) i stand til å bli sendt gjennom det optiske fibermidlet (46) til et fjerntliggende sted fra nevnte PCM.

10. System som angitt i krav 3, karakterisert ved dessuten å omfatte en andre PCM (52) av lignende konstruksjon som nevnte første PCM (51) med et tilhørende middel (58) for å etablere et vekslende elektrisk felt innenfor legemet (18) for nevnte andre PCM (52) på en frekvens som er i alt vesentlig lik den umodulerte veksel-feltfrekvensen for nevnte første PCM (51), og midler (64, 66) for å avføle frekvensforskjeller mellom de fasekonjugerte utgangsstrålene fra nevnte to fasekonjugerte speil (51, 52) for å detektere modulasjonen som tilføres det vekslende feltet for den første PCM (51).

11. System som angitt i krav 3, karakterisert ved dessuten å omfatte et speil (Ml, 74) med åpning, der speilet er adskilt fra nevnte PCM (70) og et laserforsterk-ningsmedium (72) er plassert mellom speilet (Ml, 74) med åpning og nevnte PCM (70), idet nevnte speil (Ml, 74), PCM (70), og forsterkningsmedium i alt vesentlig definerer en fasekonjugert laser, der det modulerende midlet (68) er tilpasset til å modulere det elektriske feltet innenfor nevnte PCM's (70) fotobrytende legeme på en moduslåsnings-frekvens.

12. System som angitt i krav 1, realisert som en bildeforsterker med variabel forsterkning, karakterisert ved at den første optiske strålen (82) inneholder et bilde som skal forsterkes, et to-bølge blandingsmiddel (18) er tilveiebragt for å krysskople den andre optiske strålen (80) med den første strålen (82) for å gi en energioverføring til den første strålen (82), og det feltmodulerende midlet (84) er tilpasset til å kode overføringen av energi fra den andre (80) til den første strålen (82).

13. System som angitt i krav 1 eller 3, karakterisert ved: at nevnte legeme (18) og nevnte midler (26, 28) for å tilføre minst en andre optisk stråle til legemet danner et første fasekonjugert speil (PCM), idet nevnte legeme (18) er et krystall dannet av et fotobrytende materiale som er tilpasset til å motta en første laserstråle (20; 82), idet nevnte tilførselsmidler (26, 28) er i stand til å returnere den første strålen (20, 82 ) til krystallet (18) ved en returvinkel (A) i forhold til banen for den første strålen (22) innenfor krystallet hvor en fasekonjugert utgangsstråle (20A, 32) frembringes, for derved å etablere et fotobrytende gitter, idet nevnte midler (14, 16, 8; 21; 40; 54; 68) for å etablere et vekslende elektrisk felt innenfor legemet (18), tilveiebringer et felt som er i stand til å etablere en forskyvning lik ca. 90" mellom det fotobrytende gitter og intensitetsmønsteret innenfor legemet (18).

14. System som angitt i krav 13, karakterisert ved at det modulerende midlet (19; 38; 56) er tilpasset til å modulere det elektriske feltet på en vesentlig høyere frekvens enn frekvensen for den fotobrytende responsen, og derved kode utgangsstrålen (20A, 32) ved hjelp av modula-sjoner i krystallets indeksellipsoide via den elektro-optiske effekten med krystallets fotobrytende-induserte indeksgitter fortsatt i alt vesentlig stasjonær.

15. System som angitt i krav 1, karakterisert ved at midlet (19; 38; 56; 68; 84) for å modulere det vekslende elektriske feltet omfatter middel for å modulere vekslingsfrekvensen, fasen eller amplituden.

16. System som angitt i krav 1 eller 15, karakterisert ved at nevnte fotobrytende materiale omfatter et to-bølge fasekonjugert speilmedium, der midlet (19; 38;

56; 68; 84) for å modulere det vekslende elektriske feltet omfatter middel for å modulere en eller flere av nevnte fase, frekvens, amplitude eller polarisering av den fasekonjugerte gjengivelse av nevnte optiske stråle (20, 30; 80, 82).

17. System som angitt i krav 1, karakterisert ved dessuten å omfatte middel (19; 38; 56; 68; 84) for å modulere det elektriske feltet med et flertall av multi-pleksede modulasjonssignaler.

18. System som angitt i krav 1, karakterisert ved at nevnte middel (19; 38; 56; 68; 84) for modulering modulerer legemets indeksellipsoide via den elektro-optiske effekt for å kode nevnte optiske stråle (20, 30; 80, 82) som er sendt gjennom eller er oppspaltet av nevnte legeme.

19. System som angitt i krav 18, karakterisert ved at nevnte legemes indeksellipsoide moduleres på et vesentlig høyere frekvensområde enn støybåndbredden for den optiske strålen (20, 30; 80, 82), og derved i vesentlig grad isolerer modulasjonen fra støy i strålens frekvensområde.

20. Fremgangsmåte for å kode informasjon på en optisk stråle, omfattende å sende en første optisk stråle (20; 82) gjennom et legeme (18) av elektro-optisk materiale, og å etablere et vekslende elektrisk felt innenfor legemet (18) for å indusere en varians i legemets indeksellipsoid via den elektro-optiske effekt, karakterisert ved at nevnte legeme dannes av et fotobrytende materiale, og dessuten ved å tilføre minst en andre optisk stråle (30; 80) til legemet (18) for å krysskople med den første strålen (20;

82) og frembringe en resulterende utgangsstråle (20A; 32;

82), hvorved det etableres fotobrytende gittere innenfor nevnte legeme, og å modulere det vekslende elektriske feltet for å kode ønsket informasjon på utgangsstrålen (20A; 32;

82 ).

21. Fremgangsmåte som angitt i krav 20, karakterisert ved at det fotobrytende indeksgitterets forskyvning innenfor legemet (18) er ca. 90°, og at den andre strålen (30, 80) tilføres legemet (18) ved å bringe den første strålen (20) tilbake gjennom legemet (18) ved en returvinkel (A) til den første strålen (20) for å frembringe en utgangsstråle (32) som en fasekonjugert av den første strålen (20) hvorved det tilveiebringes en selv-pumpet konjugert refleksjon av den første strålen (20).

22. Fremgangsmåte som angitt i krav 21, karakterisert ved at det elektriske feltets veksling skjer ved vesentlig høyere takt enn legemets fotobrytende responstid, idet feltmodulasjonen derved koder utgangsstrålen (20A;

32; 82) ved å modulere legemets elektro-optiske effekt uten i vesentlig grad å forskyve dets indeksgittere.

23. Fremgangsmåte som angitt i krav 20, karakterisert ved at det vekslende feltets frekvens er vesentlig høyere enn den optiske strålens støyfrekvens-båndbredde, hvorved det tilveiebringes en bærebølge med høyere frekvens for i vesentlig grad å isolere modulasjonen fra støy i strålens frekvensområde.

24. Fremgangsmåte som angitt i krav 20, karakterisert ved at det nevnte vekslende elektriske felt moduleres ved å modulere dets vekslingsfrekvens, fase eller amplitude.

25. Fremgangsmåte som angitt i krav 20, karakterisert ved at det nevnte vekslende elektriske felt moduleres for å modulere den relative polarisering av utgangsstrålen (20A; 24, 32; 82) med hensyn til inngangsstrålen (20, 30; 80, 82).

26. Fremgangsmåte som angitt i krav 20, karakterisert ved at nevnte modulering innebærer en modulering av legemets indeksellipsoide via den elektro-optiske effekt.

27. Fremgangsmåte som angitt i krav 26, karakterisert ved at legemets indeksellipsoide moduleres via den elektro-optiske effekt ved et vesentlig høyere frekvensområde enn strålens støyfrekvensspektrum, hvorved i vesentlig grad modulasjonen isoleres fra støy i strålens frekvensområde .