DE1283980B - Optischer Sender mit rauscharmer innerer Modulation - Google Patents
Optischer Sender mit rauscharmer innerer ModulationInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen optischen Sender mit rauscharmer innerer Modulation durch Stabilisierung
des Frequenzabstandes der Longitudinalschwingungskomponenten, dessen innerhalb eines optischen Resonators
angeordneter, elektrooptischer Kristall normal zur stimulierten Strahlung verlaufende Stirnflächen
aufweist, die mit Prismen in Berührung stehen, deren Außenflächen im Brewsterwinkel zur
stimulierten Strahlung verlaufen.
Es wurden bereits optische Sender mit Eigenmodulation vorgeschlagen, bei denen die gegenseitigen
Abstände der erzeugten Frequenzen und die Amplitude stabilisiert sind. Nach einem Vorschlag
ist zwischen zwei einen Resonator begrenzenden Spiegeln eine Modulatorstufe angeordnet. Bei solchen
optischen Sendern läßt sich Rauschen nicht vermeiden, da eine Anzahl von Eigenschwingungen der
Longitudinal- und Transversalform auftreten, so daß die Frequenzabstände, die Amplituden und Intensitäten
der optischen Ausgangsbündel nicht genügend stabil sind.
Zur Klarstellung soll im einzelnen auf die Verhältnisse bei einem optischen Sender mit Helium—Neon
als stimulierbarem Medium eingegangen werden, der der meistbenutzte optische Sender mit Gasmedium
ist. In dem Buch von A. Lengyel, »Lasers« (John Wiley & Sons Inc., New York, 1962), ist auf Seite 96
in Fig. 36 die erzielbare Halbwertsbreite des Frequenzbereichs, innerhalb dessen Stimulation auftritt,
mit etwa 1000 MHz angegeben. Für einen optischen Sender mit einer Helium-Neon-Gasentladungsröhre
zwischen zwei durch eine optische Weglänge L voneinander getrennten, einen optischen Resonator begrenzenden
Spiegeln, gemäß F i g. 32 auf Seite 93 des Buches von Lengyel, erweisen sich mehrere
optische Ausgangskomponenten in Longitudinalfonn, die zu einer bestimmten Transversaleigenschwingung
gehören, beispielsweise zum TEM00-Typ, nach
Seite 97 der genannten Arbeit innerhalb des genannten Frequenzbereichs um einen Frequenzabstand fp
voneinander getrennt, mit
worin c die Lichtgeschwindigkeit bedeutet. Wenn die optische Weglänge LIm beträgt, liegt fp etwa bei
150MHz. Somit erzeugt der beschriebene Helium-Neon-Gassender eine optische Ausgangsstrahlung,
die innerhalb eines Frequenzbereichs von 1000 MHz linienförmige Frequenzkomponenten enthält, die je
um 150 MHz voneinander getrennt sind.
Dagegen zeigte ein eingehendes Studium des Spektrums der optischen Ausgangsstrahlung (vgl. W. R.
Benett jr., Physical Review, Bd. 126, Nr. 2 vom 15.4.1962, S. 580 bis 593), daß der Frequenzabstand
fp der Longitudinalschwingungsformen nicht
genau homogen ist, sondern etwas ungleichförmig war, da infolge der Nichtlinearität der Stimulation
zwischen in der Frequenz benachbarten Eigenschwingungen der Longitudinalform schwache Koppelungskräfte auftreten. Der Einfachheit halber sei angenommen,
daß ein optischer Sender eine Ausgangsstrahlung nur in einer transversalen Eigenschwingung
erzeugt, zu der mehrere Longitudinalformen mit den jeweiligen FrequenzenF01, F02...F0n, jeweils von
der niedersten Frequenz an gezählt, gehören. Zwischen je zwei benachbarten Frequenzen F02, F03 erzeugt
das Glied dritter Ordnung der eigentümlichen Nichtlinearität Seitenbandkomponenten mit den Frequenzen
2F02-F03 und 2F03-F02. Infolge der genannten
Ungleichmäßigkeit der Frequenzabstände liegen diese Seitenbandfrequenzen nicht genau auf
den Frequenzen F01 und F04. Andererseits ändern
sich nach Benett jr. die Frequenzabständefp zeitlich.
Dies führt zu zeitlichen Änderungen der Phasenbeziehung zwischen den Frequenzkomponenten
2F02-F03 und F01 sowie zwischen 2F03-F02 und
F04. Somit erscheinen diese Seitenband-Differenzfrequenzkomponenten
infolge einer Demodulation mit quadratischer Kennlinie der optischen Ausgangs-Strahlung,
die die schwankenden Seitenbandfrequenzkomponenten enthält, als Rauschen und führen ferner
zu Schwankungen der Gesamtausgangsleistung des optischen Senders.
Zur Unterdrückung der Erzeugung einer Rausch-
ao komponente wurde eine erzwungene Stabilisierung des Frequenzabstandes vorgeschlagen. In einer
solchen Anordnung zur Stabilisierung der optischen Gesamtausgangsstrahlung nach L. E. Hargrove
u. a., Applied Physics Letters, Bd. 5, Nr. 1 (1. Juli 1964), S. 4 und 5, ist ein Quarzschwinger quer zur
optischen Achse des Resonators angeordnet und durch eine Teilfrequenz des Frequenzabstandes f„
erregt, so daß sich für den Frequenzabstand der erzeugten Frequenzkomponenten ein Mitnahmeeffekt
einstellt und man solche Komponenten auswählen kann, die den genau bestimmten Frequenzabstand
haben. Es läßt sich jedoch bei dieser Anordnung nicht vermeiden, daß der quer zum Lichtweg angeordnete
Quarz auf eine kritische Resonanzfrequenz eingestellt werden muß, die in Abhängigkeit von dem
Frequenzabstand bestimmt ist. Außerdem ist ein gesonderter Modulator zusätzlich zu dem Quarzschwinger
zur Erzeugung der gewünschten Eigenmodulation erforderlich.
Aus den britischen Patentschriften 953 721, Fig. 10; 953 722, Fig. 8; 953 725, Fig. 12; 953 727,
Fig. 7, sind optische Sender mit innerer Modulation bekannt, deren modulierender elektrooptischer Kristall
normal verlaufende Stirnflächen aufweist, die mit Prismen in Berührung stehen, deren Außenflächen
einen Brewsterwinkel gegenüber der optischen Achse bilden.
Aufgabe der Erfindung ist die Stabilisierung des Frequenzabstandes der Longitudinalschwingungskomponenten
bei einem optischen Sender, ohne daß im Lichtweg innerhalb des optischen Resonators ein
Bauteil angeordnet ist, das die Ausgangsleistung dämpfen würde.
Dies wird nach der Erfindung dadurch erreicht, daß in Doppelausnutzung des elektrooptischen Kristalls
an diesen parallel zu einer Signalspannungsquelle eine Erregersignalquelle angekoppelt ist, deren
Erregersignalfrequenz im wesentlichen gleich der Grundresonanzfrequenz des optischen Resonators
(gegeben durch den Quotient aus Lichtgeschwindig-
[c 1
-frr)
LL J
-frr)
LL J
einem ganzzahligen Vielfachen dieses Wertes ist, der zugleich den kleinsten Frequenzabstand zwischen
zwei benachbarten möglichen Resonanzen darstellt.
Hierdurch erzielt man eine starke Verminderung der Rauschleistung.
Nunmehr wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. Es stellt dar
F i g. 1 einen Längsschnitt durch eine Ausführungsform der Erfindung und
F i g. 2 ein Ausgangsspektrum zur Erläuterung der Wirkungsweise der Erfindung.
Nach F i g 1 gehören zu einem optischen Sender 10 nach der Erfindung: eine Gasentladungsröhre 11, die
ein stimulierbares Medium enthält und an beiden Enden durch Fenster im Brewsterschen Winkel ab- xo
geschlossen ist, zwei einen optischen Resonator begrenzende Spiegel 12 A und 125 sowie eine Modulatorstufe
20, die innerhalb des Lichtweges zwischen der Entladungsröhre 11 und dem einen Spiegel 12 B
aufgestellt ist. Zu der Modulatorstufe 20 gehören: ein in axialer Richtung ausgerichteter, in Form eines
Quaders geschnittener Kristall 21 aus einem Kaliumhydrogenphosphat oder einem ähnlichen wirksamen
Kristall, der eine sehr geringe Lichtabsorption und einen außerordentlich starken elektrooptischen Effekt
aufweist, d. h., daß ein innerhalb des Kristalls erzeugtes elektrisches Feld die Polarisationsebene von
sich längs der optischen Achse ausbreitendem Licht dreht; zwei auf die rechtwinkelig zur optischen Achse
liegenden Stirnflächen des Kristalls 21 aufgesetzte Prismen 22,4 und 22 B; zwei im Bereich der genannten
Endflächen angeordnete Elektroden 15A und 15 B,
damit man das der zu sendenden Information entsprechende, von einer Informationssignalquelle 14
gelieferte Informationssignal an den Kristall anlegen kann, sowie eine parallel zu der Informationssignalquelle
an die Elektroden 15^4 und 15 B angeschlossene
Erregersignalquelle 16 zur Überlagerung einer elektrischen Feldkomponente entsprechend dem
Erregersignal über den von dem Informationssignal herrührenden Feldanteil. Die Prismen 22 A und 22 B
bestehen jeweils aus einem Glas, dessen Brechungsindex nahezu dem Brechungsindex n0 (etwa 1,5) des
ordentlichen Strahls innerhalb des Kristalls 21 gleich ist. Der von den beiden Seitenflächen an der brechenden
Kante eingeschlossene Winkel ist jeweils dem Ergänzungswinkel (etwa 34°) des Brewsterschen
Winkels für Glas gleich. Die Prismen sind jeweils mit einer Seitenfläche derart auf die Endflächen des
Kristalls 21 aufgesetzt, daß die brechenden Kanten parallel zur X- oder Y-Achse des Kristalls 21 liegen
und die sich in den brechenden Kanten schneidenden Paare von Prismenflächen parallel zueinander verlaufen.
Die in der gewünschten Weise modulierte optische Ausgangsstrahlung kann in Form des aus einem der
Spiegel 12,4 und 125 austretenden Lichtes, in Form
des an einem der Brewsterschen Fenster reflektierten Lichtes oder in Form des in einem doppeltbrechenden
Prisma gebrochenen Lichtes abgenommen werden.
F i g. 2 zeigt das Ausgangsspektrum eines optischen Senders nach der Erfindung, wo die Informationssignal- und Erregersignasquellen 14 und 16 keine
Ausgangsleistung zur Ingangsetzung der Modulatorstufe 20 liefern und wo die Gasentladungsröhre 11
eine Helium-Neon-Entladungsröhre ist, die in einer einzigen transversalen Schwingungsform TEM00
schwingt. Die optische Ausgangsstrahlung besteht aus LongitudinalkomponentenF1, F2.. .Fn der Eigenschwingungen,
die innerhalb eines Frequenzbereichs von etwa 1300 bis 1600 MHz liegen. Wenn je zwei
benachbarte Eigenschwingungen nicht miteinander gekoppelt wären, würden diese Komponenten genau
vorgegebene Frequenzen mit einem festen gegenseitigen Frequenzabstand /„ = -£=- haben. Die Fre-
quenzabstände fp sind jedoch in der Tat nicht gleichförmig.
So weicht der Wert eines Frequenzabstandes jpk zwsichen zwei Komponenten Fk und F^1 (mit k
als beliebiger ganzer Zahl) etwas von ~ ab und
schwankt zeitlich. Versuche zeigten, daß nicht nur die Frequenzabstände, sondern auch die Intensitäten
der Komponenten Schwankungen zeigen.
Wie bereits bei Benett jr. in dem obengenannten
Zitat erörtert, besitzt der optische Sender eine Nichtlinearität. Deshalb erzeugt die durch das Erregersignal
der Erregersignalquelle 16 bewirkte Amplitudenmodulation in enger Nachbarschaft der benachbarten
oberen und unteren Longitudinalkomponenten Fk-1 und F11 + 1 der Eigenschwingungen Seitenbandkomponenten,
die infolge der Nichtlinearität diese Longitudinalkomponenten mitziehen und ihrerseits
die Frequenzabstände fp zwischenFIt_x und F1,
sowie zwischen Fk und F6+1 fest auf die Frequenz
des Erregersignals einstellen. In dem Maße, wie diese mitgezogenen Komponenten Fk _ t und Fk + 1 auch
durch dasselbe Erregersignal amplitudenmoduliert werden, stellen dann die jeweiligen Seitenbandkomponenten
die Frequenzabstände zwischen der unteren mitgezogenen Komponente Fk _ r und der daruntergelegenen
benachbarten Komponente Ffe_2 und zwischen
der oberen mitgezogenen Komponente F1, +1
und der darübergelegenen benachbarten Komponente Ftl+2 fest ein. Daraus ergibt sich eine gegenseitige
feste Verriegelung aller Frequenzabstände.
Die Verriegelung des Frequenzabstandes fv zwischen
den optischen Longitudinalausgangskomponenten F1, F2... Fn der Eigenschwingungen unterdrückt
die Intensitätsschwankung der optischen Ausgangsleistung des optischen Senders und vermindert
das Rauschen. Es wurde experimentell bestätigt, daß mit einer Erregersignalfrequenz, die nicht mehr als
einige hundert Kilohertz ober- oder unterhalb des Sollfrequenzabstandes/,, liegt, der Mitnahmeeffekt
innerhalb eines optischen Senders merklich ist, bei dem eine Helium-Neon-Gasentladung in der Entladungsröhre
11 benutzt ist.
Im Rahmen der vorstehenden Erläuterung wurde unter Bezugnahme auf F i g. 2 angenommen, daß ein
optischer Sender in mehreren Longitudinalwellenformen schwierig, die zu einem Transversaleigenschwingung,
beispielsweise TEM00, gehören. In der Praxis, wo die optische Ausgangsleistung in zahlreichen
Longitudinalwellenf ormen, die zu zahlreichen Transversaleigenschwmgungen gehören, erzeugt wird,
verriegelt das Erregersignal lediglich die Frequenzabstände derjenigen optischen Longitudinalausgangskomponenten,
die zu den einzelnen Transversaleigenschwingungen gehören. Folglich sind noch zahlreiche,
nahe zusammengedrängte optische Ausgangskomponenten vorhanden. Deshalb ist auch bei einem optischen
Sender nach der Erfindung eine Schwingungsformsteuerung vorzuziehen, damit die Schwingung
nur in Transversalform erfolgen kann.
Empirisch wurde gefunden, daß die Erregerfrequenz nicht -£=- betragen muß, sondern auch ein ganz-
zahliges Vielfaches davon betragen kann, damit man bis zu einem gewissen Grad eine gegenseitige Verriegelung
der Frequenzabstände erhält.
In der beschriebenen Ausführungsform der Erfindung ist die Erregersignalquelle 16 parallel zur
Informationssignalquelle 14 an die Elektroden 15^4
und 155 angekoppelt. Wenn sich hieraus auch keine Schwierigkeiten ergeben, da die Erreger- und Informationssignale
einen genügend großen Frequenzabstand voneinander haben, ist es doch in dem Fall,
wo d: se Modulationsfrequenzen sorgfältig gegeneinander
abgeschirmt sein müssen, empfehlenswert, zwischen die Elektroden 15^4 und 15 B eine zusatzliehe
Parallelelektrode einzuschalten und das Erregersignal zwischen der zusätzlichen Elektrode und
der Elektrode 15^4 anzulegen. Der Grundgedanke
der Erfindung ist auch bei Molekularverstärkern anwendbar, die in der konstruktiven Ausführung von
dem oben beschriebenen optischen Sender abweichen.
Claims (3)
1. Optischer Sender mit rauscharmer innerer Modulation durch Stabilisierung des Frequenzabstandes
der Longitudmalschwingungskomponenten, dessen innerhalb eines optischen Resonators
angeordneter, elektrooptischer Kristall normal zur stimulierten Strahlung verlaufende Stirnflächen
aufweist, die mit Prismen in Berührung stehen, deren Außenflächen im Brewsterwinkel
zur stimulierten Strahlung verlaufen, dadurch
gekennzeichnet, daß in Doppelausnutzung des elektrooptischen Kristalls (21) an diesen
parallel zu einer Signalspannungsquelle (14) eine Erregersignalquelle (16) angekoppelt ist, deren
Erregersignalfrequenz im wesentlichen gleich der Grundresonanzfrequenz des optischen Resonators
(gegeben durch den Quotient aus Lichtgeschwindigkeit und die doppelte optische Weglänge [
bzw. einem ganzzahligen Vielfachen dieses Wertes ist, der zugleich den kleinsten Frequenzabstand
zwischen zwei benachbarten möglichen Resonazen darstellt.
2. Optischer Sender nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Kristall (21) zwei
Elektroden (15,4 und 155) vorgesehen sind, die für beide Koppelanordnungen gemeinsam dienen.
3. Optischer Sender nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch je ein eigenes Elektrodenpaar an
dem Kristall für je eine Koppelanordnung (14,16).
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
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Family Applications (1)
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Also Published As
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