DE69805543T2

DE69805543T2 - Sendeeinrichtung für mikrowellen und anwendung für radar und telekommunikation

Info

Publication number: DE69805543T2
Application number: DE69805543T
Authority: DE
Inventors: Serge Gidon; Engin Molva; Philippe Thony
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1997-11-14
Filing date: 1998-11-13
Publication date: 2002-12-05
Anticipated expiration: 2018-11-14
Also published as: DE69805543D1; WO1999026312A1; FR2771222B1; US6788718B1; EP1031172A1; FR2771222A1; EP1031172B1

Description

TECHNISCHES GEBIET UND STAND DER TECHNIK

Die Erfindung betrifft das Gebiet der optischen Quellen und ihre Verwendung als Bauteile in matrixförmigen Sendevorrichtungen für Mikrowellen.
Sendevorrichtungen für Mikrowellen, die optische Quellen benutzen, werden auf dem Gebiet der optischen Mikrowellen-Telekommunikationen eingesetzt, beschrieben in dem Dokument von G. Grosskopf mit dem Titel "Optical fibres deliver microwave broadcasts", erschienen in O. L. E., September 1996, S. 55-61.
Eine der möglichen Anwendungen der Erfindung ist also die "Picozellen- Funktelephonie" mit Benutzung des Fasertelekommunikations-Netzwerks als Übertragungskanal der Information bis zu den Ausstrahlungspunkten.
Die Erzeugung von Mikrowellensignalen durch Überlagerung von optischen Signalen erfordert Lichtquellen vom Typ Laserquellen, frequenzverschoben um den Wert der gesuchten Mikrowellenfrequenz.
Diese Frequenzverschiebung kann man auf unterschiedliche Weise erhalten:
a) mit zwei Lasern kann man, wenn diese etwas unterschiedliche optische Resonatorlängen haben, zwei Sendeeinrichtungen mit leicht verschobenen Wellenlängen herstellen, also mit einer Sendefrequenz, die sich von der des zu erzeugenden Mikrowellensignals unterscheiden kann.
Dieses Prinzip der optischen Übertragung von Mikrowellensignalen ist in der Fig. 1 dargestellt.
Zwei optische Quellen 2, 4 senden jeweils eine Strahlung mit der Frequenz Ω und Ω+ω und sind durch eine optische Faser 8, 10 mit einem Mischer 6 gekoppelt (eine Photodiode). Der Teil 12 jenseits des Mischers 6 bildet die Antenne. Eine Vorrichtung 14 ermöglicht außerdem eine Frequenzregelung der beiden Laser.
b) Es ist möglich, im Innern eines der Laserresonatoren simultan zwei Schwingungsmoden bzw. -modi koexistieren zu lassen (mit rechtwinkligen, linearen oder zirkularen Polarisationszuständen), deren Frequenzabstand auf den Wert der gesuchten Mikrowellenfrequenz einstellbar ist. Ein solches System wird zum Beispiel beschrieben in dem Dokument von M. Brunel et al. mit dem Titel "Differential measurement of the coupling constant between laser eigenstates", erschienen in Applied Physics Letters, Vol. 70, Nr. 16, April 1997.
Weitere Methoden sind bekannt, zum Beispiel der Einsatz eines optischen Frequenzschiebers (typisch ein-akustisch-optischer Modulator), um zwei frequenzverschobene Quellen zu erhalten. Diese Technik ist nicht kompatibel mit den gesuchten Frequenzen ( 10 GHz).
Bei allen bekannten Vorrichtungen ist die Größe ein Problem.
Zudem sind bei den bekannten Vorrichtungen aufgrund der zu großen spektralen Breite des optischen Signals Korrekturvorrichtungen nötig.
Schließlich werden die Laserdioden, die in der Mehrzahl der Fälle eingesetzt werden, generell durch ihren Versorgungsstrom frequenzmoduliert, und folglich auch, simultan, emissionsamplitudenmoduliert.
Ein weiteres Anwendungsbeispiel der Erfindung ist das Gebiet der Radare.
Die modernen Radare nutzen das Konzept der sogenannten aktiven Antenne, bei dem man die Winkelabtastfunktion der Antenne nicht durch die Rotation der eigentlichen Antenne erhält, sondern durch die ihrer Emissionswellenebene. Die Wellenebene resultiert aus einer Synchronisierung der Phasen - in gewünschter Richtung - der elementaren Wellen, die von den diversen Elementen der Antenne stammen. Die Synchronisation erhält man generell durch das Einstellen von Verzögerungen in den Übertragungskanälen der verschiedenen Mikrowellensignale. Die Fig. 2 zeigt schematisch dieses Prinzip.
Die durch einen Sender 13 erzeugte Strahlung wird aufgeteilt in n Bündel, von denen jedes Einrichtungen 15, 17, 19, 21 durchquert, die sie verzögern. Die Ebene der von den Antennen 25 abgestrahlten Welle 23 wird in Abhängigkeit von den verschiedenen aufgezwungenen Verzögerungen modifiziert.
Die Notwendigkeit, über eine mehr oder weniger große Anzahl abstrahlender Elemente der Antenne zu verfügen, um insbesondere die Winkelauflösung zu verbessern (man spricht von 2000 Sendern), sowie das Bedürfnis, eine genaue Steuerung der Verzögerungen sicherzustellen, führen zu einer Komplexität des Systems, die mit den klassischen Mikrowellentechniken nur schwer beherrschbar ist (Platzbedarf und Gewicht sind inkompatibel mit den Erfordernissen bestimmter Vorrichtungen, insbesondere in der Luftfahrt).
US 5307073A beschreibt eine Mikrowellensendevorrichtung. EP 0793291A beschreibt eine Millimeterwellen-Antenne mit einer Rotman-Linse und einem optischen Überlagerungssystem, und US 5374935A beschreibt ein Antennensystem mit optisch gesteuertem Gitter.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft die Verwendung matrixförmiger Bauteile in planaren und kollektiven Herstellungsverfahren zur Ausführung von Sendevorrichtungen für Mikrowellen.
Die Erfindung betrifft insbesondere eine Mikrowellensendevorrichtung, die umfasst:
- eine Vielzahl N Laseremissionseinrichtungspaare, realisiert in mosaik-, matrix- oder stabförmiger Anordnung, wobei jedes Laseremissionseinrichtungspaar eine erste und eine zweite Laseremissionseinrichtung umfasst, die mit einer ersten und einer zweiten Frequenz ω1, ω2 emittieren, die unterschiedlich sind,
- ein Mosaik oder eine Matrix oder einen Stab aus N Elementen, jedes von ihnen angeordnet im Weg der zweiten Laseremissionseinrichtung von einem der genannten Laseremissionseinrichtungspaare, wobei jedes Element ermöglicht, dem Strahl des genannten zweiten Laseremissionseinrichtungspaars eine Phasenverzögerung aufzuzwingen,
- Einrichtungen zur Frequenz-, Phasen- und eventuell Amplitudenregelung jedes Laseremissionseinrichtungspaars,
- N Einrichtungen zum Mischen jedes der durch die ersten Emissionseinrichtungen der N Laseremissionseinrichtungspaare emittierten Strahlen mit jedem der durch die zweiten Emissionseinrichtungen der N Laseremissionseinrichtungspaare emittierten und durch die Elemente verzögerten Strahlen, die ermöglichen, eine Phasenverzögerung zu erzwingen, und zum Erzeugen von N Signalen mit der Frequenz ω1-ω2,
- N Antenne-bildende Einrichtungen zum Emittieren einer Strahlung mit der Frequenz ω1-ω2.
Die Erfindung beruht auf einem Prinzip der Erzeugung einer elektromagnetischen Mikrowelle (wobei die Frequenz mehrere hundert GHz erreichen kann) mittels der Interferenz - der Überlagerung - von wenigstens zwei elektromagnetischen Wellen im optischen Bereich (mit sehr viel höheren Frequenzen der Größenordnung 10¹&sup4; GHz), erzeugt durch Laser. Die Benutzung mosaik- oder matrixförmiger Elemente zum Erzwingen von Phasenverzögerungen ermöglicht, kompakte Vorrichtungen herzustellen.
Die Detektion der Überlagerung von Frequenzen (Mischfunktion) wird generell durch eine Photodiode sichergestellt, deren Strom eine nichtlineare Funktion des elektromagnetischen Feldes ist.
Einer der Vorteile der Erfindung ist die Möglichkeit, Mikrowellensignale dank einer optischen Trägerwelle mit einer schwachen längenbezogenen Dämpfung übertragen zu können. Die längenbezogene Dämpfung in den Fasern beträgt nämlich nur ungefähr 0,1 dB/km, während sie in einem Mikrowellenleiter (koaxial) ungefähr 0,1 dB/km beträgt.
Nach einem weiteren Aspekt können die Laserquellen Mikrolaser oder vom Typ VCSEL (Halbleiterlaser mit vertikalem Resonator) sein. Diese Bauteile sind auch kompatibel mit einer kollektiven Realisierung, zum Beispiel in Form von Mosaiken oder Matrizen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung erfordert dann keine Korrekturvorrichtung des empfangenen Signals.
Die Chip-Laserquellen (oder Mikrolaser) haben nämlich eine sehr kleine Emissionslinienbreite, in der Größenordnung von einigen hundert KHz, also deutlich kleiner als die Laserdioden (MHz) oder die vom Typ VCSEL (auch MHz).
Außerdem sind die Chiplaser emissionsfrequenzmodulierbar (optisch) ohne "überkreuzte Amplitudenmodulation" (was bei den Laserdioden nicht der Fall ist, die generell durch ihren Versorgungsstrom frequenzmoduliert und folglich auch emissionsamplitudenmoduliert werden). Diese Frequenzmodifikation erhält man zum Beispiel durch eine Modulation des elektrooptischen Typs der optischen Länge des Mikrolaserresonators.
Die Erfindung betrifft auch eine Sendevorrichtung für Mikrowellen, die umfasst:
- eine Vielzahl N Laseremissionseinrichtungspaare, realisiert in mosaik-, matrix- oder stabförmiger Anordnung, wobei jedes Laseremissionseinrichtungspaar eine erste und eine zweite Laseremissionseinrichtung umfasst, die mit einer ersten und einer zweiten Frequenz ω1, ω2 emittieren, die unterschiedlich sind,
- Einrichtungen zur Frequenzregelung jedes Laseremissionseinrichtungspaars,
- Einrichtungen zum Modifizieren der Frequenz einer der Laseremissionseinrichtungen wenigstens eines Laseremissionseinrichtungspaars in Bezug auf die Frequenz der anderen Laseremissionseinrichtung des genannten Laseremissionseinrichtungspaars,
- N Einrichtungen zum Mischen jedes der durch die ersten Emissionseinrichtungen der N Laseremissionseinrichtungspaare emittierten Strahlen mit jedem der durch die zweiten Emissionseinrichtungen der N Laseremissionseinrichtungspaare emittierten Strahlen, und zum Erzeugen eines Signals mit der Frequenz ω1-ω2,
- N Antenne-bildende Einrichtungen zum emittieren einer Strahlung mit der Frequenz ω1-ω2.
Auch diese Vorrichtung ist sehr kompakt aufgrund der stab- oder mosaik- oder matrixförmigen Struktur der Laseremissionseinrichtungen. Zudem ermöglicht die Verwendung von Einrichtungen zum Modifizieren der Frequenz von einer der Laseremissionseinrichtungen in Bezug auf die Frequenz der anderen Emissionseinrichtung, ein Gleiten der Phase von einer der Laseremissionseinrichtungen in Bezug auf die Phase der anderen Laseremissionseinrichtung zu erhalten. Es ist also nicht mehr nötig, spezifische Einrichtungen zur Phasenänderung der durch die Lasers emittierten Strahlen zu verwenden, wie bei den vorhergehenden Ausführungsarten. Schließlich betrifft die Erfindung auch eine Radarvorrichtung mit einer Sendevorrichtung für Mikrowellen wie oben beschrieben.
Die Laser oder Laseremissionseinrichtungen können matrixförmig zusammengebaut werden, mit einer Kopplung oder einer Übertragung durch optische Fasern zwischen den Elementen zum Erzwingen der Phasenverzögerungen und den Einrichtungen zum Mischen der emittierten Strahlen.
Die Frequenzregelungseinrichtungen können ebenfalls matrixförmig zusammengebaut werden.
Schließlich können die Einrichtungen zur Bildung eines Überlagerungssignals zusammenfallen mit den Einrichtungen zum Mischen entweder des durch den ersten Laser emittierten Strahls und jeden der N verzögerten Strahlen, oder jedes der durch die ersten Emissionseinrichtungen der N Laseremissionseinrichtungspaare emittierten Strahlen mit jedem der durch die zweiten Emissionseinrichtungen der N Laseremissionseinrichtungspaare emittierten und durch die Elemente zum Erzwingen einer Phasenverzögerung verzögerten Strahlen.
Nach einem anderen Aspekt werden die Laser oder die Laseremissionseincichtungen matrixförmig zusammengebaut und durch einen Multiplexer multiplexiert, wobei eine optische Faser den Multiplexer und einen Demultiplexer verbindet.
Dazu kann man optisch frequenzverschobene Laserquellen realisieren. Zu diesem Zweck realisiert man eine Justierung der Länge des Resonators: jedem Laserresonator wird zum Beispiel ein Spiegel des Typs Bragg-Gitter zugeordnet, realisiert auf einer entsprechenden Führung des Multiplexers.
Die Erfindung betrifft auch eine optische Vorrichtung, umfassend:
- Laser oder Laseremissionsvorrichtungen (Mikrolaser oder Laserdioden), mosaik- oder matrixförmig realisiert,
- eine Multiplexeinrichtung mit integrierten optischen Leitern, wobei jeder optische Leiter zum Beispiel einer Laserquelle oder einer Laseremissionseinrichtung oder einem Laserresonator entspricht,
- einen Spiegel des Typs Bragg-Gitter, realisiert (zum Beispiel geätzt) auf jeder Führung der Multiplexeinrichtung.

KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN

Die Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen besser aus der nachfolgenden Beschreibung hervor. Diese Beschreibung betrifft erläuternde und nicht einschränkende Ausführungsbeispiele und bezieht sich auf die beigefügten Zeichnungen:
- die Fig. 1 zeigt das Prinzip der optischen Übertragung des Mikrowellensignals mit zwei Lasern,
- die Fig. 2 zeigt schematisch das Prinzip einer aktiven Antenne,
- die Fig. 3A und 3B zeigen ein für das Verständnis nützliches Beispiel der Erfindung,
- die Fig. 4 zeigt eine elektrooptische Vorrichtung,
- die Fig. 5 zeigt eine Phasenschiebermatrix,
- die Fig. 6A und 6B zeigen eine Ausführungsart der Erfindung mit einer Matrix von Emissionseinrichtungspaaren, den zugeordneten Phasenmodulationseinrichtungen, auch sie mit Matrixstruktur, und das Frequenzregelungsschaltbild der Emissionseinrichtungen,
- die Fig. 7 zeigt Einrichtungen zur Phasenregelung des Signals einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
- die Fig. 8A zeigt einen intraaktiven elektrooptischen Modulator,
- die Fig. 8B zeigt Mikrolaserquellen mit Phasenabstandsregelung durch Frequenzabweichung,
- die Fig. 9 zeigt die Frequenzregelung der Vorrichtung der Fig. 8B,
- die Fig. 10 zeigt ein Radar mit aktiver Antenne mit optischer Überlagerung und Mikrolaserquellen,
- die Fig. 11 zeigt einen Mikrolaserresonator mit einem elektrooptischen Modulator, einem Analysator zugeordnet,
- die Fig. 12 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit einem Wellenlängenmultiplex, um die Anzahl der Lichtleitfaserkanäle zu reduzieren,
- die Fig. 13A und 13B zeigen Mikrolaser mit Spiegeln des Typs Gitter.

DETAILLIERTE DARSTELLUNG VON AUSFÜHRUNGSARTEN DER ERFINDUNG

Ein für das Verständnis der Erfindung nützliches Beispiel wird nun in Verbindung mit der Fig. 3A dargestellt.
Zwei Laser 22, 24 emittieren mit zwei unterschiedlichen Frequenzen: Ω und Ω+ω. In dem Weg von einem von ihnen sind Einrichtungen 52, 54, 56, 58 angeordnet, um Phasenverzögerungen zu erzeugen. Die Laserstrahlen werden durch Fasern 42, 44, 46, 48, 50 zu Mischern (optische Photodetektoren) 26, 28, 30, 32 übertragen. Die Teile 34, 36, 38, 40, jenseits des Mischers befindlich, bilden die Antennen.
Die beiden Laserquellen 22, 24 sind frequenzgeregelt. Die Regelung ist in Wer Fig. 3A durch das Bezugszeichen 25 schematisch dargestellt. Noch genauer umfasst es (Fig. 3B) eine Photodiode 27, die einen Teil jedes der durch die Laser 22 und 24 emittierten Strahlen empfängt und die ein Überlagerungssignal erzeugt, das als Eingangssignal eines Komparators 29 dient. Eine Mikrowellenquelle 31 liefert ihr Signal an das andere Ende des Komparators 29. Dieser erzeugt ein Ausgangssignal, das benutzt wird, um die Frequenz des Lasers 24 zu steuern, indem er zum Beispiel ein Element 33 zur Regelung der optischen Länge des Laserresonators 24 steuert. Ein solches Element ist zum Beispiel vom elektrooptischen oder magnetooptischen Typ.
Ein elektrooptisches Element 60 bzw. 66 ist in der Fig. 4 dargestellt. An dieses wird durch die Elektroden 68, 70 eine Spannung gelegt. Der optische Weg des Laserstrahls wird modifiziert durch das Anlegen einer Spannung zwischen den Elektroden 68, 70. Daraus resultieren nämlich ein Feld E und eine Brechzahl
wo ne die Brechzahl des Materials 66 bei Fehlen des Felds ist, r&sub3;&sub3; der elektrooptische Koeffizient ist, und E das angewendete Feld ist.
Daraus resultiert eine Modifizierung der optischen Länge des Laserresonators, also seiner Emissionsfrequenz.
Das elektrooptische Material 66 ist typisch LiNbO&sub3; oder LiTaO&sub3; oder irgend ein Material mit einer deutlichen Veränderung der Brechzahl unter der Wirkung eines elektrischen Feldes (eventuell ein Halbleiter).
Die Einrichtungen 52, 54, 56, 58 sind stab- oder matrixförmig. Diese Einrichtungen können vom magnetooptischen oder vom elektrooptischen Typs sein. Die Fig. 5 zeigt vier elektrooptische Elemente 52, 54, 56, 58, angeordnet auf einem Träger 59 (durchlässig für die gewünschte Wellenlänge), auf dem sie zum Beispiel festgeklebt sind. Die elektrooptischen Materialien sind außerdem geeignet für eine Kollektivherstellung. Die "Wafer"- Herstellungstechniken ermöglichen, einfach durch (Schleif-)Sägen die Geometrien der stab- oder matrixförmigen Modulatoren auf ihrem Träger 59 zu erhalten: es bedarf dann keiner Klebeschritte mehr.
Nach einer speziellen Ausführungsart werden bei der Erfindung "Chip"-Laser, oder Mikrolaser, angewendet. Zunächst wird die Struktur der Mikrolaser in Erinnerung gerufen.
Sie wird zum Beispiel beschrieben in dem Artikel von J. L. Aubert mit dem Titel "Q- switched microchip lasers bring new applications to light", erschienen in "Laser Focus World", Juni 1995.
Der Chip Laser ist ein Festkörper, diodiodengept via optischer Faser oder nicht. Alle den Laser bildenden Elemente (Verstärkungsmedium, Spiegel, Modulatoren, ...) sind in einem kleinen Volumen integriert (< mm³), um eine kompakte monolithische Einheit zu bilden. Die Spiegel des Lasers sind zum Beispiel direkt auf dem Lasermaterial realisiert, das dielektrisch ist.
Das Lasermaterial ist wie üblich mit Neodym (Nd) dotiert, für eine Laseremission um 1,06 um. Dieses Material kann zum Beispiel unter folgenden Materialien ausgewählt werden: YAG (Y&sub3;Al&sub5;O&sub1;&sub2;), LMA (LaMgAl&sub1;&sub1;O&sub1;&sub9;), YVO&sub4;, YSO (Y&sub2;SiO&sub5;), YLF (YLiF&sub4;) oder GdVO&sub4;, usw. Es kann auch ein Glas sein.
Für Emissionen mit anderen Wellenlängen werden andere Dotierstoffe gewählt. Generell werden die aktiven Ionen ausgewählt unter:
- Nd für eine Emission um 1,06 um (1,064 um) sowie um 1,3 um,
- Er oder eine Erbium-Ytterium-Codotierung Er+Yb für eine Emission um 1,5 um,
- Tm oder eine Thulium- und Holium-Codotierung für eine Emission um 2 um.
Je nach Art des Lasermaterials und der Dotierung sind mehrere Emissionswellenlängen möglich. Die beiden Wellenlängen 1,3 um und 1,5 um sind vorteilhaft für die Anwendung bei der Mikrowellenübertragung auf optischem Wege, denn sie befinden sich in den für die optischen Telekommunikationsanwendungen identifizierten Fenstern (gewährleistete Verfügbarkeit spezifischer Komponenten durch diesen Markt).
Diverse spezifische Entwicklungen (stabile Resonatoren, Frequenzmodulation, ...) sind um die Basisstruktur der Mikrolaser herum realisiert worden.
Insbesondere beschreibt das Dokument EP-653 824 einen Mikrolaser mit passiver Güteschaltung durch Sättigungsabsorptionsmaterial. Das Dokument EP-724 316 beschreibt einen monolithischen Festkörper-Mikrolaser mit aktiver Güteschaltung durch eine schwache Steuerspannung.
Die oben genannten Dokumente beschreiben auch Herstellungsverfahren der Mikrolaser. Diese Verfahren sind kollektiv und ermöglichen, gleichzeitig zahlreiche Mikrolaser herzustellen.
Insbesondere kann man Mikrolaserstäbe oder -matrizen herstellen: dazu genügt es, den Schneidschritt in dem kollektiven Herstellungsverfahren zu modifizieren.
Diese Mikrolaser können in eine Vorrichtung des oben in Verbindung mit der Fig. 3A beschriebenen Typs integriert werden. Die Struktur der matrixförmigen Mikrolaser ist mit der matrixförmigen Struktur der Einrichtungen 52, 54, 56, 58 kompatibel.
Man kann auch anstatt Mikrolasern Matrizen des Typs VCSEL (Halbleiterlaser mit vertikalem Resonator) verwenden, die sich auch für eine matrix- oder stabförmige Ausführung eignen.
Auf jeden Fall ermöglicht die Verwendung von matrix- oder stabförmigen Emissionseinrichtungen zusammen mit den Phasenverzögerungseinrichtungen, selbst matrix- oder stabförmig, eine sehr kompakte Mikrowellensendevorrichtung zu erhalten, die folglich kompatibel ist mit den Anwendungen, wo eine sehr große Anzahl Emissionseinrichtungen erforderlich ist (zum Beispiel die Anwendungen des Typs Radar).
Der oben beschriebene Phasenmodulator ist zwei frequenzsabstandsgeregelten Quellen nachgeschaltet. Er kann vorteilhafterweise auch einer Einheit aus mehreren Emissionseinrichtungspaaren nachgeschaltet sein, sofern diese phasengeregelt sind (langsame Regelung, auf unterschiedliche Weise realisierbar: zum Beispiel thermisch oder elektrooptisch, wie weiter unten beschrieben). In diesem Fall ist das System geschaltet wie dargestellt in der Fig. 6A, wo einer der beiden Strahlen jedes Quellenpaars ein Phasenverzögerungselement 52, 54, 56, 58 durchquert. Jedes Paar wird in der weiter oben in Verbindung mit der Fig. 3B beschriebenen Weise frequenzgeregelt, wobei die Mikrowellen- Bezugsquelle für alle Emissionseinrichtungspaare dieselbe sein kann.
Eine wafer-förmige Emissionseinrichtungsmatrix 61-2, 62-2, 63-2, 64-2 (die Emissionseinrichtungen 61-1, 62-1, 63-1, 64-1 sind nicht dargestellt) mit zugeordneten Phasenmodulationseinrichtungen 52, 54, 56, 58, auch sie matrixförmig, ist in der Fig. 7 dargestellt.
In praktischer Hinsicht hat diese Anordnung den Vorteil, durch die Parallelisierung der Quellen eine größere optische Leistung - oder Mikrowellenleistung - zu liefern und dabei eine Matrix-Gesamtstruktur beizubehalten:
Noch genauer umfasst die Regelungsfunktion, wie dargestellt in den Fig. 6A und 6B, zwei Niveaus:
1) eine erste Regelung 66, 68, 70, 72 des Frequenzabstands der optischen Quellen, synchronisiert auf eine Mikrowellen-Bezugsquelle; dieses erste Regelungsniveau wurde oben schon beschrieben (Fig. 3B).
2) eine zweite Regelung des Phasenabstands der optischen Quellen untereinander, realisiert durch die Verwendung einer Mikrowellenquelle 31 gemeinsamen Bezugs für die verschiedenen Mikrolaserpaare.
Diese Mikrowellenquelle 31 sendet ein gemeinsames Bezugssignal aller Mikrolaserpaare 62-1, 62-2, 63-1, 63-2, 64-1, 64-2.
Das resultierende Signal selbst kann so gesteuert werden, dass man die Richtung der Ebene 23 der emittierten Welle modulieren kann (s. Fig. 2). Zu diesem Zweck (Fig. 7) erfassen Photodioden 74, 76 die zum Beispiel von Paaren benachbarter Modulatoren 56, 58 oder 52, 54 stammenden Signale, um aus Strahlen der Mikrolaserpaare ein Überlagerungssignal zu bilden. Jedes dieser Signale wird in Einrichtungen 78 eingespeist, die den Frequenz- und Phasenabstand mit der Bezugsquelle 31 detektieren und diesen Abstand durch die Spannungssteuerung jedes der elektrooptischen Modulatoren korrigieren.
Derselbe Regelungstyp kann für die Vorrichtung der Fig. 3A gewählt werden, ist aber nicht so notwendig, denn die Phasenrotation wird dann durch die beiden Quellen erzwungen. Die Phasensteuerung kann also in diesem Fall ohne Regelung angewendet werden.
Eine Variante der Fig. 6A würde darin bestehen, ein Phasenverzögerungselement für jeden Strahl jedes Quellenpaars, zum Beispiel eine Phasenverzögerung von +φ/2 auf dem Weg der von den Quellen 61-1, 62-1, 63-1 und 64-1 stammenden Strahlen und eine Phasenverzögerung von -φ/2 auf dem Weg der von den Quellen 61-2, 62-2, 63-2 und 64-2 stammenden Strahlen anzuordnen. Man kann noch allgemeiner eine symmetrische und differentielle Phasenverschiebung in den beiden Kanälen realisieren.
Bei den oben beschriebenen Ausführungsarten werden die Quellen bezüglich Frequenz und Phase als feststehend betrachtet (durch Regelung). Man kann die Phase der verschiedenen Mikrowellenemissionseinrichtungen modifizieren, indem man die relative Frequenz jedes der Emissionspaare gleiten lässt (während einer kurzen Dauer). Der Vorteil dieser Frequenzabweichungslösung für die Phasenmodulation beruht auf der Möglichkeit einer Modifikation der Phase in Werten deutlich über +/-π (im Gegensatz zu der direkten Modulation.
Die optische Frequenzabweichung der Laser kann man erhalten, wie dargestellt in der Fig. 8A, durch Modifikation der optischen Länge ihres Resonators. Diese Modifikation der optischen Länge erhält man zum Beispiel durch einen elektrooptischen Effekt des schon weiter oben erwähnten Typs. Das aktive Lasermedium 80 und das elektrooptische Material 82 sind beide Teil des Mikrolaserresonators, abgegrenzt durch die Resonatorspiegel 83, 85. Auch hier sind die optischen Mikrolaserbauteile wieder kompatibel mit einer kollektiven Herstellung. Die Anwendung einer Spannung zwischen den Elektroden 84, 86 hat eine Brechzahländerung des elektrooptischen Materials 82 zur Folge, also der optischen Länge des Mikrolaserresonators.
Daraus resultiert eine Veränderung der Laseremissionsfrequenz. Das System hat praktisch die in der Fig. 8B dargestellte Globalstruktur, bei der es auf dem Weg der Laserstrahlen kein elektrooptisches Element mehr gibt: man erzwingt eine Phasenrelation zwischen zwei Laserquellen, indem man die Frequenz eines der Laser gleiten lässt, bis der gewünschte Phasenabstand erreicht ist. Man kann zum Beispiel in jedem Kanal über Einrichtungen 88, 90 verfügen (s. Fig. 9), um eine Phasenverzögerung des Mikrowellen- Bezugssignals zu erzwingen. Das "Gleiten" der Phase des Bezugs hat ein Gleiten der Frequenz des Lasers zur Folge (denn man modifiziert das Bezugssignal des entsprechenden Komparators), folglich ein Gleiten der Phase eines Lasers in Bezug auf den anderen. Das Steuern des Gleitens der Frequenz kann zum Beispiel durch ein Phasenverriegelungsband (PLL) realisiert werden, gesteuert durch eine Antennenausrichtungs-Steuerzentrale 91.
In der Fig. 8B bezeichnet das Bezugszeichen 65 eine Vorrichtung, die einen Phasenbezug liefert.
Man versucht, soweit dies möglich ist, die Steuerspannung der Vorrichtung 82 der Fig. 8A zu reduzieren, indem man die Elektroden 84, 86 annähert. In dem dargestellten Fall (einer Modulationskonfiguration quer zur Achse des Lasers) kann der rechtwinklige Querschnitt des Laserstrahls also reduziert werden durch die Realisierung einer sogenannten stabilen Laserresonator-Konfiguration. Ein typischer Wert der Modulationsspannung - für den Fall von Kristallen - beträgt dann 10 MHz/V.
Man kann vorteilhafterweise jedes Paar Strahlungsquellen ersetzen durch eine Zweifrequenzquelle. Die Frequenz- und Phasenregelung ist dann dieselbe wie die oben beschriebene, aber die realisierte Vorrichtung ist noch kompakter und die Regelung ist weniger gezwungen, denn jede Abweichung im Laserresonator wirkt in zweiter Ordnung auf den Frequenzabstand der doppelten Emissionseinrichtungen. Zweifrequenz-Laserquellen werden in dem schon weiter oben genannten Artikel von M. Brunel et al. beschrieben.
Außerdem hat die Fig. 8 das Beispiel einer elektrooptischen Modulation geliefert. Man kann auch eine Halbleiter-Modulation realisieren, mit dem Vorteil eines intrinsisch höheren Modulations-Durchlassbands, bezogen auf das mit elektrooptischen Kristallen erhaltene. Zudem erhält man dann eine planare und kompaktere Geometrie.
Eine weitere Anwendung der Erfindung betrifft die Radarsysteme.
Die Technik der kollektiven Herstellung der Phasenmodulatoren ist durch den möglichen Matrizenaspekt bzw. -charakter der Struktur vorteilhaft für die Radaranwendung. Außerdem ist die Technik der kollektiven Herstellung der Mikrolaser auch vorteilhaft hinsichtlich dieser Anwendung. Diese Quellenstruktur (mit resonator-externer oder -interner Phasenmodulation) kann vervollständigt werden durch Systemfunktionen wie zum Beispiel die der Regelung der Frequenz, der Steuerung der Phasen in Bezug in Bezug auf ein Bezugssignal oder des Anschlusses an die optischen Mikrowellen-Übertragungsfasern der Information. Man erhält schließlich ein System, gebildet durch die Überlagerung multipler "Scheiben" optischer oder elektronischer Bestimmung (vocation), extrem kompakt trotz der angestrebten Komplexität (Regelung mehrere tausend Mikrowellenemissionseinrichtungen)
Die Fig. 10 stellt schematisch ein Radarsystem dar, das auf der matrixförmigen Realisierung optischer Mikrowellenkanäle (voies opto-hyper) basiert. Eine stabförmige Variante kann realisiert werden, um die Herstellungskosten zu optimieren.
Die dargestellte Vorrichtung umfasst Einrichtungen 92 zum Koppeln von Fasern 94, die Pumpstrahlen leiten, die von einer Pumpdiodenmatrix stammen (nicht dargestellt in der Fig. 10). Die Pumpstrahlen werden anschließend auf eine Matrix 96 von Chip-Lasern (oder Mikrolaser oder des Typs VCSEL), versehen mit einer Matrix 98 von Phasen- und/oder Amplitudenmodulationseinrichtungen. Das Bezugszeichen 100 bezeichnet eine Matrix von Phasen- und/oder Amplitudenregelungs-Wirkeinrichtungen der Chip-Laser. Die Phasenregelungseinrichtungen sind zum Beispiel Einrichtungen vom Typ derjenigen, die weiter oben beschriebenen schon wurden.
Insbesondere werden Phasen- und/oder Amplitudeneinstellwerte durch Überlagerungssignale geregelt, die von Dioden stammen, die sich entweder auf dem Weg der Laserstrahlen befinden (vor den optischen Fasern) oder am Ende der Kette, wobei die Regelungsdioden dann zusammenfallen mit den Antennedioden der Matrix 104. Diese zweite Möglichkeit ermöglicht, Phasenverzögerungen Rechnung zu tragen, die mit den optischen Fasern 102 verbunden sind. Das Überlagerungssignal wird auf jeden Fall zurückgesandt zu den Regelungseinrichtungen der Matrix 100. In dem zweiten Fall kann es durch die Fasern 102 zurückgesandt werden, oder durch getrennte optische Fasern. Die optischen Fasern 102 ermöglichen, die modulierten Strahlen zu einer Matrix 104 von Photodioden zu leiten, die eine Strahlenmischfunktion haben. Dies sind Detektionseinrichtungen von Überlagerungssignalen hinsichtlich der Phasen- und/oder Amplitudenregelung. Das Bezugszeichen 106 bezeichnet eine Matrix aktiver Antennen, versehen mit einer adäquaten elektronischen Verstärkung.
Die Amplitudeneinstellung der verschiedenen Emissionseinrichtungen kann durch Modulation der Pumpleistung der Laser erfolgen. Die Modulationsfrequenzleistungen sind dann jedoch begrenzt (< einige 100 kHz) aus Gründen, die beim Lasermaterial liegen (insbesondere die Niveaulebensdauer).
Die Amplitudenmodulation der Quellen wird also vorzugsweise durch elektrooptische Modulation realisiert. Eine Beschreibung dieses Modulationstyps findet sich in dem Werk von A. Orszag und G. Heppner mit dem Titel "Die Laser und ihre Anwendungen", Masson, S. 1450; 1980.
Wie in der Fig. 11 dargestellt, beruht ein elektrooptischer Modulator auf dem Wechsel der Polarisationsrichtung einer Lichtwelle beim Durchqueren eines anisotropen Mediums 108 in Abhängigkeit von einem äußeren elektrischen Feld, angelegt mit Hilfe von Elektroden 110, 112. Dieser Polarisationsrichtungswechsel - analysiert mittels eines Linearpolarisators 114 - zeigt sich in einer Amplitudenmodulation des optischen Signals.
Vorzugsweise wird der Analysator 114 auf dem elektrooptischen Material 108 angebracht.
Für den Fall, dass die Laserwelle am Eingang des Modulators nicht vollkommen polarisiert ist, kann ein Polarisator (analog dem des Analysators) vor dem Modulator vorgesehen werden.
Die Fig. 10 zeigt also die Gesamtstruktur eines Radars mit aktiver Antenne mit optischer Überlagerung. Die Steuer- oder Phasen- und/oder Amplitudenmodulationseinrichtungen können sich vor den optischen Übertragungsfasern der Mikrowellensignale befinden. Sie können auch (wie im Fall der Fig. 10) verteilt angeordnet sein, vor und hinter dem Faserngitter: vor den Fasern hat man dann die Einrichtungen, die auf die Phase und die Amplitude der Wellen einwirken; dahinter die Detektionseinrichtungen des Abstands zum "Regelungseinstellwert", wobei dieser Einstellwert sowie der Abstand zu diesem Einstellwert vorteilhafterweise durch das Fasernetz übertragen werden können.
Bei der oben in Verbindung mit der Fig. 10 beschriebenen Struktur gibt es ebenso viele optische Fasern wie zu realisierende Mikrowellenkanäle (also zum Beispiel 2000 bei einer "objektiven" Konfiguration). Es ist möglich, die Anzahl dieser Fasern zu reduzieren durch Wellenlängen-Multiplex (wie dies in der Telekommunikation zum Beispiel mit Multiplexern des Typs "Phasar" geschieht).
Dazu realisiert man Chip-Laserquellen mit optischer Frequenzverschiebung des Multiplexing-Schritts (typisch 0,8 nm), zum Beispiel durch Einstellung ihrer Resonatorlänge.
In der Fig. 12 ist diese Lösung mit Zweifrequenz-Chip-Lasers schematisch dargestellt: der Mikrolaser 116 emittiert mit den Frequenzen Ω&sub1; und Ω&sub1;+w, der Mikrolaser 118 mit den Frequenzen Ω&sub2; und Ω&sub2;+ω ... usw. Das Bezugszeichen 124 bezeichnet einen optischen Multiplexer und das Bezugszeichen 126 einen Demultiplexer.
Man kann noch, wie vorhergehend schon beschrieben, für jeden der Mikrolaser einen Phasenbezug herstellen. Eine Einrichtung 131 zum Liefern eines Phasenbezugs zeigt die Fig. 12. Jeder der demultiplexierten Strahlen wird anschließend durch einen Photodetektor 128, 130, 132, 134 detektiert.
In praktischer Hinsicht kann die Einstellung der Längen der verschiedenen Resonatoren durch einen "verteilten" Resonator realisiert werden. Wie dargestellt in der Fig. 13A, ist jedem Laserresonator 136 ein Spiegel 138 des Typs Bragg-Gitter zugeordnet, vorteilhafterweise realisiert auf dem entsprechenden Leiter (in integrierter Optik) der Multiplexvorrichtung. Die Fig. 13B zeigt eine Gruppe 140 von Mikrolasern, die entsprechenden Wellenleiter 142 und das in die Wellenleiter geätzte Gitter 144. Als Ersatz für die Mikrolaser sind auch Laserdioden mit dieser Anordnung kompatibel. Aber die Kopplung der Mikrolaser ist einfacher und außerdem sind die Mikrolaser spektral reiner. Schließlich kann man auch Zweifrequenzlaser verwenden.
Die Erfindung betrifft also auch eine optische Vorrichtung, umfassend:
- Laser oder Laseremissionsvorrichtungen (Mikrolaser oder Laserdioden), mosaik- oder matrixförmig realisiert,
- eine Multiplexvorrichtung mit integrierten optischen Leitern, wobei jeder optische Leiter zum Beispiel einer Laserquelle oder einer Laseremissionsvorrichtung oder einem Laserresonator entspricht,
- einen Spiegel des Typs Bragg-Gitter, realisiert (zum Beispiel geätzt) auf jedem Leiter der Multiplexvorrichtung.

Claims

1. Mikrowellen-Emissionseinrichtung, umfassend:

- eine Vielzahl N Laseremissionseinrichtungspaare (61-1, 61-2; 62-1, 62-2; 63-1, 63-2; 64-1, 64-2), realisiert in mosaik-, matrix- oder stabförmiger Anordnung, wobei jedes Laseremissionseinrichtungspaar eine erste und eine zweite Laseremissionseinrichtung umfasst, die mit einer ersten und einer zweiten Frequenz ω1, ω2 emittieren, die unterschiedlich sind,

- ein Mosaik oder eine Matrix oder einen Stab aus N Elementen (52, 54, 56, 58), jedes von ihnen angeordnet im Weg der zweiten Laseremissionseinrichtung von einem der genannten Laseremissionseinrichtungspaare, wobei jedes Element ermöglicht, dem Strahl des genannten zweiten Laseremissionseinrichtungspaars eine Phasenverzögerung aufzuzwingen,

- Einrichtungen (31, 78) zur Frequenz-, Phasen- und eventuell Amplitudenregelung jedes Laseremissionseinrichtungspaars,

- N Einrichtungen zum Mischen jedes der durch die ersten Emissionseinrichtungen der N Laseremissionseinrichtungspaare emittierten Strahlen mit jedem der durch die zweiten Emissionseinrichtungen der N Laseremissionseinrichtungspaare emittierten und durch die Elemente verzögerten Strahlen, die ermöglichen, eine Phasenverzögerung aufzuzwingen, und zum Erzeugen von N Signalen mit der Frequenz ω&sub1;-ω&sub2;,

- N Antenne-bildende Einrichtungen zum Emittieren einer Strahlung mit der Frequenz ω&sub1;-ω&sub2;.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Laseremissionseinrichtungen Mikrolaser sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Elemente, die ermöglichen, eine Phasenverzögerung aufzuzwingen, elektrooptische oder magnetooptische oder thermooptische Elemente sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Frequenzregelungseinrichtungen Einrichtungen zur Formung eines Überlagerungssignals der durch den ersten und den zweiten Laser jedes Paars emittierten Strahlen umfassen sowie Einrichtungen zur Justierung der Emissionsfrequenz einer der Laseremissionseinrichtungen des Laseremissionseinrichtungspaars in Abhängigkeit von dem Überlagerungssignal.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Einrichtungen zum Justieren der Emissionsfrequenz eines der Laser in Abhängigkeit von dem Überlagerungssignal Einrichtungen zum Durchführen eines Vergleichs zwischen dem Überlagerungssignal und einem Bezugssignal umfassen, das durch eine Bezugsquelle geliefert wird, sowie Einrichtungen zum Modifizieren der optischen Länge des Resonators der Laseremissionseinrichtungen, deren Emissionsfrequenz zu justieren ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Bezugsquelle für alle Laseremissionseinrichtungspaare dieselbe ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, außerdem Einrichtungen zum Regeln der durch wenigstens eines der Elemente der Matrix, oder des Stabs, aufgezwungenen Verzögerung von N Phasenverzögerungselementen umfassend, in Abhängigkeit von einem Überlagerungssignal zwischen dem Strahl, der das genannte Phasenverzögerungselement der Matrix durchquert, und einem anderen Strahl.

8. Mikrowellen-Emissionsvorrichtung, umfassend:

- eine Vielzahl N Laseremissionseinrichtungspaare (60-1, 60-2; 61-1, 61-2; 62-1, 62-2; 63-1, 63-2; 64-1, 64-2), realisiert in mosaik-, matrix- oder stabförmiger Anordnung, wobei jedes Laseremissionseinrichtungspaar eine erste und eine zweite Laseremissionseinrichtung umfasst, die mit einer ersten und einer zweiten Frequenz ω&sub1;, ω&sub2; emittieren, die unterschiedlich sind,

- Einrichtungen zur Frequenzregelung jedes Laseremissionseinrichtungspaars,

- Einrichtungen zum Modifizieren der Frequenz einer der Laseremissionseinrichtungen wenigstens eines Laseremissionseinrichtungspaars in Bezug auf die Frequenz der anderen Laseremissionseinrichtung des genannten Laseremissionseinrichtungspaars,

- N Einrichtungen zum Mischen jedes der durch die ersten Emissionseinrichtungen der N Laseremissionseinrichtungspaare emittierten Strahlen mit jedem der durch die zweiten Emissionseinrichtungen der N Laseremissionseinrichtungspaare emittierten Strahlen, und zum Erzeugen eines Signals mit der Frequenz ω&sub1;-ω&sub2;,

- Antenne-bildende Einrichtungen zum emittieren einer Strahlung mit der Frequenz ω&sub1;-ω&sub2;.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Laseremissionseinrichtungen Mikrolaser sind.

10, Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die erste und zweite Laseremissionseinrichtung jedes Paars durch eine Zweifrequenzenquelle gebildet wird, die mit den beiden Frequenzen ω&sub1; und ω&sub2; emittiert.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei die Einrichtungen zum Modifizieren der Frequenz einer der Laseremissionseinrichtungen wenigstens eines Laseremissionseinrichtungspaars in Bezug auf die Frequenz der anderen Laseremissionseinrichtung des genannten Laseremissionseinrichtungspaars einen elektrooptischen Modulator (82, 84, 86) umfasst.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei der elektrooptische Modulator ein Halbleitermodulator ist.

13. Radarvorrichtung, eine Mikrowellen-Emissionseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 umfassend, wobei die Laser und die Laseremissionseinrichtungen (96, 98) matrixförmig zusammengebaut sind und zwischen den Elementen (100) eine Kopplung oder Transmission durch optische Fasern (102) realisiert ist, was ermöglicht, Phasenverzögerungen aufzuzwingen, und die Einrichtungen (104) zum Mischen der emittierten Strahlen umfassend.

14. Radarvorrichtung, eine Mikrowellen-Emissionseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 umfassend, wobei die Laser oder die Laseremissionseinrichtungen matrixförmig zusammengebaut sind und durch einen Multiplexer (124) gemultiplext werden, wobei eine optische Faser (125) den Multiplexer und einen Demultiplexer (126) verbindet.

15. Radarvorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, wobei die Frequenzregelungseinrichtungen ebenfalls matrixförmig zusammengebaut sind.

16. Radarvorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15 und nach Anspruch 4, wobei die Einrichtungen zum Formen eines Überlagerungssignals zusammenfallen mit den Einrichtungen zum Mischen von entweder dem durch den ersten Laser emittierten Strahl und jedem der N verzögerten Strahlen, oder jedem der durch die ersten Emissionseinrichtungen der N Laseremissionseinrichtungspaare emittierten Strahlen mit jedem der durch die zweiten Emissionseinrichtungen der N Laseremissionseinrichtungspaare emittierten und durch die Elemente verzögerten Strahlen, die ermöglichen, eine Phasenverzögerung zu erzwingen.

17. Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei die Resonatoren der Laser oder der Laseremissionseinrichtungen gegeneinander frequenzverschoben sind.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, wobei die Resonatoren durch Justierung bzw. Anpassung ihrer Länge frequenzverschoben sind.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, wobei jedem Laserresonator ein Spiegel (138, 144) des Typs Bragg-Gitter zugeordnet wird, hergestellt auf einem Leiter (142) des Multiplexers.