DE1242014B

DE1242014B - Device for superimposing signal waves in the range of optical frequencies

Info

Publication number: DE1242014B
Application number: DE1965S0095067
Authority: DE
Inventors: Dr P G Mezger
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1965-01-19
Filing date: 1965-01-19
Publication date: 1967-06-08

Description

Einrichtung zur Überlagerung von im Bereich der optischen Frequenzen gelegenen Signalwellen Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur überlagerung von im Bereich der optischen Frequenzen gelegenen Signalwellen, bei der außer einem Eingang für die zu überlagernden Signallichtwellen ein Eingang für Hilfslichtwellen hiervon verschiedener Frequenz, eine photoempfindliche, nichtlineare Eigenschaften aufweisende Einrichtung für die überlagerung der Signallichtwellen und der Hilfslichtwellen und ein Ausgang für die in der Einrichtung gebildeten Schwingungen vorgesehen sind.Device for superimposing in the range of optical frequencies located signal waves The invention relates to a device for superposition of signal waves located in the range of optical frequencies, with the exception of one Input for the signal light waves to be superimposed an input for auxiliary light waves of this different frequency, a photosensitive, non-linear properties having device for the superposition of the signal light waves and the auxiliary light waves and an output is provided for the vibrations generated in the device.

Bekannt ist eine Einrichtung für die Überlagerung von Lichtwellen zur Erzeugung von Summenfrequenzen und höheren Harmonischen. Die Strahlung zweier optischer Molekularverstärker unterschiedlicher Sendefrequenz wird derart auf einen teildurchlässigen Spiegel gerichtet, daß ein Lichtbündel nach einer Reflexion und das andere nach einem Durchgang parallel laufend auf einen Photovervielfacher gelangt. Ist der teildurchlässige Spiegel 50%ig verspiegelt, so gehen 50% der Strahlung beider optischer Molekularverstärker verloren.A device for superimposing light waves is known for generating sum frequencies and higher harmonics. The radiation of two optical molecular amplifier of different transmission frequency is so on one Partially transparent mirror directed that a light beam after a reflection and the other, running in parallel, arrives at a photomultiplier after one pass. If the partially transparent mirror is 50% reflective, 50% of the radiation from both goes optical molecular amplifier lost.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, eine Einrichtung zur Überlagerung von Signallichtwellen zu realisieren, bei der die Verluste der Signallichtwellen niedrig sind.The object on which the invention is based is to provide a device to realize the superposition of signal light waves, in which the losses of the Signal light waves are low.

Ausgehend von einer Einrichtung der einleitend geschilderten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zur Konzentration der Signallichtwellen auf die photoempfindliche Einrichtung eine Cassegrain-Optik vorgesehen ist, die aus einem konvexen Umlenkspiegel und einem durchbohrten Objektivspiegel besteht, die längs der Achse in Einfallsrichtung der Signallichtwellen nacheinander angeordnet sind, daß ferner die Einspeisung der Hilfslichtwellen in die Cassegrain-Optik seitlich zu deren Achse vorgesehen ist, daß ein zu dieser Achse geneigt vor dem konvexen Umlenkspiegel in der Schattenzone der Cassegrain-Optik angeordneter Hilfsspiegel vorgesehen ist, der die Hilfslichtwellen durch die Öffnung im Objektivspiegel ebenfalls auf die photoempfindliche Einrichtung reflektiert, der die Differenzschwingungen aus den Schwingungen des Signallichtes und des Hilfslichtes als Zwischenfrequenzschwingungen entnommen werden.Starting from a facility of the type described in the introduction this object is achieved according to the invention in that for the concentration of the signal light waves a Cassegrain optics is provided on the photosensitive device, which consists of a convex deflecting mirror and a pierced objective mirror, which are arranged one after the other along the axis in the direction of incidence of the signal light waves are that, furthermore, the feeding of the auxiliary light waves into the Cassegrain optics laterally to the axis of which it is provided that one is inclined to this axis in front of the convex Deflecting mirror arranged in the shadow zone of the Cassegrain optics is provided that the auxiliary light waves through the opening in the lens mirror as well on the photosensitive device, which reflects the differential oscillations from the oscillations of the signal light and the auxiliary light as intermediate frequency oscillations can be removed.

Eine solche Anordnung eignet sich in besonders vorteilhafter Weise zur Umsetzung eines Signallichtes in den Bereich elektromagnetischer Wellen. Die erfindungsgemäße Verwendung einer Cassegrain-Optik ermöglicht es nämlich, daß bei Kleinhaltung des konvexen Umlenkspiegels ein großer Teil des in die öffnung der Optik einfallenden Lichtstromes auf die lichtempfindliche Fläche des Mischelementes infolge der Verwendung von Metallspiegeln unabhängig von der Wellenlänge des Signallichtes abgebildet werden kann und andererseits die Einkopplung des Hilfslichtes keine Schwächung der Signallichtintensität hervorruft. Ferner ermöglicht der Erfindungsgegenstand die Verarbeitung schwacher Signale. Die Lage der Brennebene hinter dem durchbohrten Objektivspiegel erlaubt eine günstige konstruktive Gestaltung der erfindungsgemäßen Anordnung.Such an arrangement is particularly advantageous to convert a signal light into the range of electromagnetic waves. the Use of a Cassegrain optics according to the invention makes it possible that at Keeping the convex deflecting mirror small a large part of the in the opening of the Optics incident light flux on the light-sensitive surface of the mixing element due to the use of metal mirrors regardless of the wavelength of the signal light can be mapped and on the other hand the coupling of the auxiliary light no weakening the signal light intensity causes. The subject matter of the invention also enables the processing of weak signals. The location of the focal plane behind the pierced one Objective mirror allows a favorable structural design of the invention Arrangement.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes ist die Frequenz der Hilfslichtwellen derart gewählt, daß die Zwischenfrequenzschwingungen im Mikrowellenbereich liegen.In a preferred embodiment of the subject matter of the invention the frequency of the auxiliary light waves chosen so that the intermediate frequency oscillations lie in the microwave range.

Vorteilhaft dient als Hilfslichtquelle ein optischer Molekularverstärker.An optical molecular amplifier is advantageously used as the auxiliary light source.

Vorteilhaft ist es weiterhin, wenn in dem Hilfslichtstrahlengang vor dem Auftreffen auf den Hilfsspiegel eine Konvexlinse angeordnet ist. Der Lichtstrom läuft dadurch konisch zusammen und fällt nach der Reflexion konzentriert auf die photoempfinliche Schicht.It is also advantageous if in the auxiliary light beam path A convex lens is arranged when it hits the auxiliary mirror. The luminous flux converges conically and falls concentrated on the after reflection photosensitive layer.

Bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform ist der Hilfsspiegel konkav ausgebildet und bewirkt das konische Zusammenlaufen des Lichtstromes zum Zweck der Konzentration auf der photoempfindlichen Schicht.In another advantageous embodiment, the auxiliary mirror is concave and causes the conical convergence of the luminous flux to Purpose of concentration on the photosensitive layer.

Ergänzend kann dabei vorteilhaft im Hilfslichtbündel ein Graukeil vorgesehen werden.In addition, a gray wedge can advantageously be used in the auxiliary light beam are provided.

Vorteilhaft ist es weiterhin, wenn die Einrichtung zur Überlagerung so dimensioniert ist, daß die äußeren Begrenzungen des auf die vorzugsweise kreisförmige photoempfindliche Einrichtung auftreffenden Signallichtbündels und Hilfslichtbündels mit der äußeren Begrenzung der photoempfindlichen Schicht zusammenfallen. Das beispielsweise aus einem optischen Molekularverstärker stammende Signallicht leuchtet dabei auf der photoempfindlichen Schicht eine ringförmige Fläche aus.It is also advantageous if the device for superimposition is dimensioned so that the outer boundaries of the preferably circular Photosensitive device of incident signal light bundle and auxiliary light bundle coincide with the outer boundary of the photosensitive layer. That, for example signal light from an optical molecular amplifier shines an annular surface on the photosensitive layer.

An Hand eines Ausführungsbeispiels wird die Erfindung nachstehend erläutert.The invention is described below on the basis of an exemplary embodiment explained.

Die Zeichnung zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung zum überlagerungsempfang für im Bereich der optischen Frequenzen gelegene Wellen. Die Cassegrain-Optik besteht aus dem durchbohrten Objektivspiegel 1 und dem Umlenkspiegel 2 mit der gemeinsamen optischen Achse 3. Ein weiteres optisches System besteht aus der Konvexlinse 4 auf der optischen Achse 5 und dem Hilfsspiegel 6, der am Kreuzungspunkt der optischen Achsen 3 und 5 angeordnet ist. Zwischen der Konvexlinse 4 und dem Hilfsspiegel 6 befindet sich ein in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse 5 verschiebbarer Graukeil 7. In der Nähe der dichtbenachbarten Brennpunkte beider optischer Systeme auf der optischen Achse 3 liegt in Richtung zum Objektivspiegel 1 die Photodiode 8, die sich an der Stirnseite 9 des Innenleiters 10 eines kurzen Koaxialleitungsabschnittes befindet, dessen der Stirnseite 9 gegenüberstehender Außenleiterteil 11 eine Öffnung 12 aufweist. Der Außenleiter 11 ist weiterhin, von der Öffnung 12 aus betrachtet, nach dem anderen Ende des Innenleiters 10 hin stetig erweitert, so daß ein Wellenwiderstandstransformator entsteht. Die für den Betrieb der Photodiode 8 erforderliche Betriebsgleichspannung wird der Batterie 13 entnommen. Der eine Anschluß für die Betriebsgleichspannungszuführung zur Photodiode 8 geschieht über eine Hochfrequenzdrossel 14, deren dem Innenleiter 10 abgewandtes Ende für die Mikrowellen gegen den Außenleiter mittels eines Kondensators 15 kurzgeschlossen ist. Der andere Anschluß kann über den mit der Photodiode 8 in Verbindung stehenden Außenleiter 11 hin geschehen, der seinerseits mit der Batterie 13 verbunden ist. Zur Verhinderung von eventuellen störenden Gleichspannungskurzschlüssen ist beim Ausführungsbeispiel der Innenleiter 10 an der Stelle 17 nur gleichstrommäßig, nicht aber für die Mikrowellen aufgetrennt. Statt der Innenleiterauftrennung oder gegebenenfalls zusätzlich hierzu könnte auch eine Außenleiterauftrennung vorgesehen werden. Die Halterungen für die optischen und elektronischen Elemente erfolgen in an sich bekannter Weise.The drawing shows an embodiment of an arrangement for superimposition reception for waves located in the range of optical frequencies. The Cassegrain optics consists of the pierced objective mirror 1 and the deflection mirror 2 with the common optical axis 3. Another optical system consists of the convex lens 4 on the optical axis 5 and the auxiliary mirror 6, which is arranged at the intersection of the optical axes 3 and 5 is. Between the convex lens 4 and the auxiliary mirror 6 there is a gray wedge 7 that can be displaced in a plane perpendicular to the optical axis 5 the end face 9 of the inner conductor 10 of a short coaxial line section whose outer conductor part 11 opposite the end face 9 has an opening 12. The outer conductor 11 is furthermore, viewed from the opening 12 , steadily widened towards the other end of the inner conductor 10 , so that a characteristic impedance transformer is created. The DC operating voltage required to operate the photodiode 8 is taken from the battery 13. One connection for the operating DC voltage supply to the photodiode 8 is via a high-frequency choke 14 whose end facing away from the inner conductor 10 is short-circuited for the microwaves to the outer conductor by means of a capacitor 15. The other connection can be made via the external conductor 11 which is connected to the photodiode 8 and which in turn is connected to the battery 13. In order to prevent any disruptive DC voltage short-circuits, the inner conductor 10 is only separated for direct current at point 17 in the exemplary embodiment, but not for the microwaves. Instead of the inner conductor separation or, if necessary, in addition to this, an outer conductor separation could also be provided. The mounts for the optical and electronic elements are made in a manner known per se.

An Stelle von Koaxialleitungen für die einzelnen verwendeten Leitungsstücke können Hohlleitungsabschnitte Verwendung finden. Vor allem ist auch daran gedacht, das Transformationsstück 17 als mehrstufigen Breitbandtransformator für die zu verstärkenden Signalfrequenzen auszubilden.Instead of coaxial lines for the individual line sections used Waveguide sections can be used. Above all, it is also thought the transformation piece 17 as a multi-stage broadband transformer for the to be amplified Train signal frequencies.

Die Wirkungsweise der Anordnung ist folgende: Das z. B. aus einem optischen Molekularverstärker stammende Signallicht 19 fällt parallel zur optischen Achse 3 auf den Objektivspiegel 1, wird auf den Umlenkspiegel 2 und von diesem wieder auf die Photodiode 8 reflektiert. Da konzentrisch zur optischen Achse 3 aus dem Strahlenbündel 19 durch den Umlenkspiegel 2 ein kreisförmiger Querschnitt ausgeschieden wird, ergibt sich zwischen dem Umlenkspiegel 2 und der photoempfindlichen Schicht 8 eine kegelstumpfförmige Schattenzone. Aus einem weiteren optischen Molekularverstärker wird das Hilfslicht 18 mit der Mischoszillatorfrequenz geliefert. Durch die Konvexlinse 4 wird es leicht konisch gebündelt und über den in der Schattenzone der Cassegrain-Optik liegenden Hilfsspiegel 6 derart auf die photoempfindliche Fläche 8 reflektiert, daß diese und pur diese vollkommen ausgeleuchtet wird. Durch Verschieben des Graukeils 7 in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse 5 ist die Intensität des Hilfslichtes 18 regelbar. Die Halbleiter-Photodiode 8 ist in der Lage, Modulationsfrequenzen des Lichts bis in den GHz-Bereich hinein zu verarbeiten. Die durch die Photodiode 8 angebotene Impedanz wird in dem Wellenwiderstands-Transformator 17 auf einer Wert transformiert, der dem Wellenwiderstandswert üblicher Koaxialleitungen wenigstens nahezu entspricht. Man kann sich nämlich das Ersatzschaltbild einer Photodiode aus der Reihenschaltung des Bahnwiderstandes Rl, der Photodiode mit der Parallelschaltung der Sperrkapazität C und des Sperrschichtwiderstandes RS vorstellen. Bei den hier vorliegenden Modulationsfrequenzen des Signallichtes, die im Bereich der Mikrowellen gelegen sind, ist der Blindwiderstand von C wesentlich kleiner als der Widerstandswert von R,. Die Photodiode 8 stellt unter diesen Bedingungen praktisch eine Reihenschaltung des Bahnwiderstandes Rb mit der Kapazität C dar. Diese Reihenschaltung wird nun auf den Wellenwiderstand der Koaxialleitung transformiert, die beispielsweise zu einem Nachverstärker führt.The mode of operation of the arrangement is as follows: The z. B. coming from an optical molecular amplifier signal light 19 falls parallel to the optical axis 3 on the objective mirror 1, is reflected on the deflecting mirror 2 and from this again on the photodiode 8. Since a circular cross section is excreted from the beam 19 by the deflecting mirror 2 concentrically to the optical axis 3, a frustoconical shadow zone results between the deflecting mirror 2 and the photosensitive layer 8. The auxiliary light 18 with the mixer oscillator frequency is supplied from a further optical molecular amplifier. It is slightly conically bundled by the convex lens 4 and reflected onto the photosensitive surface 8 via the auxiliary mirror 6 located in the shadow zone of the Cassegrain optics in such a way that it is completely illuminated. By moving the gray wedge 7 in a plane perpendicular to the optical axis 5, the intensity of the auxiliary light 18 can be regulated. The semiconductor photodiode 8 is able to process modulation frequencies of the light up into the GHz range. The impedance offered by the photodiode 8 is transformed in the characteristic impedance transformer 17 to a value which at least almost corresponds to the characteristic impedance value of conventional coaxial lines. One can namely imagine the equivalent circuit diagram of a photodiode from the series connection of the rail resistor Rl, the photodiode with the parallel connection of the blocking capacitance C and the blocking layer resistor RS. With the modulation frequencies of the signal light present here, which are in the range of microwaves, the reactance of C is significantly smaller than the resistance of R ,. Under these conditions, the photodiode 8 practically represents a series connection of the rail resistance Rb with the capacitance C. This series connection is now transformed to the characteristic impedance of the coaxial line, which leads, for example, to a post-amplifier.

Ein bestimmter Wert für den Betrieb der Photodiode 8 erforderlichen Vorspannung läßt sich in bekannter Weise auch noch mit Hilfe eines stromdurchflossenen Potentiometers exakt einstellen, an dessen Widerstandsbahn der geforderte Spannungswert gegriffen wird.A certain bias voltage required for the operation of the photodiode 8 can also be set exactly in a known manner with the aid of a current-carrying potentiometer, on whose resistance track the required voltage value is taken.

Claims

Claims: 1. Device for superimposing signal waves located in the range of optical frequencies, in which, in addition to an input for the signal light waves to be superimposed, an input for auxiliary light waves of different frequencies, a photosensitive device having non-linear properties for superimposing the signal light waves and the auxiliary light waves and an output for the vibrations formed in the device are provided, marked by the combination of the following 'features, that a Cassegrain optic (1, 2) is provided to concentrate the signal light' waves (19) on the photosensitive device (8) , which consists of a convex deflecting mirror (2) and a pierced objective mirror (1), which are arranged one after the other along the axis (3) in the direction of incidence of the signal light waves (19), that also feeds the auxiliary light waves (18) into the Cassegrain optics (1, 2) is provided laterally to the axis (3) that e is provided in an auxiliary mirror (6) inclined to this axis (3) in front of the convex deflecting mirror (2) in the shadow zone of the Cassegrain optics (1, 2), which also sends the auxiliary light waves (18) through the opening in the objective mirror (1) is reflected on the photosensitive device (8) , from which the differential oscillations from the oscillations of the signal light (19) and the auxiliary light (18) are taken as intermediate frequency oscillations.

2. Device according to claim 1, characterized in that the auxiliary lift: indicates that the frequency of the auxiliary lift: waves (18) is selected such that the intermediate frequency oscillations are in the microwave range.

3. Device according to one of the preceding claims, characterized in that an optical molecular amplifier is used as the auxiliary light source serves.

4. Device according to one of the preceding claims, characterized in that that in the auxiliary light beam path before it hits the auxiliary mirror, a convex lens is arranged.

5. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that that the auxiliary mirror is concave.

6. Device according to one of the preceding Claims, characterized in that a gray wedge is provided in the auxiliary light beam is.

7. Device according to one of the preceding claims, characterized in that that the outer limits of the preferably circular photosensitive Establishment of incident signal light bundle and auxiliary light bundle with the outer Limitation of the photosensitive layer coincide. Considered publications: USA: Patent No. 2,374,475; Phys. Rev., 128, 2175 (1962); 99: 1691 (1955); R i e k h e r, telescopes and their masters, 1957, pp. 73 to 75; J o o s, textbook of theoretical physics, 1945, pp. 47 and 48.