DE2901095A1

DE2901095A1 - Verfahren und vorrichtung, bei denen regeneratives pulsieren in optischen resonatoren benutzt wird

Info

Publication number: DE2901095A1
Application number: DE19792901095
Authority: DE
Inventors: Jun Samuel Leverte Mccall
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1978-01-13
Filing date: 1979-01-12
Publication date: 1979-07-19
Also published as: GB2013358B; FR2414739B1; SE7900050L; GB2013358A; JPS54130052A; BE873427A; CA1117206A; FR2414739A1; US4215323A; NL7900273A

Description

Beschreibung

Die Erfindung befaßt sich mit dem regenerativen Pulsieren beim Betrieb eines optischen Resonators.

Im Rahmen neuerer Bemühungen ist eine integrierte optische Schaltungsanordnung entworfen und entwickelt worden, die eine direkte Verarbeitung eines optischen Signals ohne Umsetzung in ein elektrisches Signal erlauben würde. Neuere Arbeiten regen zu einer solchen direkten Methode für die Verstärkung optischer Signale durch die Verwendung eines im Resonator eingeschlossenen nichtlinearen Mediums an. Die Eigenschaften des Resonators werden mit den Dispersions- und/oder Absorptionseigenschaften des Mediums kombiniert, um eine Eingang-Ausgang-Kurve zu erzeugen, die Verstärkung zeigt. Solche Arbeiten sind in der US-PS 4 012 699 beschrieben.

Ein elektrooptischer Kristall, dessen Brechungsindex eine Funktion einer angelegten Spannung ist, kann als das Medium im optischen Resonator verwendet werden. Der Brechungsindexgang des Mediums wird dadurch effektiv nichtlinear gemacht,

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daß die an das Medium angelegte Spannung in Abhängigkeit von der durch das Medium übertragenen Energie geändert wird. Auf diese Weise wird der Brechungsindex von der an das Medium angelegten Energie abhängig gemacht. Das Medium zeigt daher nichtlineare Übertragungseigenschaften.

Die vorliegende Erfindung umfaßt einen optischen Resonator, der in einem regenerativen Pulsierbetrieb arbeitet. Ein sich im wesentlichen nicht änderndes optisches Eingangssignal führt zu einem optischen Ausgangssignal mit einer Folge von Impulsen. Beim erfindungsgemäßen Verfahren werden die optischen Eigenschaften des Resonators, des im Resonator eingeschlossenen Mediums oder die Eigenschaften beider so eingestellt, daß sich die Wirkung des regenerativen Pulsierens ergibt.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsformen näher erläutert; in der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Eingangs-Ausgangs-Kurven eines in einem Resonator eingeschlossenen nichtlinearen Mediums j

Fig. 2 eine spezielle Ausführungsform der Erfindung; und

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Fig. 3 das Impulsfolgenausgangssignal, das sich ergibt, wenn bei der Ausführungsform nach Fig. 2 ein kontinuierliches (Dauerstrich-) Signal angelegt wird.

Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit dem Betreiben eines optischen Resonators in einem regenerativen Pulsierbetrieb. Die zuvor angesprochene frühere Arbeit beschreibt Resonatorbetriebsarten, die durch unterschiedliche Verstärkung und Bistabilität gekennzeichnet sind. Eine beispielsweise Kennlinie, die der bistabilen Betriebsart zugeordnet ist, ist in Fig. 1A gezeigt. In dieser Figur ist die Eingangsenergie auf der Abszisse und die Ausgangsenergie auf der Ordinate aufgetragen. Die berechnete mathematische Dauerzustandslösung für den Bereich 11 ist in Form einer gestrichelten Linie gezeigt und läßt erkennen, daß die Eingangs-Ausgangs-Beziehung in diesem Bereich vieldeutig ist und eine negative Steigung aufweist. Das wirkliche Arbeitsverhalten ist jedoch in Form einer durchgezogenen Linie gezeigt und läßt Bistabilität erkennen. Wenn die Eingangsenergie von Null bis zum Punkt 12 zunimmt, erscheint eine Instabilität und schaltet das System beim Punkt 12 von der unteren, nichtübertragenden "Aus"-Betriebsart zur oberen, übertragenden "Ein"-Betriebsart um. Wenn sich die Energie weiter über den Punkt 12 hinaus erhöht, kommt man in einen stabilen, eindeutigen Bereich. Wenn die Eingangsenergie

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nun verringert wird, erreicht man einen Instabilitätspunkt bei Punkt 13, an dem das System vom "Ein"- zum "Aus"-Betrieb umschaltet. Man sieht also, daß der der mathematischen Lösung zugeordnete vieldeutige Bereich 11 in physikalischen Ausdrücken auf einen Bereich von Instabilität, speziell Bistabilität, übertragen wird. Während es bis jetzt noch nicht mathematisch bewiesen worden ist, daß der Bereich negativer Steigung unstabil sein muß, hat man keine physikalisch vernünftigen Parameter gefunden, die zu einem stabilen Betrieb in diesem Bereich führen. Die zuvor erwähnte Bistabilität ist ein Beispiel der dem Bereich negativer Steigung zugeordneten Instabilität.

Im Gegensatz zum Bereich 11 negativer Steigung hat man bisher geglaubt, daß im Bereich positiver Steigung, speziell in dem Bereich 14 in Fig. 1A, nur stabile Betriebsweisen auftreten. Bei der Anmelderin wurde jedoch gezeigt, daß Bereiche positiver Steigung Instabilität zeigen können; und speziell eine solche Instabilität kann die Form von regenerativem Pulsieren annehmen, so daß ein optisches Dauerstrichsignal zu einem gepulsten optischen Ausgangssignal führt.

Während eine mathematische Darstellung dieses Effektes nachstehend angegeben ist, soll der Effekt durch eine nicht streng genaue Betrachung der Fig. 1 heuristisch demonstriert werden.

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Diese Figur ist eine schematische Darstellung der Eingangs-Ausgangs-Kennlinie, die einem in einem Resonator eingeschlossenen nichtlinearen Medium zugeordnet ist. Die Systemparameter sind so abgestimmt, daß sich die in Fig. 1A gezeigte bistabile Kennlinie ergibt, und die Eingangsenergie ist solchermaßen, daß sich ein Arbeitspunkt ergibt, wie er mit dem starken Punkt gezeigt ist. Diese Eingangsenergie bleibt konstant, und führt dazu, wie in Fig. 1A gezeigt ist, daß sich die Vorrichtung in einer übertragenden "Ein"-Betriebsart befindet. In dieser Betriebsart ist die Energie im Inneren des Resonators hoch, und das nichtlineare Medium erwärmt sich. Temperaturabhängige Parameter des Mediums führen dann zu einer Verschiebung der Kennlinie in der Richtung, wie sie in Fig. 1A durch einen Pfeil angedeutet ist, obwohl die Eingangsenergie und andere Betriebsparameter feststehend bleiben. Die Verschiebung der Kennlinie zu der in den Fig. 1B und 1C gezeigten Position hat ein Umschalten des Systems in die "Aus"-Betriebsart zur Folge. Eine niedrige Energie im Inneren des Resonators führt bei dieser Betriebsart zu einer Abkühlung des Resonators, zu einer daran anschließenden Verschiebung der Kennlinie und zu einem Umschalten der Betriebsart, wie es in den Fig. 1D bis 1E gezeigt ist. Diese Betrachtung zeigt, daß eine konstante Eingangsenergie eine gepulste Ausgangsenergie ergeben kann. Ferner ist die gepulste Ausgangsenergie regenerativ, da das Pulsieren ein natürliches Resultat ist, das sich bei einer konstanten Eingangsenergie ergibt,

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- 11 und benötigt kein externes Schalten.

Das obige Beispiel ist soweit nützlich, wie es regeneratives Pulsieren veranschaulicht. Die durch Fig. 1 dargestellte Lösung ist jedoch insoweit nicht ganz exakt, als thermische Effekte in den einzelnen Kurven der Fig. 1 nicht enthalten sind. Wenn der thermische Beitrag in der Dauerzustands-Eingangs-Ausgangs-Kennlinie enthalten ist, dann kann eine einfache eindeutige Verstärkungskurve mit positiver Steigung resultieren. In einer solchen Situation demonstriert das Beispiel die Möglichkeit regenerativen Pulsierens in einem Kennlinienbereich mit positiver Steigung. Bisher glaubte man, daß der Kennlinienteil positiver Steigung stabil ist. Die Anmelderin hat jedoch sowohl durch das obige Beispiel als auch durch die folgende detaillierte mathematische Beschreibung gezeigt, daß Instabilität tatsächlich im eindeutigen Kennlinienteil positiver Steigung existieren kann. Da dieser Bereich eindeutig ist, gibt es keinen anderen stabilen Wert, den das System annehmen kann, und folglich erweist sich jegliche Instabilität als regeneratives Pulsieren, und nicht als Bistabilität. Eine ausführliche mathematische Beschreibung dieser Bereiche wird dem Fachmann bei der vollständigen Bewertung der vorliegenden Erfindung von Nutzen sein.

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Theoretische Betrachtungen

Gleichung (1) (im einzelnen abgeleitet von H. M. Gibbs et al in Physical Review Letters, 36, 1976, Seite 1135) gibt eine Beziehung zwischen den Einhüllenden E^ und Em des optischen elektrischen Feldes am Eingang bzw. am Ausgang:

E₁ = E_T(i+ip) + r(v-iu) (1)

Dabei ist ß ein Fehlabstimmungsparameter, ν und u repräsentieren Komponenten der nichtlinearen Polarisation und Γ beschreibt das Spiegelreflexionsvermögen eines Fabry-Perot-Resonators, die Resonatorlänge und andere Parameter. Primäre Näherungen bestehen in der Annahme, daß das Licht eine ebene Welle ist und daß die Resonatoreinschwingzeit (cavity buildup time) sehr kurz ist. Mit Pj = I EjI² und P_T = lE_Tl² findet man eine niederfrequente differentielle Energieverstärkung G = dPrp/dP_T, die gegeben ist durch

j. j.

ο"¹

_ uGL- . riliL.) (2)

Dabei sind hier und an anderen Stellen Ableitungen wie dv/dEn-, unter Verwendung von Dauerzustandsresultaten wie v(E_T) mit E_T und dE_m reell genommen.

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Ist Em reell, sind ν und u Absorptions- bzw. Dispersionskomponenten der Polarisation. Unter einer Phasenverschiebungstransformation Em—»Em(e ) unterliegt v-iu der selben Phasenverschiebung, d. h., v-iu —*(v-iu) (e ^), so daß man schreiben kann

Ü; v4^R) - ξ ,rf' ^t4)

Dabei ist E_T reell, AE₁ = ΔΕ^ + ϊΔΕ^,¹^, wobei 4E^^RfI^ reelle und unendlich kleine Größen beliebiger Zeitabhängigkeit sind, und L , L , Z. β sind lineare Kausaloperationen mit dem Wert Eins bei Null-Frequenz. Gleichungen (1), (3) und (4) erlauben eine Eigenwertgleichung F(T) = 0 für komplexe Anstiegsgeschwindigkeiten Ύ , mit

(5)

und L_ß und Lp sind Operatoren, ähnlich wie L usw., welche die Zeitabhängigkeit der Änderungen von ß und P aufgrund einer Änderung von Em beschreiben. Dies erhält man, indem man

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die Gleichungen (3) und (4) in die Differenz der Gleichung (1) einsetzt, dann ΔΕ-j- = O setzt, und ΔΕ™ ist proportional zu exp(Tt). Wenn eine Wurzel von F(T) = O einen positiven reellen Teil aufweist, ist die entsprechende Dauerzustandslösung unstabil.

Die Anmelderin hat gezeigt: Wenn die Steigung dP_T/dPj positiv ist, existieren Beispiele, bei denen der Bereich nicht stabil ist. Beispielsweise mag es zweckmäßig sein, die Polarisierung durch einen nichtlinearen Brechungsindex zu beschreiben. Somit ist

u + iv = Jf (P_T)E_T (6),

wobei X reell ist, so daß C_y = 1 ist,

L_u = X₊ 2P_T(dX/ äP_T)ix (7)

und l_u, L_v sind Undefiniert, da ν und dv/dE_T bei reellem E₁^ Null sind. Der Operator Ey, ist definiert durch A^ = (d^/dP_T)^AP_T, und es wird ίχ (co) - ο angenommen. Dieser Fall befindet sich klar im Konflikt mit dem Erfordernis L_u(oo) = O. In diesem Fall ändert sich jedoch F(r) von G~¹ bei T= 0 zu 1 + (ß - ΓΔΧ)² bei T= tP , so daß Bereiche negativer Steigung trotzdem unstabil sind.

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- 15 -

Ein Beispiel einer Instabilität bei positiver Steigung wird durch einen besonderen Typ eines nichtlinearen Brechungsindexes geliefert. Verwendet man Gleichungen (6) und (7) und die dabei befindlichen Bedingungen, findet man, daß sich Gleichung (5) auf

F(T) = T"¹ + (G"¹ - T*"¹)0£ (8)

reduziert, wobei T die Vorrichtungsübertragung P^/Pj beim Arbeitspunkt ist. Wenn ty; einen Wert

= (1-T/G)-¹ (9)

für irgendein positives T erreicht, dann ist F(T) =0 und der Arbeitspunkt ist unstabil. Wenn G>T, dann ist (1-T/G) >1. Wenn G<T, dann ist (1-T/G)""¹< O. Das Intervall CO,1] ist ausgeschlossen, so daß, wenn 0 4 Ζχ < 1 für 0 < T C «° ist, alle Bereiche positiver Steigung stabil sind. Wenn &χ ausserhalb dieses Intervalls liegt, können die Parameter des Mediums und/oder des Resonators so eingestellt werden, daß Gleichung (9) für einige positive T erfüllt ist, so daß sich Bereiche positiver Steigung ergeben, die unstabil sind.

Es sei angenommen, daß der nichtlineare Brechungsindex die Differenz zweier Größen

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τ =

ist, wobei T₁ X^ + ^₁ = (a+i)A P_T und T₂*₂ + X₂ = aA P_T die Dynamik von X spezifizieren, wobei wiederum A in Beziehung zur Größe des Dauerzustandsbrechnungsindexes steht, während a in Beziehung zu den relativen Beiträgen von X₁ und X2 steht. Dann ist

2χ(Τ) = (a+i)(i+yT₁)~¹-a(i+TT₂)"¹ (11)

Durch Wählen der Werte von a und T^/T₀ kann Cy Werte zwischen Null und einem Maximalwert größer als Eins oder zwischen einem negativen Minimalwert und Eins annehmen, wenn sich T von Null bis Unendlich ändert. Dann kann, wie zuvor beschrieben, der Bereich positiver Steigung unstabil gemacht werden, wenn die Parameter des Resonators und/oder des Mediums so festgelegt sind, daß sie Gleichung (9) für irgendein positives T erfüllen. Wenn für das gegebene Eingangssignal nur ein Dauerzustandsausgangswert existiert, unterliegt das Ausgangssignal Schwingungen.

Praktische Betrachtungen

Die Vorrichtung gemäß Erfindung umfaßt in ihrer breitesten Ausführungsform einen optischen Resonator, der im Bereich positiver Steigung der Dauerzustandskennlinie regeneratives

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Pulsieren aufweist. Regeneratives Pulsieren deutet in diesem Zusammenhang auf eine Pulsiererscheinung hin, die nicht von einer äußeren Stimulierung herrührt, sondern vielmehr das innere zeitabhängige Verhalten des beschriebenen Systems wiederspiegelt. Um die vorliegende Erfindung klar von bestimmten passiven gepulsten optischen Vorrichtungen, wie modenverriegelten Lasern , zu unterscheiden, ist sie spezifisch auf optische Resonatoren begrenzt, die ein Medium einschliessen, das im wesentlichen frei von verstärkenden invertierten Übergängen ist. Der Resonator, in dem das Medium liegt, kann in seiner breitesten Ausführungsform irgendein Typ eines optischen Resonators sein; bei speziellen Ausführungsformen, wie den in Gleichung (1) beschriebenen, ist der Resonator jedoch der weitläufig verwendete Fabry-Perot-Resonator. Das Medium innerhalb des optischen Resonators braucht keine aktive Rolle bei dem Phänomen des regenerativen Pulsierens zu übernehmen. Eine solche passive Rolle kann man im Fall eines optischen Resonators annehmen, der im wesentlichen evakuiert ist. In einer solchen Situation kann das Phänomen des Pulsierens dadurch bewirkt v/erden, daß der Spiegelabstand des "nichtlinearen" Resonators in Abhängigkeit von der optischen Ausgangsenergie geändert wird, wodurch die dem Resonator zugeordneten Grenzbedingungen geändert werden. Gleichung (1) kann eine solche Konfiguration beschreiben.

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Andere Ausführungsformen umfassen ein im Resonator eingeschlossenes nichtlineares Medium, das eine aktive Rolle beim regenerativen Phänomen spielt. In einem solchen Fall braucht das Medium jedoch nicht von Haus aus nichtlinear zu sein. Es kann beispielsweise ein elektrooptisches Material sein mit einer angelegten Spannung, deren Größe von der Ausgangsgröße des Resonators abhängt. Das Arbeiten eines im Resonator eingeschlossenen nichtlinearen Mediums beim regenerativen Pulsierbetrieb kann auch durch Gleichung (2) beschrieben werden.

Sowohl für das im Resonator eingeschlossene nichtlineare Medium als auch für den evakuierten Resonator gilt: Wenn die Gleichung (5) zugeordnete Eigenwertgleichung einen positiven reellen Teil aufweist, ist die entsprechende Dauerzustandslösung (steady-state solution) unstabil. Die nichtlinearen Eigenschaften des Mediums, sowohl die Absorptions- als auch die Dispersionseigenschaften, sowie die nichtlinearen Eigenschaften des Resonators sind in dieser Gleichung enthalten. Gleichung (9) nimmt an, daß die einzige Mediumnichtlinearität dem Brechungsindex des Mediums zuzuschreiben ist. Wenn die linke Seite der Gleichung (9) außerhalb des Intervalls ITO, 1] liegt, können für irgendein T mit einem positiven reellen Teil die Medium- und/oder Resonatoreigenschaften so eingestellt werden, daß Gleichung (9) für irgendein positives 7" erfüllt

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ist, um zu eindeutigen Eingangs-Ausgangs-Kennlinieribereichen positiver Steigung zu kommen, die unstabil sind und zu einem regenerativen Pulsieren führen.

Ein spezielles Beispiel, das regeneratives Pulsieren zeigt, umfaßt ein im Resonator eingeschlossenes nichtlineares Medium, dessen nichtlinearer Brechungsindex als die Differenz zweier Größen mit unterschiedlichem zeitabhängigem Verhalten beschrieben werden kann.

Andere spezielle Ausführungsformen umfassen die Verwendung eines Pestkörpermaterials zur Ausführung der Funktionen sowohl eines nichtlinearen Mediums als auch des optischen Resonators. Das Festkörpermaterial bildet das Medium, während die Übertragungseigenschaften der Grenzen des Mediums den erforderlichen optischen Resonator bilden. Sowohl bei dieser als auch'bei anderen Ausführungsformen können die thermischen Effekte eine Rolle bei den Erscheinungen des regenerativen Pulsierens spielen. Ein spezieller Weg, bei dem solche thermischen Effekte beteiligt sind, umfaßt die Absorption von Licht durch das Medium und die anschließende Erwärmung des Mediums, wodurch die temperaturabhängigen Beiträge zu den Erscheinungen des regenerativen Pulsierens eingebracht werden.

Bei alternativen speziellen Ausführungsformen kann der optische Resonator in einem undurchsichtigen Gehäuse untergebracht

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sein. Die Begrenzungen des optischen Resonators können gekrümmt sein und können, spezieller ausgedrückt, gekrümmte Spiegel aufweisen. Die Vorrichtung kann eine Einrichtung zum Eingeben eines optischen Dauerstrichstrahlenbundels und eine Einrichtung zum Abnehmen einer gepulsten Ausgangswelle umfassen. Weitere Einzelheiten können eine Einrichtung zur Übertragung der gepulsten Ausgangswelle und eine Verbrauchereinrichtung zur Benutzung der gepulsten Ausgangswelle aufweisen. Eine solche Verbrauchereinrichtung kann einen gepulsten Amplitudenmodulator umfassen, der das Ausgangssignal auf eine Weise moduliert, daß es eine Information darstellt. Eine solche Anwendung würde die Benutzung der Erfindung für Nachrichtenübertragungssysteme ermöglichen.

Beispiel 1

Zur Demonstration des regenerativen Phänomens wurde ein optischer Resonator mit einer speziellen Konfiguration aufgebaut, der ein im Resonator eingeschlossenes nichtlineares Medium simulierte, dessen nichtlinearer Brechungsindex als die Differenz zweier Größen mit unterschiedlichem zeitabhängigem Verhalten ausgedrückt werden kann. Die Vorrichtung ist schematisch in Fig. 2 gezeigt. In dieser Figur wurde Dauerstrichlicht 21 von einem Helium-Neon-Laser durch einen Modulator 22 geschickt, der zur Veränderung der Lichtstärke verwendet werden kann. Das Licht gelangte dann durch einen teilweise reflektierenden Spiegel 23 und einen durch zwei Spiegel 24 gebildeten Fabry-

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Perot-Resonator. Die Position eines der Fabry-Perot-Spiegel wird mittels eines piezoelektrischen Antriebs 25 gesteuert. Die Ausgangsgröße des optischen Resonators wird mit Hilfe eines geeigneten Detektors 26 ermittelt. Verstärker 27 und

28 werden in einer zum piezoelektrischen Antrieb 25 führenden Rückkopplungsschleife verwendet, so daß die Position eines der Spiegel von der Ausgangsenergie des Resonators abhängt. Sowohl die aus dem Resonator austretende Energie als auch die in den Resonator gelangende, mit einer Vorrichtung

29 überwachte Energie werden von einer geeigneten Datenaufnahmevorrichtung 30 aufgezeichnet. Bei dieser speziellen Ausführungsform enthält der optische Resonator kein nichtlineares Medium. Die Verstärker 27 und 28 führen dem piezoelektrischen Antrieb ein Signal zu, dessen Zeitabhängigkeit als die Kombination zweier verschiedener exponentieller Antworten auf die Ausgangsenergie ausgedrückt werden kann. Mathematisch stand das Verstärkerausgangssignal in Beziehung zum Verstärkereingangssignal, wie es durch Gleichung (11) beschrieben ist, mit a = 5, T₁ = 1/3 Sekunde und T₂ = ²/3 Sekunden« Die Bewegung des Resonatorspiegels führt dann zu einer zeitabhängigen Änderung der Randbedingung an der Spiegelwand. Diese zeitabhängige Veränderung der Randbedingung ist im wesentlichen identisch zu derjenigen, die auftreten würde, wenn der Resonatorspiegel stationär wäre und der Resonator ein nichtlineares Medium mit gleichen Ansprecheigenschaften einschlösse. Man kann also sagen, daß die Konfiguration gemäß Fig. 2 im wesentlichen ein

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im Resonator eingeschlossenes nichtlineares Medium mit den erforderlichen nichtlinearen Mediumeigenschaften simuliert. Diese Ausführungsform kann man auch als Demonstration eines regenerativen Pulsierens in einem optischen Resonator aufweisen, der im wesentlichen frei von einem nichtlinearen Medium ist, der jedoch nichtlineare Eigenschaften zeigt. Einem solchen "nichtlinearen Resonator" sind Parameter zugeordnet, die von der Größe der durch den Resonator übertragenen Energie abhängen.

Fig. 3A zeigt das Ausgangssignal des Fabry-Perot-Resonators, und Fig. 3B zeigt das auf den Fabry-Perot-Resonator gegebene Eingangssignal beim experimentellen Aufbau nach Fig. 2. Die Teilmodulation überschreitet 90 %. Die in Fig. 3A gezeigte Ausgangsenergie zeigte auch eine gewisse Rechts-Links-Asymmetrie sowie eine gewisse Spitzenstruktur, die beide auf Ansprechzeiterscheinungen bezogen werden können. Die Parameter a und T^/Tg wurden so eingestellt, daß sich eine Unempfindlichkeit der Frequenz des regenerativen Pulsierens gegenüber der Eingangsenergie ergab. Solche Systeme können mit einem gesonderten Frequenznormalen phasensynchronisiert werden.

Beispiel 2

Ein optischer Resonator, der regeneratives Pulsieren in den Dauerzustands-Kurvenbereichen positiver Steigung zeigt, kann

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auch unter Verwendung eines elektrooptischen Materials als "nichtlineares" Medium hergestellt werden. Bei diesem Beispiel ist das Medium derart beschaffen, daß es eine effektive Nichtlinearität zeigt, wenn man die an das Medium angelegte Spannung in Abhängigkeit von der Ausgangsenergie ändert. Der Verstärker in der zum Medium führenden Rückkopplungsschleife muß dazu ausreichend sein, daß die an das Medium angelegte Spannung eine geeignete Größe aufweist, und er muß ein Ansprechverhalten haben, das als die Differenz zwischen zwei zeitabhängigen Ausdrücken bezeichnet werden kann. Eine spezielle Ausführungsform umfaßt ein Ansprechverhalten, das im wesenlichen identisch zu jenem beim Beispiel 1 ist.

Beispiel 3

Bei diesem Beispiel ist ein optischer Resonator, der regeneratives Pulsieren zeigt, hergestellt worden, indem innerhalb des Resonators ein nichtlineares Medium eingeschlossen wurde, dessen nichtlinearer Brechungsindex ausgedrückt werden kann als die Differenz zwischen zwei verschiedenen Ausdrücken, von denen jeder ein anderes Ansprechverhalten auf zugeführtes Licht aufweist. Ein solches Medium kann man bilden, indem man einen Rubin, dessen Brechungsindex mit angelegter Energie in der Nähe der Resonanz abnimmt, neben einem anderen Medium anordnet, dessen Brechungsindex mit der angelegten Energie zu-

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nimmt. Ein solcher Resonator kann dann regeneratives Pulsieren in der Nähe des Resonanzbereiches im Rubin zeigen.

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Claims

BLUMBACH · WESER BERGEN . KRAMEB

ZWIRNER - HIRSCH · BREHM

PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN

Patentconsult Radeckestraße 43 8000 München 60 Telefon (089) 883603/883604 Telex 05-212313 Telegramme Patentconsult Patentconsult Sonnenberger Straße 43 6200 Wiesbaden Telefon (06121) 562943/561998 Telex 04-186237 Telegramme Patentconsult

Western Electric Company, Incorporated

New York, N.Y., USA McCaIl 5

Verfahren und Vorrichtung, bei denen regeneratives Pulsieren in optischen Resonatoren benutzt wird

Patentansprüche

li.J Verfahren zum Erhalt einer Ausgangs impulsfolge von einem optischen Resonator, dadurch gekennzeichnet , daß in den optischen Resonator ein Medium eingeschlossen wird, das im wesentlichen frei von verstärkenden invertierten Übergängen ist, daß die Eigenschaften des Mediums und/ oder des Resonators so eingestellt werden» daß die zugehörigen dynamischen Eingangs/Ausgangs-Eigenschaften ein regeneratives Pulsieren in den positiv ansteigenden Dauerzu-

München: R. Kramer Dipl.-Ing. . W. Weser Dipl.-Phys. Dr. rer. nat. · P. Hirsch Dipl.-Ing. · H. P. Brehm Dipl.-Chem. Dr. phil. nat. Wiesbaden: P. G. Blumbach Dipl.-Ing. · P. Bergen Dipl.-Ing. Dr. jur. · G. Zwirner Dipl-Ing. Dipl.-W.-Ing.

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Standsbereichen der Kennlinie umfassen, und daß ein sich im wesentlichen nicht änderndes optisches Signal an den Resonatoreingang angelegt wird.
2. Optischer Resonator zum Erhalt einer Ausgangsimpulsfolge, dadurch gekennzeichnet ,' daß im Resonator ein Medium eingeschlossen ist, das im wesentlichen frei von verstärkenden invertierten Übergängen ist, und daß die Eigenschaften des Mediums und/oder des Resonators so eingestellt sind, daß die zugehörigen dynamischen Eingangs/Ausgangs-Eigenschaften ein regeneratives Pulsieren in den positiv ansteigenden Dauerzustandsbereichen der Kennlinie umfassen.
3. Resonator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Resonator ein Fabry-Perot-Resonator ist.
4. Resonator nach Anspruch 2 oder 3,· dadurch gekennzeichnet , daß innerhalb des Fabry-Perot-Resonators ein nichtlineares Medium eingeschlossen ist.
5. Resonator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mediumeigenschaften derart sind, daß die Eigenwertgleichung F(TT) = 0 eine Wurzel mit einem

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positiven reellen Teil aufweist, für komplexe Anstiegsraten T.
6. Resonator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonatoreigenschaften nichtlinear sind und daß die Eigenschaften des Mediums und des nichtlinearen Resonators so kombiniert sind, daß die Eigenwertgleichung F(T) = O eine Wurzel mit einem positiven reellen Teil aufweist.
7. Resonator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator im wesentlichen frei von irgendeinem nichtlinearen Medium ist.
8. Resonator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonatoreigenschaften nichtlinear und so eingestellt sind, daß die Eigenwertgleichung F(T) = O eine Wurzel mit einem positiven reellen Teil aufweist.
9. Resonator nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß S_x(T) = (1-T/G)"¹ für irgendwelche positiven T und t% außerhalb des Bereichs fo,i} liegt, wenn sich von O nach <& ändert.
10. Resonator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der nichtlineare Brechungsindex

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des Mediums als die algebraische Summe zweier oder mehrerer Größen ausgedrückt werden kann, von denen jeder eine andere Ansprechzeit auf das Anlegen der optischen Energie an das Medium zugeordnet ist.
11. Resonator nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet , daß er mit einem gesonderten Frequenznormal phasensynchronisiert ist.
12. Resonator nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet , daß der optische Resonator durch die Grenzen des nichtlinearen Mediums gebildet ist.
13. Resonator nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das nichtlineare Medium ein Festkörper ist.
14. Resonator nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil der Mediumoder Resonatomichtlinearität auf Lichtabsorption und anschließender Erwärmung beruht.
15. Resonator nach einem der Ansprüche 2 bis 14, dadurch gekennzeichnet , daß der optische Resonator in einer lichtundurchlässigen Umhüllung eingeschlossen ist.

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16. Resonator nach einem der Ansprüche 2 bis 15» dadurch gekennzeichnet, daß der optische Resonator gekrümmte Spiegel aufweist.
17. Resonator nach einem der Ansprüche 2 bis 16, gekennzeichnet durch eine Einrichtung für die Zuführung eines optischen Dauerstrichstrahlenbündels in den Resonator und eine Einrichtung zur Abnahme einer gepulsten Ausgangswelle.
18. Resonator nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Abnahme der Ausgangswelle einen gepulsten Amplitudenmodulator aufweist.

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