DE69128942T2

DE69128942T2 - Optischer mischer

Info

Publication number: DE69128942T2
Application number: DE69128942T
Authority: DE
Inventors: Robert William John Malvern Worcestershire Wr4 3Ht Devereux; John Michael Malvern Worcestershire Wr14 3Ht Heaton; Richard Michael Malvern Worcestershire Wr14 3Ht Jenkins
Original assignee: UK Secretary of State for Defence
Current assignee: Qinetiq Ltd
Priority date: 1990-12-20
Filing date: 1991-12-02
Publication date: 1998-06-04
Anticipated expiration: 2011-12-03
Also published as: GB9027659D0; JPH06503900A; CA2096423A1; DE69126793D1; DE69126793T2; JP3188696B2; CA2096423C; EP0563067A1; US5396570A; WO1992011555A1; JP3188697B2; EP0563067B1; DE69128942D1; EP0563073A1; US5475776A; EP0563073B1; JPH06503901A; CA2096229C; CA2096229A1; WO1992011562A1

Description

Die Erfindung betrifft optische Mischvorrichtungen.
Optische Mischvorrichtungen zum Mischen von Strahlen sind im Stand der Technik wohl bekannt. Zum Mischen von zwei optischen Strahlen werden Strahlteiler eingesetzt, wie in A.F. Harvey, "Coherent Light", S. 1046, Wiley, London (1970), beschrieben. Sie können im freien Raum verwendet oder in Wellenleitersysteme integriert werden.
Im Stand der Technik sind für die Erzeugung gemischter Strahlen verschiedene Formen optischer Y-Verzweigungen bekannt. Verschiedene passive symmetrische Y- Verzweigungen sind in der Publikation von Z. Weissman, A. Hardy und E. Marom, "Mode-Dependent Radiation Loss in Y-Junctions and Directional Couplers", IEEE Journal of Quantum Electronics, Bd. 25, Nr. 6 (1989), S. 1200 1208, beschrieben. Asymmetrische Y-Verzweigungen sind in dem Artikel von K. Shirafuji und S. Kurazono "Transmission Characteristics of Optical Asymmetric Y- Junction with a Gap Region", Journal of Lightwave Technology, Bd. 9, Nr. 4 (1991), S. 426 429, diskutiert. Aktive Y-Verzweigungen sind ebenfalls bekannt, und Beispiele hierfür sind von H. Sasaki und I. Anderson in ihrer Publikation "Theoretical and Experimental Studies on Active Y-Junctions in Optical Waveguides in IEEE Journal of Quantum Electronics, Bd. QE-14, Nr. 11, (1978), S. 883 - 892, beschrieben. In jeder dieser Veröffentlichungen ist zwar die Verwendung von Y- Verzweigungen für die Strahlteilung im einzelnen beschrieben, es sind aber nur wenig Angaben über ihre Verwendung für eine Kombination oder ein Mischen von Strahlen zu finden. In der Tat sind sowohl die aktiven als auch die passiven symmetrischen Y-Verzweigungen ineffiziente Strahlteiler. Ihre Transmission hängt stark vom Teilungswinkel ab, und sie weist bei Teilungswinkeln von wenigen Graden nur den geringen Wert von 20 % auf.
Anordnungen nach dem Stand der Technik zum Mischen von mehr als zwei Strahlen verwenden in Reihe angeordnete Strahlteiler oder Y-Verzweigungsvorrichtungen. Daher multiplizieren sich die Verluste der einzelnen Vorrichtungen, und die erzielte Strahlmischung ist sehr ineffizient.
Falls eine nachfolgende Erfassung erforderlich ist, kann der gemischte Strahl oder können die gemischten Strahlen auf geeignete Detektoren gerichtet werden. Die auf Y-Verzweigungen beruhenden Mischvorrichtungen nach dem Stand der Technik sind zusätzlich zu ihrer Ineffizienz auch noch mit dem Nachteil verbunden, daß sie nur einen Ausgangsport aufweisen. Dadurch wird die verfügbare Information hinsichtlich der relativen Phasen der eingeführten Strahlen verringert. Daher sind derartige Vorrichtungen nach dem Stand der Technik für Anwendungen wie beispielsweise die überlagerungserfassung, bei der eine umfassende Phaseninformation wichtig ist, nur von begrenzter Brauchbarkeit. Ein Koppler zur Verbesserung der Empfindlichkeit eines Mach-Zehnder- Interferometers ist in Niemeier und Ulrich, Optics Letters, Bd. 11, Nr. 10, Oktober 1986, S. 677 - 679, beschrieben. Mehrere Multimoden-Wellenleitervorrichtungen sind in dem Patent GB-15 25 492 beschrieben.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine alternative Form einer optischen Mischvorrichtung anzugeben.
Die vorliegende Erfindung gibt eine optische Mischvorrichtung an, die umfaßt:
(a) einen Multimoden-Mischwellenleiter mit einem rechteckigen transversalen Querschnitt mit einer Seitenlänge 2b, der einen Eingangsbereich und einen Ausgangsbereich aufweist,
(b) einen ersten und einen zweiten Eingangswellenleiter, die für Grundmodenbetrieb ausgebildet und mit dem Eingangsbereich an Stellen angeschlossen sind, die entlang dem Querschnitt des Mischwellenleiters beabstandet sind,
(c) eine Erfassungseinrichtung, die zur Erfassung der vom Mischwellenleiter übertragenen Strahlung am Ausgangsbereich angeordnet ist, und
(d) Eingangseinrichtungen, die zur Einführung eines ersten und eines zweiten Strahls in den ersten bzw. zweiten Wellenleiter angeordnet sind;
sie ist dadurch gekennzeichnet, daß
(e) die Eingangseinrichtungen so ausgebildet sind, daß sie den ersten und den zweiten Strahl so zur Verfügung stellen, daß sie eine unterschiedliche Frequenz und jeweils eine einzige Wellenlänge aufweisen,
(f) der Mischwellenleiter zwischen dem Eingangs- und dem Ausgangsbereich eine optische Weglänge aufweist, die 2b²/λ beträgt, wobei λ die Wellenlänge eines der eingeführten Strahlen innerhalb des Mischwellenleiters ist,
(g) die Eingangswellenleiter am Eingangsbereich des Mischwellenleiters in der Mitte der jeweiligen Hälften des Querschnitts des Mischwellenleiters angeschlossen sind,
(h) die Erfassungseinrichtung am Ausgangsbereich in der Mitte des Querschnitts des Mischwellenleiters vorgesehen und derart angeordnet ist, daß sie eine Strahlung erfaßt, die eine Schwebungsfrequenz aufweist, die gleich der Frequenzdifferenz zwischen den Strahlen ist, und
(i) die Eingangseinrichtungen und die Eingangswellenleiter derart ausgebildet sind, daß sich die Strahlen jeweils in Phase in einer symmetrischen Grundmode im entsprechenden Eingangswellenleiter ausbreiten und so kombiniert werden, daß ein einziges Intensitätsmaximum entsteht, das an der Schwebungsfrequenz moduliert und auf die Erfassungseinrichtung durch Modendispersion entlang dem Strahlenweg innerhalb des Mischwellenleiters überlagert wird, wobei das Maximum am größten ist, wenn die Strahlen im Eingangsbereich miteinander in Phase sind.
Die vorliegende Erfindung hat den Vorteil, daß zwei Eingangsstrahlen in effizienter Weise gemischt werden können. Theoretisch könnte durch die Erfindung ein Mischen mit einer 100%-igen Effektivität realisiert werden. Bei nicht optimierten Ausführungsformen der Erfindung ist in der Praxis eine Effektivität von 75 % erzielt worden. Die Erfindung bietet den zusätzlichen Vorteil, daß die Phaseninformation, die in den Eingangsstrahlen enthalten ist, nicht verlorengeht, wenn die Strahlen gemischt werden. Dadurch ist es möglich, das Mischen vor der Erfassung durchzuführen.
Es können auch zusätzliche Erfassungseinrichtungen vorgesehen sein. Es kann sich um zwei zusätzliche Erfassungseinrichtungen handeln, die innerhalb des Ausgangsbereichs im Abstand b/2 zu beiden Seiten des Zentrums des Ausgangsbereichs lateral angeordnet sind, wobei b wie oben definiert ist.
Der Wellenleiter kann als Hohlraum innerhalb eines festen dielektrischen Materials ausgebildet sein. Das dielektrische Material kann Aluminiumoxid sein. Alternativ dazu kann der Wellenleiter als Steghohlleiter ausgeführt sein, der von einem Substrat aufragt. Er kann aus Schichten eines ternären oder quarternären Halbleitermaterialsystems, wie z.B. AlxGa1-xAs, gebildet sein.
Die zwei Eingangsstrahlen können durch Eingangswellenleiter mit einem quadratischen Querschnitt zugeführt werden, die für Grundmodenbetrieb ausgebildet sind. Dadurch wird für das elektrische Strahlungsfeld eine räumliche Charakteristik in Form einer Halbschwingung einer Sinuswelle angegeben.
Eine Mischvorrichtung, die als Überlagerungsmischvorrichtung ausgeführt ist, kann in einem optischen System angeordnet sein, das eine kohärente Strahlungsquelle aufweist, die so ausgeführt ist, daß ein Ausgangsstrahl und ein lokales Oszillatorstrahlsignal erzeugt werden, und die eine Einrichtung zum Auffangen der Strahlung umfaßt, die von einem Testbereich reflektiert oder gestreut wird. Eine derartige Mischvorrichtung ist zum Mischen des lokalen Oszillatorstrahls und der aufgefangenen Strahlung ausgebildet.
Nach einem weiteren Aspekt gibt die vorliegende Erfindung eine optische Mischvorrichtung an, die umfaßt:
(a) einen Multimoden-Mischwellenleiter mit rechtwinklingem Querschnitt mit einer Seitenlänge 2b in Querrichtung, der einen Eingangsbereich und einen Ausgangsbereich aufweist,
(b) einen ersten und einen zweiten Eingangswellenleiter, die für Grundmodenbetrieb ausgebildet und mit dem Eingangsbereich an Stellen angeschlossen sind, die entlang dem Querschnitt des Mischwellenleiters beabstandet sind,
(c) eine Erfassungseinrichtung, die zur Erfassung von Strahlung, die vom Mischwellenleiter übertragen wird, am Ausgangsbereich angeordnet ist,
und
(d) Eingangseinrichtungen, die zur Einführung eines ersten und eines zweiten Strahls in den ersten bzw. den zweiten Wellenleiter ausgebildet sind;
sie ist dadurch gekennzeichnet, daß
(e) die Eingangseinrichtungen so ausgebildet sind, daß sie den ersten und den zweiten eingeführten Strahl so zur Verfügung stellen, daß sie eine unterschiedliche Frequenz und jeweils eine einzige Wellenlänge aufweisen,
(f) der Mischwellenleiter zwischen dem Eingangsbereich und dem Ausgangsbereich eine optische Weglänge aufweist, die 2b²/λ oder 4b²/λ beträgt, wobei X die Wellenlänge eines der Strahlen innerhalb des Mischwellenleiters ist,
(g) die Eingangswellenleiter am Eingangsbereich des Mischwellenleiters in der Mitte der jeweiligen Hälften des Querschnitts angeschlossen sind,
(h) die Erfassungseinrichtung eine erste und eine zweite Erfassungseinrichtung umfaßt, die in der Mitte der jeweiligen Hälften des transversalen Querschnitts des Mischwellenleiters vorgesehen und jeweils angeordnet sind, daß sie die Strahlung erfassen, die eine Schwebungsfrequenz aufweist, die gleich der Frequenzdifferenz zwischen den Strahlen ist,
und
(i) die Eingangseinrichtungen und die Eingangswellenleiter derart ausgebildet sind, daß sich die Strahlen jeweils in Phase am betreffenden Eingangsbereich in einer symmetrischen Grundmode ausbreiten und die am Eingangsbereich in Gegenphase zueinander befindlichen Strahlen miteinander so kombiniert werden, daß zwei Intensitätsmaxima entstehen, die an der Schwebungsfrequenz moduliert und durch die Modendispersion entlang dem Strahlenweg innerhalb des Mischwellenleiters auf der ersten und der zweiten Erfassungseinrichtung überlagert werden.
Nach einem weiteren Aspekt gibt die vorliegende Erfindung eine optische Mischvorrichtung an, die umfaßt:
(a) einen Multimoden-Mischwellenleiter mit einem rechteckigen Querschnitt in Querrichtung mit einer längeren Seite 2b und einer kürzeren Seite 2a, der einen Eingangsbereich und einen Ausgangsbereich aufweist,
(b) einen ersten und einen zweiten Eingangswellenleiter, die für Grundmodenbetrieb ausgebildet und mit dem Eingangsbereich an Stellen angeschlossen sind, die entlang dem Querschnitt des Mischwellenleiters
beabstandet sind,
(c) eine Erfassungseinrichtung, die zur Erfassung der vom Mischwellenleiter übertragenen Strahlung am Ausgangsbereich angeordnet ist,
und
(d) Eingangseinrichtungen, die zur Einführung eines ersten und eines zweiten Strahls in den ersten bzw. den zweiten Wellenleiter ausgebildet sind;
sie ist dadurch gekennzeichnet, daß
(e) die Eingangseinrichtungen so ausgebildet sind, daß sie den ersten und den zweiten Strahl so zur Verfügung stellen, daß sie eine unterschiedliche Frequenz und jeweils eine einzige Wellenlänge aufweisen,
(f) der Mischwellenleiter zwischen dem Eingangsbereich und dem Ausgangsbereich eine optische Weglänge aufweist, die 2b²/λ beträgt, wobei X die Wellenlänge eines der eingeführten Strahlen innerhalb des Mischwellenleiters ist,
(g) die Eingangswellenleiter am Eingangsbereich so angeschlossen sind, daß ihre Zentren einen Abstand (b-a) vom Zentrum des transversalen Querschnitts des Mischwellenleiters am Eingangsbereich besitzen,
(h) die Erfassungseinrichtung eine erste und eine zweite Erfassungseinrichtung umfaßt, die in der Mitte der jeweiligen Hälften des transversalen Querschnitts des Mischwellenleiters am Ausgangsbereich angeordnet sind, wobei jede Erfassungseinrichtung so ausgebildet ist, daß sie Strahlung erfaßt, die eine Schwebungsfrequenz gleich der Frequenzdifferenz zwischen den Strahlen aufweist,
und
(i) die Eingangseinrichtungen und die Eingangswellenleiter derart ausgebildet sind, daß sich die Strahlen jeweils in Phase in einer symmetrischen Grundmode im entsprechenden Eingangswellenleiter ausbreiten und die Strahlen, die am Eingangsbereich miteinander in Phase sind, miteinander so kombiniert werden, daß im Zentrum des Ausgangsbereichs durch die Modendispersion entlang dem Strahlenweg innerhalb des Mischwellenleiters eine Intensität von Null entsteht.
Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung werden im folgenden Ausführungsformen der Erfindung lediglich beispielhaft unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in Form einer Mischvorrichtung zur Verwendung bei der Überlagerungserfassung;
Fig. 2 eine Schnittansicht entlang der Linie II-II von Fig. 1 in Richtung der Pfeile;
Fig. 3 eine graphische Darstellung der Änderung der Intensitätskopplungskoeffizienten für EHmm-Moden rechteckiger Wellenleiter bei einer Anderung des Längenverhältnisses des Wellenleiters;
Fig. 4 Feldamplitudenverteilungen für verschiedene Moden bei einem rechteckigen Wellenleiter niederer Ordnung;
Fig. 5 und 6
Änderungen der Feldstärkeverteilung des elektrischen Feldes als Funktion einer Position entlang eines Multimoden-Wellenleiters mit einem Längenverhältnis von 3 bzw. 6;
Fig. 7 die Phasenänderung entlang der Feldstärkeverteilungen der Fig. 5 und 6;
Fig. 8 und 9
die Änderung der Feldstärkeverteilung des elektrischen Feldes als Funktion einer Position entlang eines Multimoden-Wellenleiters für zwei Eingangsstrahlen, die sich zueinander in Phase bzw. in Gegenphase befinden;
Fig. 10 und 11
graphische Darstellungen relativer Modenamplituden von geradzahligen und ungeradzahlingen Wellenleitermoden, die in einem rechteckigen Wellenleiter durch einen Grundmoden - Eingangs strahl erzeugt wurden;
Fig. 12 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Verwendung bei der Überlagerungserfassung;
Fig. 13 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Verwendung bei der Überlagerungserfassung;
Fig. 14 eine schematische Darstellung eines Laser- Radarsystems, das eine erfindungsgemäße Mischvorrichtung enthält;
Fig. 15 eine schematische Darstellung einer weiteren erfindungsgemäßen Mischvorrichtung.
Fig. 1 und 2 sind Querschnittsansichten einer erfindungsgemäßen optischen Vorrichtung in Form einer Mischvorrichtung, die insgesamt mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet ist. Die Mischvorrichtung 10 umfaßt einen rechteckigen Block 12 mit einem durchgehenden Längsloch mit rechteckigem Querschnitt, wodurch ein rechteckiger Wellenleiter 14 vorgegeben wird. Der Wellenleiter 14 weist einen konstanten rechteckigen Querschnitt und reflektierende Wände 16a bis 16d auf; er hat eine Höhe 2a, eine Breite 2b und eine Länge L, wobei diese Abmessungen jeweils parallel zu den cartesischen Koordinatenachsen x, y und z sind, die mit den Bezugsziffern 18 und 20 bezeichnet sind. Hierbei sind, der Einfachheit halber, x als senkrechte (senkrecht zur Ebene von Fig. 1) und y und z sind als horizontale Achsen (in der Ebene von Fig. 1) bezeichnet. In dieser Beschreibung ist der Ursprung des Koordinatensystems derart vorgegeben, daß die gestrichelte Linie A-A in Fig. 1 die Ebene z 0 angibt und die Wände 16a bis 16d in den Ebenen y = -b, x = +a, y = +b bzw. x = -a liegen. Der Wellenleiter 14 weist einen Eingangsbereich 22 in der Ebene z = 0 und einen Ausgangsbereich 24 in der Ebene z = L auf. Die Parameter a, b und L werden aus Verallgemeinerungsgründen verwendet, spezielle Werte sind später angeführt. In diesem Beispiel ist jedoch b > 2a.
Die Mischvorrichtung 10 enthält ferner zwei Eingangswellenleiter 26 und 28 mit quadratischem Querschnitt. Die Eingangswellenleiter 26 und 28 weisen Ausgangsöffnungen 30 und 32 auf, die im Ausgangsbereich 22 des Wellenleiters 14 derart angeordnet sind, daß sich ihre Zentren 30a und 32a bei x = 0, y = -b/2, z = 0 und x = 0, y = +b/2 bzw. z = 0 befinden. Ein Detektor 34 ist im Ausgangsbereich 24 des Wellenleiters 14 derart angeordnet, daß sich ihr Zentrum bei x = 0, y = 0 und z = L befindet.
Die Wellenleiter 14, 26 und 28 bestehen aus Aluminiumoxid. Der Detektor 34 besteht aus Quecksilber- Cadmiumtellurid und ist mit einer Schaltkreisanordnung bekannter Art verbunden.
Der Betrieb der Mischvorrichtung 10 wird im folgenden allgemein beschrieben; eine genauere theoretische Analyse folgt später. Die Eingangswellenleiter 26 und 28 erhalten die Eingangsstrahlung von einer kohärenten Strahlungsquelle (nicht gezeigt), und jeder Wellenleiter überträgt einen Strahl einer Grundmode EH&sub1;&sub1;. Diese Strahlen in den Eingangswellenleitern 26 und 28 führen zwei EH&sub1;&sub1;-Grundmoden-Eingangsstrahlen in den rechteckigen Wellenleiter 14 ein, in dem dann daraufhin eine Reihe von EHmn-Moden angeregt werden. Diese Moden treten miteinander in Wechselwirkung, wie später im einzelnen beschrieben ist. Die durch die Wechselwirkung hervorgeruf enen Effekte hängen von den jeweiligen Frequenzen und Phasen der eingeführten Strahlen ab. Zwei Eingangsstrahlen mit der gleichen Frequenz, die miteinander in Phase sind, erzeugen ein einziges Intensitätsmaximum im Zentrum, das im Punkt x = 0, y = 0 und z = L zentriert ist und das auf den Detektor 34 auftrifft. Wenn sich jedoch zwei Eingangsstrahlen der gleichen Frequenz zueinander in Gegenphase befinden, wird das Eingangsfeld regeneriert, wobei zwei Intensitätsmaxima auf den entsprechenden Seiten des Detektors 34 auftreffen.
Wenn jedoch die Wellenlängen der zwei eingeführten Strahlen ein wenig voneinander abweichen, beispielsweise durch eine gegenseitige Dopplerverschiebung, ändert sich das elektrische Feld im Ausgangsbereich 24 von einem einzigen zentralen Maximum zu zwei lateral angeordneten Maxima. Diese Änderung tritt bei der Schwebungsfrequenz der zwei Eingangsstrahlen auf. Somit ändert sich die Intensität des auf den Detektor 34 einfallenden Lichtes bei der Schwebungsfrequenz. Aus diesem Grunde kann die Vorrichtung 10 als Überlagerungsmischvorrichtung verwendet werden. Beispielsweise kann einer der Eingangswellenleiter 28 ein Signal übertragen, das durch Reflexion oder Streuung von Strahlung eines Ausgangsstrahls von einer kohärenten Quelle von einem Targetbereich empfangen wurde, und der andere Eingangswellenleiter 26 kann dann ein lokales Oszillatorsignal übertragen, das von einer ähnlichen Quelle erhalten wurde, und in der Mischvorrichtung 10 zum Mischen mit dem empfangenen Signal verwendet wird. Jede Schwebungsfrequenz, die durch ein derartiges Mischen erhalten wurde, zeigt eine Dopplerfrequenzverschiebung, die durch Bewegung von Reflektoren und/oder Streurichtungen der Quellenstrahlung im Targetbereich erzeugt wurde.
Die Effekte aus der Wechselwirkung der Moden in der Mischvorrichtung 10 sind das Ergebnis eines speziellen Beispiels für ein allgemeines pHänomen. Sie treten auf aufgrund der Form der Anregung des rechteckigen Wellenleiters 14 und der Beziehung zwischen der Länge L des Wellenleiters, der Breite 2b des Wellenleiters und der Wellenlänge λ der Strahlung. In der Mischvorrichtung 10 ist die Länge L durch
gegeben, wobei λ die Wellenlänge der lokalen Oszillatorstrahlung im rechteckigen Wellenleiter 14 bedeutet. Die Wellenlänge eines empfangenen Signals, das eine Dopplerverschiebung aufweist, ändert sich zeitlich. Wie im folgenden beschrieben, ändern Änderungen der Länge L des Wellenleiters und des Ortes und der Form der in diesen eingeführten Strahlung die Form des elektrischen Feldes im Ausgangsbereich.
Im folgenden werden die theoretischen Ausbreitungskennlinien eines rechteckigen Wellenleiters untersucht. Es wird angenommen, daß der Wellenleiter eine Höhe 2a und eine Breite 2b aufweist und mit einem homogenen dielektrischen Material belegt ist, das eine komplexe Dielektrizitätskonstante &epsi; aufweist. Es wird weiter angenommen, daß dieses dielektrische Material (das die Wände des Wellenleiters darstellt) hochreflektierend ist und sich auf die erforderlichen Ausbreitungsmoden nicht wesentlich dämpfend auswirkt. Der Wellenleiter hat Abmessungen in der Höhe, der Breite und der Länge, die zur x-, y- bzw. z-Achse parallel sind. Er hat normierte linear polarisierte Moden vom Typ EHmn. Der Beitrag Emn (x,y,z) des elektrischen Feldes der mn-ten Mode EHmn am Punkt (x,y,z) wurde von Laakmann et al. in Appl. Opt. Vol. 15, Nr. 5, S. 1334 - 1322, Mai 1976, wie folgt berechnet:
wobei bedeuten:
m die Modenzahl in Bezug auf die Feldabhängigkeit längs der x-Achse,
n die Modenzahl in Bezug auf die Feldabhängigkeit längs der x-Achse,
z den Abstand längs der z-Achse
γmn = (βmn + iαmn) die Ausbreitungskonstante der mn-ten Mode, wobei βmn und αmn der Phasenkoeffizient bzw. der Dämpfungskoeffizient der mn-ten Mode sind, und
"cos" über "sin" die Angabe, daß sich cos auf ungeradzahlige Modenzahlen (m oder n, falls zutreffend) und sin auf geradzahlige Modenzahlen beziehen.
Der Phasenkoeffizient βmn ist durch:
gegeben. Wenn der negative Term in den runden Klammern in der Gleichung (3.1) gegenüber dem Wert Eins klein ist (paraxiale Strahlungsnäherung), was in der Praxis der Fall ist, kann der binomische Lehrsatz zum Umschreiben der Gleichung (3.1) verwendet werden:
wobei a, b, m und n wie oben definiert sind und λ die Wellenlänge der sich im Wellenleiter ausbreitenden Strahlung ist.
Gleichung (2) gibt die Beiträge des elektrischen Feldes an, die von allen linear polarisierten Moden eines rechteckigen Wellenleiters erhalten werden können. Die Berechnung beruht darauf, daß der Beitrag des elektrischen Feldes jeder Mode an den Seitenwänden 16a und 16c des Wellenleiters Null ist, d.h., bei y = +b und -b. Das ist erfüllt, wenn der Wellenleiter 14 reflektierende Seitenwände 16 aufweist.
Die erste zu betrachtende Situation ist die mit einem rechteckigen Wellenleiter mit den Seiten 2a und 2b, der durch eine Strahlung angeregt wird, die sich als Single-Grundmode EHs&sub1;&sub1; von einem Wellenleiter mit quadratischem Querschnitt der Seite 2a ausbreitet, der mit einem Ende des rechteckigen Wellenleiters verbunden und koaxial zu diesem angeordnet ist. Die Singlemode EHs&sub1;&sub1; wird mit den verschiedenen EHmn-Moden des rechteckigen Wellenleiters gekoppelt. Das heißt, sie wird in eine lineare Kombination der EHmn-Moden mit entsprechenden komplexen multiplikativen Amplitudenkopplungskoeffizi -enten Amn zerlegt. Im Falle der Anregung der rechteckigen Wellenleitermoden EHmn durch eine quadratische Grundmode EHs&sub1;&sub1; des Wellenleiters sind die Koeffizienten Amn durch:
EHs&sub1;&sub1; = Σ Amn EHmn (4) gegeben. Im wesentlichen sind die Amplitudenkopplungskoeffizienten Amn die Koeffizienten einer Fourierreihe, die das Feld am Eingangsbereich darstellt. Die EHmn- Moden sind gegenseitig orthogonal, so daß die Koeffizienten Amn aus Überlappungsintegralen der Form
berechnet werden können,
Mit den Gleichungen (2) bis (5) kann berechnet werden, wie sich die Intensitätskoeffizienten Imn = Amn ² der angeregten Moden des rechteckigen Wellenleiters in Abhängigkeit von b/a, dem Verhältnis der Breiten des rechteckigen und des quadratischen Wellenleiters ändern. Fig. 3 zeigt die Änderung von Imn mit b/a, d.h., den Effekt der Änderung des Seitenverhältnisses des Wellenleiters, oder des Verhältnisses von Breite zu Höhe. Fig. 3 zeigt, daß Imn gleich 0 ist, außer wenn m gleich 1 und n ungerade ist. Das ist wegen der symmetrischen Natur der Anregungsbedingungen gegeben. Infolgedessen sind die angeregten Moden nur die symmetrischen Moden EH&sub1;&sub1;, EH&sub1;&sub3;, EH&sub1;&sub5; etc..
Die Formen einiger Wellenleiter-Moden EH niedrigerer Ordnung sind in Fig. 4 als Amplitudenverteilungen des elektrischen Feldes gezeigt. Sie wurden durch Berechnung erhalten und sind unter (a) bis (f) als Graphiken in quasi-dreidimensionaler Form dargestellt. Die Koordinatenachsen sind in (g) gezeigt. Die Achsen x, y und z entsprechen der transversalen senkrechten Richtung, der transversalen waagerechten Richtung bzw. der Längsrichtung im obigen Multimoden-Wellenleiter. Die Graphiken (a) bis (f) entsprechen den Moden wie folgt:
(a): EH&sub1;&sub1;; (b): EH&sub2;&sub1;; (c): EH&sub3;&sub1; (d): EH&sub1;&sub2;; (e): EH&sub1;&sub3;; (f) EH&sub2;&sub2;
Hierbei sind (a), (c) und (e) symmetrische und (b) (d) und (f) antisymmetrische Moden. Zur Erläuterung soll hier angenommen werden, E(x) bzw. E(-x) seien die Amplitudenverteilungen des elektrischen Feldes, die dem positiven bzw. dem negativen Teil der x-Achse in Fig. 1 zugeordnet sind; E(x = 0) liegt auf der z-Achse. Für E(y) und E(-y) gilt Entsprechendes bezüglich der y- Achse.
Für eine symmetrische Mode gilt:
E(x) = E(-x) und E(y) = E(-y). (6.1)
Für eine antisymmetrische Mode gilt einer der beiden nachstehenden Ausdrücke (6.2) und (6.3), oder es gelten beide:
E(x) = -E(-x) (6.2)
E(y) = -E(-y). (6.3)
Bei der betrachteten Anfangssituation erzeugt der symmetrische Eingangsstrahl nur symmetrische Moden des anzuregenden rechteckigen Multimoden-Wellenleiters.
Die transversale elektrische Feldverteilung Ez in einer xy-Ebene in einem Abstand z vom Eingangsbereich ist gegeben durch:
Ez = Σ Amn EHmn (7).
Die Feldstärkenverteilung in xy-Ebenen in einem Abstand z vom Eingangsbereich ist gleich Ez ², d.h., das Quadrat des Moduls oder der Größe in Gleichung (7). Ez ² wurde als Funktion des Abstands z längs des rechteckigen Wellenleiters für zwei Werte b/a berechnet. In beiden Fällen betrug die Breite (2b) 3 mm und die Höhe (2a) des Wellenleiters in einem Fall 1 mm und im anderen Fall 0,5 mm. Das entspricht b/a = 3 und b/a = 6; die Berechnungsergebnisse sind in den Fig. 5 bzw. 6 graphisch dargestellt. Fig. 5 und 6 geben die Feldstärke 1 = Ez ² als Funktion der Position y am rechteckigen Wellenleiter für jeden aus einer Reihe von Werten z längs dieses Wellenleiters an. In beiden Fällen beruhte die Berechnung auf einer Strahlungswellenlänge von 10,59 um (CO&sub2;- Laser) und einer aktiven Wellenleiterlänge L von 425 mm, die sich aus Gleichung (1) ergibt.
Wie in Fig. 3 angeführt, werden im Fall b/a = 3 nur die Moden EH&sub1;&sub1;, EH&sub1;&sub3;, EH&sub1;&sub5; und EH&sub1;&sub7; angeregt, und diese weisen angenähert die relativen Leistungen 0,32, 0,33, 0,13 bzw. 0,02 auf. Wenn b/a = 6, werden die Moden EH&sub1;&sub1; bis EH1,13 angeregt und weisen die relativen Leistungen 0,27 bis 0,02 auf.
In Fig. 5 gibt ein anfängliches zentrales Maximum 80 die Feldstärkeverteilung 1 des elektrischen Feldes am Eingangsbereich des rechteckigen Wellenleiters an&sub5; An diesem Punkt (z = 0) erzeugen die Moden EH&sub1;&sub1; bis EH&sub1;&sub7; elektrische Felder, die miteinander in Phase sind und sich konstruktiv so überlagern, daß das Maximum 80 erzeugt wird. Längs dem rechteckigen Wellenleiter, also in Richtung von zunehmendem z, bewegen sich die Moden EH&sub1;&sub1; bis EH&sub1;&sub7; aus dem Zustand der Gleichphasigkeit heraus. Das ist eine Folge der Gleichungen (2) und (3), in denen der Phasenkoeffizient βmn und daher auch die Ausbreitungskonstante γmn von den Modenzahlen m und n abhängig sind.
Die räumlichen Änderungsgeschwindigkeiten dieser Beiträge der Moden zum elektrischen Feld sind daher entlang der z-Achse, d.h., axial zum rechteckigen Wellenleiter, unterschiedlich. Dadurch ändert sich die Form der Interferenz zwischen den Moden-Beiträgen zum elektrischen Feld, und es tritt eine Vielfalt von sich transversal erstreckenden Feldstärkeverteilungen des elektrischen Feldes auf. Die Verteilungen sind durch Kurven, wie z.B. 81 und 82, in den xy-Ebenen bei den entsprechenden Werten z angezeigt. In einem Abstand von beinahe zwei Dritteln der Länge des rechteckigen Wellenleiters ist die Feldstärkeverteilung durch eine Kurve 83 angegeben, die drei ähnliche Maxima aufweist. In einem Abstand L entlang dem rechteckigen Wellenleiter ist die Feldstärkeverteilung durch eine Kurve 84 angegeben, die zwei deutlich getrennte Maxima 84a und 84b aufweist. Die Zentren der Maxima 84a und 84b befinden sich an den Punkten x = 0, y = -b/2, z = L bzw. x = 0, y = +b/2, z = L. Sie sind miteinander in Phase.
Fig. 6 zeigt transversale Verteilungen des elektrischen Feldes entlang der Länge des rechteckigen Wellenleiters bei einem Querschnittsseitenverhältnis b/a gleich 6, wie oben angegeben. Wie in Fig. 3 dargestellt, ist die Wirkung einer Erhöhung von b/a von 3 (Fig. 5) auf 6 (Fig. 6), daß sich die Leistung verringert, die mit den Moden EH&sub1;&sub1; und EH&sub1;&sub3; des rechteckigen Wellenleiters gekoppelt ist, und die mit den Moden EH&sub1;&sub5; bis EH1,13 gekoppelte Leistung erhöht wird. Da Moden höherer Ordnung mehr Leistung erhalten, ist der Strukturierungs- und Auflösungsgrad in Fig. 6 höher als in Fig. 5. In Fig. 6 ist die Feldverteilung in der Ebene des Eingangsbereichs durch eine Kurve 90 mit einem einzigen Maximum 90a angezeigt. Da, wie oben, die Moden EH&sub1;&sub1; bis EH&sub1;&sub3; unterschiedliche Werte βmn aufweisen, ändert sich die transversale Feldstärkenverteilung mit dem Abstand z entlang des rechteckigen Wellenleiters. Die Kurven 91 bis 95 geben Stellen an, an denen eine Aufteilung der Feldstärke auf mehrere Maxima im wesentlichen gleicher Form und Größe erfolgt. Die Kurven 91, 92, 93, 94 und 95 haven sechs, vier, drei, fünf bzw. zwei Maxima. Insbesondere weist die Kurve 93 drei deutlich definierte Maxima 93a, 93b und 93c auf. Die Kurven 91 bis 95 befinden sich einem Abstand L/3, L/2, 2L/3, 4L/5 bzw. L vom Eingangsbereich des Wellenleiters, wobei L, wie angegeben, die Länge des Wellenleiters bedeutet. Diese Längen können als 2L/6, 2L/4, 2L/3, 4L/5 und 2L/2 angegeben werden. Es besteht somit eine rezikproke Beziehung zwischen der Zahl der Maxima und dem Abstand.
Fig. 7 zeigt für Abmessungen des Wellenleiters, aus denen Fig. 6 abgeleitet wurde, die Änderung entlang der y-Achse der Phase + des sich ergebenden elektrischen Feldes. Es sind Kurven 100 bis 105 dargestellt, die den Kurven 90 bis 95 entsprechen. Jede der Phasenkurven, wie z.B. 101, zeigt die Phasenänderung des elektrischen Feldes am rechteckigen Wellenleiter für einen entsprechenden Wert z und entspricht einer entsprechenden Feldstärkeverteilung in Fig. 6. Die vertikale Skala der Darstellung der Phase φ ist bei 106 gezeigt, wo ein Interval von 2π angegeben ist. Die Feldverteilungen bei 90 und 95 besitzen eine konstante Phase, wie mit den geraden Linien 100 und 105 angegeben ist. Die Kurve 103 weist jedoch z.B. einen zentralen Bereich 103a auf, der gegenüber ihren äußeren Bereichen 103b und 103c eine Phasendifferenz aufweist. Die Bereiche 103a bis 103c zeigen die Phasen der zugeordneten Maxima 93a bis 93c von Fig. 6 an. Daher befindet sich das zentrale Maximum 93a gegenüber den äußeren Maxima 93b und 93c, die miteinander in Phase sind, nicht in Phase. Da sich die Feldverteilungen der Kurven 100 und 105 in Phase befinden, erzeugen sie reversible Eigenschaften, d.h., zwei miteinander in Phase befindliche Eingänge 95a und 95b würden u.a. zur Entstehung eines einzigen Ausgangs 90 führen.
Die Fig. 5, 6 und 7 beziehen sich auf spezielle Werte von b/a. Im allgemeinen werden bei der anfangs betrachteten Situation wegen der Symmetrie der Anregung der EH&sub1;&sub1; -Mode vom Eingangsstrahl nur EH1n-Moden angeregt. Am Eingangsbereich des rechteckigen Wellenleiters ist die Phase konstant. Für den Fall, daß unter Anwendung von Gleichung (3) willkürliche b/a-Werte eingeführt werden, ist der Phasenkoeffizient β1p der Mode EH1p durch
gegeben, und der Phasenkoeffizient β1q der Mode EH1q ist gegeben durch
Nach Subtrahieren der Gleichung (9) von Gleichung (8) und Umordnen ist die Phasendifferenz χz zwischen den Moden EH1p und EH1q an der Länge z des Wellenleiters gegeben durch
Wenn die Bedingung angenommen wird, daß zwischen den Moden eine Phasendifferenz von 2π besteht, ändert sich Gleichung (10) wie folgt:
und der Ausbreitungsabstand z (d.h. z2π) nach Gleichung (11) im rechteckigen Wellenleiter, wodurch zwischen den Moden EH1p und EH1q eine Phasendifferenz von 2π auftritt, ist durch gegeben. Bei den Moden EH&sub1;&sub1; und EH1n (d.h. der Grundmode und der n-ten ungradzahligen Mode höchster Ordnung) ist z2π gegeben durch:
Wenn die Gleichungen (2) und (13) kombiniert werden, folgt:
wobei bedeuten: n = 3,5,7,9,11 ... ist 16L/(n² - 1) z2π gleich 2L, 2L/3, L/3, L/5, 2L/15 ...
Da Bruchteile eines Ausbreitungsabstands 2L im rechtekkigen Wellenleiter dazu führen, daß die EH&sub1;&sub1;- und EH&sub1;&sub3;- Moden wieder miteinander in Phase sind, sind die relativen Längenverhältnisse 1, 1/3, 1/6, 1/10, 1/15 etc.. Das zeigt, daß zwischen den EH&sub1;&sub1;-Moden des rechteckigen Wellenleiters eine harmonische Beziehung besteht. Gleichung (4) zeigt, daß der Ausbreitungsabstand z2π , der zu einer Phasenverschiebung von 2π zwischen der Grundmode EH&sub1;&sub1; und der EH&sub1;&sub3; -Mode der nächsthöheren Ordnung führt, auch zu einer Phasenverschiebung von 2π zwischen der Grundmode und allen anderen EH1n-Moden (n = ungerade) führt. Das ergibt eine Reproduktion eines beliebigen symmetrischen elektrischen Eingangsfeldes nach einem Abstand z2π, unter der Voraussetzung, daß nur ungerade EH1n-Moden angeregt werden. Ein symmetrisches Eingangsfeld wird ferner periodisch in den Abständen tz2π erzeugt, wobei "t" eine ganze Zahl ist, wenn ein rechteckiger Wellenleiter ausreichender Länge verfügbar ist.
Die Gleichungen (11) bis (14) können umgeschrieben werden, um zπ, den Ausbreitungsabstand im rechteckigen Wellenleiter, zu bestimmen, über den eine Phasenänderung von π zwischen den Moden eingeführt wird. Bei Prüfung dieser Gleichungen läßt sich festgestellen, daß
Hierbei bedeuten:
L und 2L die Wellenleiterlängen, über die zπ und z2π eingeführt werden, und L = 2b²/λ von Gleichung (1). Daher sind sowohl zπ als auch z2π proportional zu b² , und sie können durch geeignete Wahl der Breite des Wellenleiters so gelegt werden, daß sie in vorgegebenen Abständen längs dem rechteckigen Wellenleiter auftreten.
Für die Mischvorrichtung 10 der Fig. 1 und 2 ist die geeignete Modenstruktur im Wellenleiter 14 eine Struktur, die gegenüber der in den Fig. 5 und 6 dargestellten Struktur umgekehrt ist. D.h., es gibt zwei EH&sub1;&sub1;- Grundmoden-Eingänge, eine Länge L des rechteckigen Wellenleiters und eine einzige, zentral angeordnete Erfassungseinrichtung oder Ausgabeeinrichtung. Wenn jedoch, wie oben angegeben, zwei oder mehr Strahlen vorhanden sind, sind die jeweiligen Phasen an den Eingängen wichtig und müssen für den gewünschten Ausgang entsprechend gewählt werden.
In den Fig. 8 und 9 ist die Änderung der Feldstärkeverteilung I des elektrischen Feldes mit dem Abstand längs eines Multimoden-Wellenleiters gezeigt. Diese Zeichnungen beziehen sich auf zwei Eingangsstrahlen gleicher Intensität, die miteinander in Phase bzw. zueinander in Gegenphase sind In Fig. 8 zeigen die beiden Anfangsmaxima 110 und 112 die Feldstärkeverteilung I des elektrischen Feldes bei z = L. Sie befinden sich auf der y- Achse bei -b/2 bzw. +b/2.
Die zugehörigen Phasen der Maxima 110 und 112 sind bei 114 angeführt. Wie bei der Strahlteilung tritt im Wellenleiter eine Modendispersion auf, und nach einer Länge L (d.h., bei z = L) wird ein einziges Maximum 116 erzeugt, das auf der y-Achse bei y = 0 liegt. In Fig. 9 zeigen zwei Anfangsmaxima 120 und 122 die Feldstärkeverteilung 1 des elektrischen Feldes bei z = 0 an. Sie befinden sich bei y = -b/2 bzw. y +b/2. Die zugehörigen Phasen der Maxima 120 und 122 sind bei 124 dargestellt. Im Wellenleiter tritt wieder eine Modendispersion auf, jedoch werden nach einer Länge L (d.h., bei z = L) die zwei Maxima 126 und 128 erzeugt. Sie befinden sich auf der y-Achse bei -b/2 bzw. +b/2. Somit wurde nach einer Länge L des Wellenleiters die Eingangs- Feldstärkeverteilung des elektrischen Feldes reproduziert. Bei Phasenbedingungen, die zwischen den zwei in den Fig. 8 und 9 gezeigten Extremen liegen, werden bei z = L drei Ausgangsmaxima erzeugt. Die entsprechenden Amplituden sind von den jeweiligen Phasen der Eingänge abhängig.
Die Wirkungen am Ausgang, die durch die jeweiligen Phasen mehrerer Eingänge in den rechteckigen Wellenleiter entstehen, sind das Ergebnis der angeregten Moden. Das wird im folgenden unter Bezug auf die Fig. 10 und 11 beschrieben, welche die zugehörigen Modenamplituden für die drei niedrigsten ungeradzahligen bzw. geradzahligen EHmn-Moden graphisch darstellen, wenn ein Eingangswellenleiter, der einen Grundmoden-Strahl emittiert, vom Zentrum des Eingangsbereichs des rechteckigen Wellenleiters versetzt angeordnet ist. Die zwei Eingänge in der Mischvorrichtung 10 befinden sich im Eingangsbereich 22 bei y = ± b/2. Wie aus Fig. 10 ersichtlich ist, werden die ungeradzahligen Moden EH&sub1;&sub1;, EH&sub1;&sub3; und EH&sub1;&sub5; mit gleichen Amplituden durch Eingänge an diesen zwei Stellen angeregt. Wie jedoch aus Fig. 11 ersichtlich ist, werden die geradzahligen Moden EH&sub1;&sub2;, EH&sub1;&sub4; und EH&sub1;&sub6; mit Amplituden der gleichen Größe, aber mit umgekehrtem Vorzeichen durch zwei derartige Eingänge angeregt. Wenn daher die zwei Eingänge miteinander in Phase sind, summieren sich die Anregungen der ungeradzahligen Moden, so daß bei -b/2 oder +b/2 das Doppelte der Amplitude eines einzigen Eingangs erzeugt wird, während sich die geradzahligen Moden gegenseitig löschen. Wie bereits oben erläutert, führt die Anregung von nur ungeradzahligen Moden (n = 1,3,5 etc.) zu den zwei sich summierenden Eingängen, und am Ausgangsbereich 24 wird ein einziges Maximum gebildet. Wenn die zwei Eingänge zueinander in Gegenphase sind, werden die ungeradzahligen Moden ausgelöscht, und die geradzahligen Moden summieren sich und erzeugen bei -b/2 oder +b/2 das Doppelte der Amplitude eines einzigen Eingangs. Wie bereits oben gezeigt, erzeugt diese Eingangsbedingung zwei Maxima am Ausgangsbereich 24.
Die Mischvorrichtung 10 kann für einen Betrieb mit einer Strahlung von einem CO&sub2;-Laser einer Wellenlänge von 10,59 µm ausgelegt sein. Ihre Abmessungen können betragen: 2a = 0,6 mm, 2b = 1,2 mm und L = 2b²/λ = 106 mm. Die Festlegung auf b = 2a zeigt die minimale Breite und somit auch Länge an, für die die Mischvorrichtung 10 ausgelegt werden kann. Bei b = 2a sind jedoch die für die meisten Eingangsphasenbedingungen erzeugten drei Ausgangsmaxima nicht vollständig aufgelöst. Die inneren Schwänze der seitlichen Maxima überlappen sich mit den Schwänzen des zentralen Maximums. Daher erhält ein Detektor 34 einer Breite von 2a niemals eine Intensität von Null, sondern die Intensität ändert sich mit der Schwebungsfrequenz. Der Detektor 34 kann, falls erforderlich, schmaler als 2a sein. Alternativ dazu können die Abmessungen der Mischvorrichtung 10 2a = 0,6 mm, 2b = 1,8 mm und L = 2b²/λ = 153 mm betragen. In diesem Fall ist b = 3a, und die drei Ausgangsmaxima überlappen sich weniger und sind daher besser aufgelöst. Um jedoch eine vollständige Auflösung der drei Maxima zu erreichen, ist ein rechteckiger Wellenleiter mit b = 4a erforderlich, was wiederum die Werte L = 2b²/λ = 272 mm bei 2a = 0,6 mm bedingt.
Die Wellenleiter 14, 26, 28 der Mischvorrichtung 10 können für eine Verwendung bei 10,59 µm aus Werkstoffen hergestellt sein, die nicht aus Aluminiumoxid bestehen; sie können beispielsweise aus BeO, Si, Macor oder Metall bestehen. Darüber hinaus können die quadratischen Wellenleiter 26 und 28 durch Wellenleiter anderer Form ersetzt werden. So kann beispielsweise eine erfindungsgemäße Mischvorrichtung Wellenleiter mit einem quadratischen Querschnitt einer Seitenlänge von 2a, dessen Seiten unter einem Winkel von 450 zur x- und y-Achse liegen, oder elliptische Wellenleiter aufweisen, deren längere und kürzere Achse parallel zur x- bzw. y-Achse liegen. Das Quadrat der Wellenleitertiefe sollte jedoch ein ganzzahliges Vielfaches des Produkts aus der Länge des Multimoden-Wellenleiters und der Wellenlänge in diesem Wellenleiter sein. Es können auch andere Formen, wie beispielsweise rhombische oder oktagonale Wellenleiter, Verwendung finden. Darüber hinaus können Lichtleitfasern verwendet werden.
Die Mischvorrichtung 10 kann verschiedene zusätzliche Merkmale aufweisen. Für die restliche Fläche des Ausgangsbereichs 24, die nicht von der Detektor 34 eingenommen wird, kann es vorteilhaft sein, wenn sie aus einem absorbierenden Material hergestellt ist oder eine Antireflexionsbeschichtung aufweist. Dadurch würde verhindert, daß Strahlung in den rechteckigen Wellenleiter 14 zurückreflektiert wird und die erwünschte Modenstruktur stört .
In Fig. 12 ist eine alternative Ausführungsform der Erfindung schematisch dargestellt. Sie besteht aus einer Mischvorrichtung 130. Die Mischvorrichtung 130 arbeitet in einer sehr ähnlichen Weise wie die Mischvorrichtung 101 weshalb sich die folgende Beschreibung nur auf die Unterschiede konzentriert. Gleiche Teile wie in der Mischvorrichtung 10 von Fig. 1 sind mit den gleichen Bezugsziffern und zusätzlich mit einem hochgestellten Sternchen (*) bezeichnet. Der wesentliche Unterschied zwischen der Mischvorrichtung 130 und der Mischvorrichtung 10 besteht darin, daß zusätzliche Erfassungseinrichtungen 132 und 134 und eine zugehörige Schaltkreisanordnung (nicht gezeigt) vorhanden sind. Die zwei zusätzlichen Erfassungseinrichtungen 132 und 134 sind miteinander gekoppelt, so daß ihre Ausgangssignale miteinander kombiniert werden.
Die zusätzlichen Erfassungseinrichtungen 132, 134 sind in der Ebene z = L angeordnet, wobei sich ihre Zentren bei x = 0 und y = ± b/2 befinden. Wenn beim Betrieb als Überlagerungs-Mischvorrichtung ein zentrales Ausgangsmaximum erzeugt würde, würde dieses auf die Detektor 34* auftreffen, während die lateralen Ausgangsmaxima auf die zusätzlichen Erfassungseinrichtungen 132, 134 auftreffen würden. Wenn die Intensität, die auf die zentrale Detektor 34* auftrifft, abnimmt, nimmt die Intensität zu, die auf die lateralen Erfassungseinrichtungen 132 und 134 auftrifft. Die Mischvorrichtung 130 erhält keinerlei zusätzlichen Informationen über die Information hinaus, die auch die Mischvorrichtung 10 erhält, jedoch kann sie je nach den Betriebsbedingungen ein verbessertes Signal/Rausch-Verhältnis aufweisen.
Wie oben erläutert, hängt die Auflösung der drei Ausgangsmaxima von der Breite des rechteckigen Wellenleiters 14* ab. Wenn eine vollständige Auflösung der Maxima und für die Erfassungseinrichtungen 34*, 132, 134 eine Breite 2a erwünscht ist, muß b auf 4a eingestellt sein, wobei die Länge dann 32 a²/λ ist. Wenn jedoch eine kürzere Länge der Mischvorrichtung 130 erforderlich ist, können die Erfassungseinrichtungen 34*, 132 und 134 schmaler sein. Wenn beispielsweise b gleich 5a und die Erfassungseinrichtungen 34*, 132 und 134 1,2a breit sind, hat die Mischvorrichtung 130 eine Länge L von 12,5 a²/λ und bietet eine zufriedenstellende Leistung.
In Fig. 13 ist eine weitere Mischvorrichtung mit zwei Eingängen schematisch dargestellt, die als Ganzes mit der Bezugsziffer 170 bezeichnet ist. Die Mischvorrich. tung umfaßt einen rechteckigen Wellenleiter 172 einer Breite von 2b, einer Höhe von 2a und einer Länge L = 8 b²/λ. Die Breite 2b muß im allgemeinen größer oder gleich 4a sein. In diesem Fall ist 2b = 4a. Der Wellenleiter 172 weist einen Eingangsbereich 174 und einen Ausgangsbereich 176 an seinen einander gegenüberliegenden Längsenden auf. Wie bei den oben beschriebenen Ausführungsformen werden cartesische Koordinaten verwendet, um Positionen innerhalb der Mischvorichtung 170 zu beschreiben, wobei Achsen und Ursprung in gleicher Weise definiert sind. Zwei quadratische Eingangswellenleiter 178 und 180 sind mit dem Eingangsbereich 174 derart verbunden, daß die von ihnen emittierte Eingangsstrahlung bei x = 0, y = -b/2 bzw. x = 0, y = +b/2 zentriert ist. Zwei Erfassungseinrichtungen 182 und 184 sind im Ausgangsbereich 176 angeordnet, die bei x = 0, y = -b/2 und x = 0, y = +b/2 zentriert sind.
Die beiden quadratischen Eingangswellenleiter 178 und 180 liefern jeweils einen Grundmoden-Eingang. Wie oben beschrieben, können diese ein lokales Oszillatorsignal bzw. ein erhaltenes Signal sein, das eine Dopplerverschiebung erfahren hat. Wenn die beiden Eingänge entweder miteinander in Phase oder zueinander in Gegenphase sind, werden im Ausgangsbereich 176 zwei im wesentlichen gleiche Intensitätsmaxima erzeugt, die bei x = 0, y = ± b/2 zentriert sind. Wenn das im Wellenleiter 180 empfangene Signal dem lokalen Oszillatorsignal um 900 voraus ist, wird im Ausgangsbereich ein einziges Maximum erzeugt, das bei x = 0, y = + b/2 zentriert ist. Wenn das empfangene Signal dem lokalen Oszillatorsignal um 270º voraus ist, wird ein einziges Maximum erzeugt, das bei x = 0, y = - b/2 zentriert ist. Auf diese Weise ist die Intensität, die auf jede Erfassungseinrichtung 182 und 184 fällt, bei der Überlagerungs- oder Differenzfrequenz verschieden.
In der Tabelle 1 sind die zugehörigen Abmessungen der verschiedenen beschriebenen Ausführungsformen von zwei erfindungsgemäßen Eingangs-Mischvorrichtungen zusammengefaßt. Aus Tabelle 1 ist ersichtlich, daß zwischen der Länge der Vorrichtung und der Auflösung der Ausgangsmaxima ein Kompromiß gefunden werden muß. Bei vielen Anwendungen wird die Länge das wichtigere Kriterium sein. Es kann jedoch auch Herstellungsprozesse geben, bei denen die Herstellung der Vorrichtungen relativ unkompliziert ist, wobei jede Vorrichtung einen rechteckigen Wellenleiter mit einer Breite aufweist, die der Summe der Breiten der zugehörigen Eingangs-Wellenleiter entspricht. Tabelle 1 Relative Abmessungen für verschiedene Mischvorrichtungen mit zwei Eingängen
Eine weitere Alternative zu den oben beschriebenen Ausführungsformen wird im folgenden beschrieben. Sie umfaßt einen Multimoden-Wellenleiter einer Breite von 2b, die größer als 4a ist, jedoch mit zwei Eingangswellenleitern, die bei y = ±(b-a) angeordnet sind. Dies bedeutet, daß die Eingangswellenleiter den Seiten des Eingangsbereichs des Multimoden-Wellenleiters benachbart angeordnet sind, wobei sich zwischen ihnen eine Lücke befindet. Diese Vorrichtungsstruktur führt zu einer gewissen Verzerrung der oben beschriebenen Struktur des elektrischen Feldes, insbesondere des zentralen Ausgangsmaximums. Sie führt jedoch zur Intensität Null am Zentrum des Ausgangsbereichs, wenn die zwei Eingänge miteinander in Phase sind. Somit kann die Verzerrung akzeptiert werden, wenn das Ergebnis eine verbessertes Signaldiskriminierung an den Detektoren ist. Geeignete relative Abmessungen können 2b = 4,5a und L = 10,125 a²/λ sein.
Es können Ausführungsformen der Erfindung konzipiert werden, die Alternativen zu den Erfassungseinrichtungen darstellen, die im Ausgangsbereich des rechteckigen Wellenleiter angeordnet sind. Beispielsweise können Ausgangswellenleiter so angeordnet sein, daß sie die Maxima anstelle der Detektoren aufnehmen, wobei die Detektoren innerhalb der Ausgangswellenleiter in einem Bereich angeordnet sind, der vom Ausgangsbereich entfernt ist.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf Mischvorrichtungen zur Verwendung in der Überlagerungserfassung beschränkt. Es gibt viele Anwendungen, bei denen es erwünscht ist, Strahlen vor der Erfassung zu kombinieren, bei denen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet werden können. Darüber hinaus ist die vorliegende Erfindung nicht auf Mischvorrichtungen mit zwei Eingängen beschränkt.
Die Erfindung ist ferner nicht auf eine Verwendung von Lichtwellenleitern mit einem hohlen Kern zur Anwendung bei Wellenlängen von 10,59 µm beschränkt. Unter der Voraussetzung, daß die Vorrichtungen aus für die Betriebswellenlänge geeigneten Materialien hergestellt sind, können sie für eine Verwendung in einem weiten Bereich von Wellenlängen konzipiert werden. Beispielsweise können sie für eine Verwendung mit Strahlung von Nd-YAG-Lasern (Freiraum-Wellenlänge λ = 1,064 µm) aus GaAs und AlGaAs unter Anwendung der Halbleiter- Schichttechnologie hergestellt sein.
In Fig. 14 ist ein Laser-Radarsystem, das eine erfindungsgemäße Vorrichtung in Form einer Überlagerungs- Mischvorrichtung enthält, schematisch dargestellt. Das System ist als ganzes mit der Bezugsziffer 200 bezeichnet. Es enthält eine Laserstrahlungsquelle 202, einen Strahlteiler 204, einen akustooptischen Modulator 205 und eine erfindungsgemäße Mischvorrichtung 206, die der Mischvorrichtung 10 von Fig. 1 gleicht. Es enthält ferner optische Wellenleiter 208, 210, 212, 214 und 215, die die Strahlung zwischen den optischen Bauteilen und zu und von einem Targetbereich (nicht gezeigt) führen. Die Mischvorrichtung 206 umfaßt eine Erfassungseinrichtung 216 und eine zugehörige Schaltkreisanordnung 218.
Das System 200 arbeitet wie folgt. Die vom Laser 202 emittierte Strahlung gelangt über den Wellenleiter 208 zum Strahlteiler 204. Sie wird in einen ersten und einen zweiten Strahl geteilt. Der erste Strahl breitet sich über den Wellenleiter 210 aus und ist der Ausgangsstrahl, der auf den Targetbereich auf trifft. Der zweite Strahl gelangt über den Wellenleiter 212 zum akustooptischen Modulator 205, wo er einer kleinen Frequenzverschiebung unterliegt. Der Strahl, bei dem die Frequenzverschiebung stattgefunden hat, gelangt zur Mischvorrichtung 206 und wird als lokales Oszillatorsignal verwendet. Die von der Targetzone reflektierte oder gestreute Strahlung wird vom Wellenleiter 214 empfangen und wird weiter zur Mischvorrichtung 206 übertragen. Diese bildet ein empfangenes Signal, das Komponenten mit einer Dopplerverschiebung aufweist, die von sich bewegenden Objekten oder Partikeln reflektiert wurden. Die Dopplerverschiebung kann zu einer vergrößerung oder einer Verkleinerung der Frequenz führen.
Die Mischvorrichtung 206 arbeitet genau so, wie oben unter Bezug auf die Mischvorrichtung 10 beschrieben: Die Strahlung, die längs der Wellenleiter 212 und 214 zur Mischvorrichtung 206 übertragen wird, wird gemischt, und die auf die Erfassungseinrichtung 216 auftreffende Intensität ändert sich mit der Differenzfrequenz zwischen dem lokalen Oszillatorsignal und dem empfangenen Signal. Durch die zugehörige Schaltkreisanordnung 218 wird bei 220 ein elektrisches Ausgangssignal erzeugt. Der Zweck des akustooptischen Modulators 205 ist es, nach der Subtraktion der lokalen Oszillatorfrequenz einen Verlust der Komponenten mit verkleinerter Frequenz zu vermeiden, was sonst negativen Frequenzen entsprechen wurde; dies bedeutet, daß eine Quellenfrequenz, die durch eine Dopplerfrequenzverschiebung fD nach unten verschoben wird, zu einer Frequenz fo - fD wird. Eine Subtraktion der lokalen Oszillatorfrequenz (ebenfalls f&sub0;) erzeugt ersichtlich -fD also einen Wert, der nicht existiert. Um das zu vermeiden, wird durch Subraktion einer Modulationsfrequenz fA von der Quellenfrequenz eine lokale Oszillatorfrequenz fo - fA erhalten. Eine negative Dopplerverschiebung ergibt dann eine Frequenz fA - fD, die so arrangiert werden kann, daß sie positiv bleibt.
In Fig. 15 ist eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Mischvorrichtung gezeigt, die als Ganzes mit der Bezugsziffer 230 bezeichnet ist. Sie enthält zwei Grundmoden-Eingangswellenleiter 232 mit quadratischem Querschnitt und einer Seitenlänge von 2a, die mit einem rechteckigen Multimoden-Wellenleiter 234 verbunden sind, der einen Querschnitt von 2a 2b und eine Länge 4 b²/λ aufweist. Wie bereits oben ist auch in dieser Ausführungsform λ die Wellenlänge der Strahlung im rechteckigen Wellenleiter 234, für den die Mischvorrichtung 230 ausgelegt ist. Der rechteckige Wellenleiter 234 weist zwei Erfassungseinrichtungen 236 mit zugehörigen Ausgangsleitungen 238 auf.
Die Eingangswellenleiter 232 haben zentrale Achsen 240, die um b/2 auf den jeweiligen Seiten einer zentralen Längsachse 242 des rechteckigen Wellenleiters versetzt angeordnet sind. Die Erfassungseinrichtungen 238 sind auf den jeweiligen Eingangsachsen 240 der Wellenleiter zentriert.
Die Mischvorrichtung 230 arbeitet wie folgt. Strahlen (nicht gezeigt) werden in die Eingangswellenleiter 232 eingeführt und breiten sich darin im Grundmodenbetrieb aus. Beim Erreichen des rechteckigen Wellenleiters 234 werden sie einer Modendispersion unterworfen. Wenn die zwei Komponentenstrahlen, die den rechteckigen Wellenleiter erreichen, miteinander in Phase sind, erhalten die Erfassungseinrichtungen 236 entsprechende Intensitätsmaxima gleicher Größe, die auf den Achsen 240 zentriert sind. Wenn jedoch ein Eingangsstrahl eine Phase aufweist, die gegenüber dem anderen Strahl um 900 voreilt, erhält die Erfassungseinrichtung, die mit dem Wellenleiter 232, der diesen Komponentenstrahl überträgt, fluchtet, 85 % der Strahlungsintensität, die das rechte Ende des rechteckigen Wellenleiters 234 erreicht, und die andere Erfassungseinrichtung erhält 15 % der Strahlungsintensität. Die Änderung der Eingangsphase als Funktion der Zeit erzeugt eine Änderung jedes Signals von der Erfassungseinrichtung im Bereich von 15 bis 85 %, bezogen auf die Summe der Signale. Im Unterschied zur Mischvorrichtung von Fig. 13 beträgt die theoretische Modulationstiefe nur 70 % anstelle von 100 %, jedoch ist die Mischvorrichtung 230 kompakter, da sie einen rechteckigen Wellenleiter 234 einer Länge aufweist, die um die Hälfte kürzer ist als die Länge des Wellenleiters 172 der Mischvorrichtung 170.

Claims

1. Optische Mischvorrichtung (10), die umfaßt:

(a) einen Multimoden-Mischwellenleiter (14) mit einem rechteckigen transversalen Querschnitt mit einer Seitenlänge 2b, der einen Eingangsbereich (22) und einen Ausgangsbereich (24) aufweist,

(b) einen ersten und einen zweiten Eingangswellenleiter (26, 28), die für Grundmodenbetrieb ausgebildet und mit dem Eingangsbereich (22) an Stellen angeschlossen sind, die entlang dem Querschnitt des Mischwellenleiters beabstandet sind,

(c) eine Erfassungseinrichtung (34), die zur Erfassung der vom Mischwellenleiter (14) übertragenen Strahlung am Ausgangsbereich (24) angeordnet ist, und

(d) Eingangseinrichtungen, die zur Einführung eines ersten und eines zweiten Strahls in den ersten bzw. zweiten Wellenleiter (26, 28) angeordnet sind,

dadurch gekennzeichnet, daß

(e) die Eingangseinrichtungen so ausgebildet sind, daß sie den ersten und den zweiten Strahl so zur Verfügung stellen, daß sie eine unterschiedliche Frequenz und jeweils eine einzige Wellenlänge aufweisen,

(f) der Mischwellenleiter (14) zwischen dem Eingangsund dem Ausgangsbereich (22, 24) eine optische Weglänge aufweist, die 2b²/λ beträgt, wobei X die Wellenlänge eines der eingeführten Strahlen innerhalb des Mischwellenleiters (14) ist,

(g) die Eingangswellenleiter (26, 28) am Eingangsbereich des Mischwellenleiters in der Mitte der jeweiligen Hälften des Querschnitts des Mischwellenleiters angeschlossen sind,

(h) die Erfassungseinrichtung (34) am Ausgangsbereich in der Mitte des Querschnitts des Mischwellenleiters vorgesehen und derart angeordnet ist, daß sie eine Strahlung erfaßt, die eine Schwebungsfrequenz aufweist, die gleich der Frequenzdifferenz zwischen den Strahlen ist, und

(i) die Eingangseinrichtungen und die Eingangswellenleiter derart ausgebildet sind, daß sich die Strahlen jeweils in Phase in einer symmetrischen Grundmode im entsprechenden Eingangswellenleiter (26, 28) ausbreiten und so kombiniert werden, daß ein einziges Intensitätsmaximum entsteht, das an der Schwebungsfrequenz moduliert und auf die Erfassungseinrichtung (34) durch Modendispersion entlang dem Strahlenweg innerhalb des Mischwellenleiters (14) überlagert wird, wobei das Maximum am größten ist, wenn die Strahlen im Eingangsbereich (22) miteinander in Phase sind.

2. Optische Mischvorrichtung (130) nach Anspruch 1, die so ausgebildet ist, daß sie eine Erfassungsmöglichkeit aufweist, mit welcher der erste und der zweite Strahl erfaßt werden können, wenn diese sich zueinander in Gegenphase befinden, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassungseinrichtung eine erste Erfassungseinrichtung (34*) darstellt und die optische Mischvorrichtung (130) ferner eine zweite und eine dritte Erfassungseinrichtung (132, 134) aufweist, die im Ausgangsbereich (24*) in der Mitte der jeweiligen Hälften des transversalen Querschnitts des Mischwellenleiters angeordnet sind, und daß die optische Mischvorrichtung (130) derart ausgebildet ist, daß die Strahlen, wenn sie sich in Gegenphase befinden, im Mischwellenleiter so miteinander kombiniert werden, daß zwei Intensitätsmaxima entstehen, die an der Schwebungsfrequenz moduliert und an der zweiten und dritten Erfassungseinrichtung (132, 134) infolge der Modendispersion entlang dem Strahlenweg innerhals des Mischwellenleiters (14*) überlagert werden, wobei die Maxima am größten sind, wenn sich die Strahlen im Eingangsbereich (22) zueinander in Gegenphase befinden.

3. Optische Mischvorrichtung (230), die umfaßt:

(a) einen Multimoden-Mischwellenleiter (214) mit rechtwinklingem Querschnitt mit einer Seitenlänge 2b in Querrichtung, der einen Eingangsbereich und einen Ausgangsbereich aufweist,

(b) einen ersten und einen zweiten Eingangswellenleiter (232), die für Grundmodenbetrieb ausgebildet und mit dem Eingangsbereich an Stellen angeschlossen sind, die entlang dem Querschnitt des Mischwellenleiters beabstandet sind,

(c) eine Erfassungseinrichtung (236), die zur Erfassung von Strahlung, die vom Mischwellenleiter (242) übertragen wird, am Ausgangsbereich angeordnet ist, und

(d) Eingangseinrichtungen, die zur Einführung eines ersten und eines zweiten Strahls in den ersten bzw. den zweiten Wellenleiter (232) ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß

(e) die Eingangseinrichtungen so ausgebildet sind, daß sie den ersten und den zweiten eingeführten Strahl so zur Verfügung stellen, daß sie eine unterschiedliche Frequenz und jeweils eine einzige Wellenlänge aufweisen,

(f) der Mischwellenleiter (242) zwischen dem Eingangsbereich und dem Ausgangsbereich eine optische Weglänge aufweist, die 2b²/λ oder 4b²/λ beträgt, wobei X die Wellenlänge eines der Strahlen innerhalb des Mischwellenleiters (242) ist,

(g) die Eingangswellenleiter (232) am Eingangsbereich des Mischwellenleiters in der Mitte der jeweiligen Hälften des Querschnitts angeschlossen sind,

(h) die Erfassungseinrichtung eine erste und eine zweite Erfassungseinrichtung (236) umfaßt, die in der Mitte der jeweiligen Hälften des transversalen Querschnitts des Mischwellenleiters vorgesehen und jeweils angeordnet sind, daß sie die Strahlung erfassen, die eine Schwebungsfrequenz aufweist, die gleich der Frequenzdifferenz zwischen den Strahlen ist,

und

(i) die Eingangseinrichtungen und die Eingangswellenleiter derart ausgebildet sind, daß sich die Strahlen jeweils in Phase am betreffenden Eingangsbereich (332) in einer symmetrischen Grundmode ausbreiten und die am Eingangsbereich in Gegenphase zueinander befindlichen Strahlen miteinander so kombiniert werden, daß zwei Intensitätsmaxima entstehen, die an der Schwebungsfrequenz moduliert und durch die Modendispersion entlang dem Strahlenweg innerhalb des Mischwellenleiters (242) auf der ersten und der zweiten Erfassungseinrichtung (236) überlagert werden.

4. Optische Mischvorrichtung, die umfaßt:

(a) einen Multimoden-Mischwellenleiter mit einem rechteckigen Querschnitt in Querrichtung mit einer längeren Seite 2b und einer kürzeren Seite 2a, der einen Eingangsbereich und einen Ausgangsbereich aufweist,

(b) einen ersten und einen zweiten Eingangswellenleiter, die für Grundmodenbetrieb ausgebildet und mit dem Eingangsbereich an Stellen angeschlossen sind, die entlang dem Querschnitt des Mischwellenleiters beabstandet sind,

(c) eine Erfassungseinrichtung, die zur Erfassung der vom Mischwellenleiter übertragenen Strahlung am Ausgangsbereich angeordnet ist, und

(d) Eingangseinrichtungen, die zur Einführung eines ersten und eines zweiten Strahls in den ersten bzw. den zweiten Wellenleiter ausgebildet sind,

dadurch gekennzeichnet, daß

(f) der Mischwellenleiter zwischen dem Eingangsbereich und dem Ausgangsbereich eine optische Weglänge aufweist, die 2b²/λ beträgt, wobei λ die Wellenlänge eines der eingeführten Strahlen innerhalb des Mischwellenleiters ist,

(g) die Eingangswellenleiter am Eingangsbereich so angeschlossen sind, daß ihre Zentren einen Abstand (b-a) vom Zentrum des transversalen Querschnitts des Mischwellenleiters am Eingangsbereich besitzen,

(h) die Erfassungseinrichtung eine erste und eine zweite Erfassungseinrichtung umfaßt, die in der Mitte der jeweiligen Hälften des transversalen Querschnitts des Mischwellenleiters am Ausgangsbereich angeordnet sind, wobei jede Erfassungseinrichtung so ausgebildet ist, daß sie Strahlung erfaßt, die eine Schwebungsfrequenz gleich der Frequenzdifferenz zwischen den Strahlen aufweist,

und

(i) die Eingangseinrichtungen und die Eingangswellenleiter derart ausgebildet sind, daß sich die Strahlen jeweils in Phase in einer symmetrischen Grundmode im entsprechenden Eingangswellenleiter ausbreiten und die Strahlen, die am Eingangsbereich miteinander in Phase sind, miteinander so kombiniert werden, daß im Zentrum des Ausgangsbereichs durch die Modendispersion entlang dem Strahlenweg innerhalb des Mischwellenleiters eine Intensität von Null entsteht.

5. Optische Mischvorrichtung (206) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangseinrichtungen so ausgebildet sind, daß sie einen ersten und einen zweiten Strahl, die aus einer gemeinsamen Quelle (202) abgeleitet sind, einführen, nachdem diese relativ zueinander frequenzverschoben wurden, wobei der erste Strahl ein lokales Oszillatorsignal und der zweite Strahl ein Rücksignal aus einem Bereich darstellt, der von der Quelle (202) beleuchet ist.

6. Optische Mischvorrichtung (206) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Frequenzverschiebungseinrichtung (205) aufweist, welche die Frequenz des ersten Strahls relativ zum zweiten Strahl verschiebt.

7. Optische Mischvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Mischwellenleiter als Hohlraum in einem festen dielektrischen Material ausgebildet ist.

8. Optische Mischvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Material Aluminiumoxid ist.

9. Optische Mischvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Mischwellenleiter als Steghohlleiter ausgebildet ist, der aus einem Substrat herausragt.

10. Optische Mischvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung aus Schichten eines ternären oder quaternären Halbleitermaterialsystems ausgebildet ist.

11. Optische Mischvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zeite Eingangswellenleiter quadratischen Querschnitt aufweisen.

12. Verfahren zur Überwachung eines Zielbereichs mit folgenden Schritten:

(a) Auf teilen der Strahlung von einer kohärenten Strahlungsquelle (202) in einen ersten und einen zweiten Strahl,

(b) Richten des ersten Strahls auf den Targetbereich,

(c) Empfangen des ersten Strahls nach Reflexion oder Streuung vom Targetbereich und Mischen des Strahls mit dem zweiten Strahl als lokales Oszillatorsignal und

(d) Erfassen der gemischten Strahlung,

dadurch gekennzeichnet, daß

(e) der erste und der zweite Strahl von einem ersten bzw. einem zweiten Eingangswellenleiter (214, 215) empfangen werden, wobei die Eingangswellenleiter (214, 215) für Grundmodenbetrieb ausgelegt sind,

(f) die Strahlen durch einen Multimoden-Mischwellenleiter (206) gemischt werden, der einen rechteckigen transversalen Querschnitt und eine Seite 2b mit einer größeren Länge und eine Seite 2a mit einer kleineren Länge aufweist, wobei der Mischwellenleiter (206) einen Eingangsbereich und einen Ausgangsbereich mit einer dazwischenliegenden optischen Weglänge von 2b²/λ oder 4b²/λ aufweist und der Eingangsbereich mit den Eingangswellenleitern (214, 215) gekoppelt ist,

(g) die Eingangswellenleiter (214, 215) entweder in der Mitte der jeweiligen Hälften des transversalen Querschnitts des Mischwellenleiters am Eingangsbereich angeschlossen sind oder so am Eingangsbereich angeschlossen sind, daß ihre Zentren einen Abstand (b-a) vom Zentrum des transversalen Querschnitts des Mischwellenleiters besitzen,

(h) die Mischstrahlung nach der Übertragung des Strahls durch den Mischwellenleiter (206) von einer Erfassungseinrichtung (216) erfaßt wird, die im Ausgangsbereich angeordnet und so ausgebildet ist, daß sie die Strahlung erfaßt, die eine Schwebungsfrequenz aufweist, die gleich der Frequenzdifferenz zwischen den Strahlen ist und mindestens an einem der folgenden Orte lokalisiert ist:

(1) in der Mitte des transversalen Querschnitts des Mischwellenleiters, und

(2) in der Mitte der Hälften des transversalen Querschnitts des Mischwellenleiters,

und

(i) die Abmessungen des Mischwellenleiters (206) und die räumlichen Eigenschaften der Strahlen am Eingangsbereich kombiniert so ausgebildet sind, daß im Mischwellenleiter (206) eine Modendisperson auftritt, wodurch in diesem das Mischen des Eingangsstrahls und die Überlagerung eines Intensitätsmaximums oder von Intensitätsmaxima, die bei der Schwebungsfrequenz moduliert sind, auf die Erfassungseinrichtung (216) erfolgt.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, das es folgenden Schritt aufweist: Modulation eines der Strahlen vor seiner Einführung in den Mischwellenleiter (206), um relativ zum anderen Strahl eine Frequenzverschiebung einzuführen.