Die Erfindung bezieht sich auf einen Korrelator mit Lichtleitfaser, der ein elektrisches Signal liefert, das die Korrelation von zwei zu korrelierenden elektrischen Signalen wiedergibt, beispielsweise von einem von einem Kadar empfangenen Impuls und einem Bezugsimpuls.

Auf dem Radargebiet korreliert man bekanntlich zwei Signale mit einer Verzögerung in der Größenordnung von 10 bis 100 Nanosekunden mit Hilfe von logischen Toren und Verzögerungsleitungen, aber diese Technik wird sehr schwierig bei Verzögerungen in der Größenordnung von 10 Nanosekunden und unmöglich bei Verzögerungen deutlich unter 10 Nanosekunden.

Es ist bekannt, für extrem kurzzeitige Verzögerungen, in der Größenordnung von 100 Picosekunden, eine optische Korrelation mit Hilfe einer Vorrichtung durchzuführen, die aufweist

- eine erste und eine zweite Laserdiode, die Lichtsignale mit gleicher Frequenz und einer durch je eines der beiden zu korrelierenden Signale modulierten Amplitude aussenden,

- einen Lichtleiter, der in einem LiNbO&sub3;-Kristall gebildet ist und dessen Enden an die beiden Laserdioden gekoppelt sind,

- einen Photovervielfacher, um die zweite Harmonische des vom Kristall ausgehenden Signals aufzufangen, wobei die Intensität dieser zweiten Harmonischen die Korrelation zwischen den beiden das Licht der beiden Laserdioden modulierenden Signale wiedergibt.

Eine solche Vorrichtung wird beschrieben in dem Aufsatz von R. Normandin und G.I. Stegeman "Picosecond signal processing with planar non linear integrated optics", veröffentlicht in Appl. Phys. Lett. 36 (4), 15. Februar 1980, Seite 253, und in dem Aufsatz von P.J. Vella, R. Normandin, G.I. Stegeman "Enhanced second harmonic generation by counter-propagating guided optical waves" veröffentlicht in Appl. Phys. Lett. 38 (10), 15. Mai 1981, Seite 751.

Ein LiNbO&sub3;-Monokristall kann höchstens einige Zentimeter Länge besitzen. Man kann damit die Korrelation zwischen zwei Signalen für Verzögerungen unter einer Nanosekunde, ja selbst im Bereich der picosekunde in Betracht ziehen, aber ein solcher Kristall eignet sich nicht für den Bereich von einer Nanosekunde bis 10 Nanosekunden, da die realisierbare Kristallänge nicht ausreicht für eine Länge entsprechend der Fortpflanzungsdauer eines Impulses, wenn diese Dauer mindestens eine Nanosekunde lang ist.

Ziel der Erfindung ist es, einen Korrelator herzustellen, der zwei Impulssignale mit einer Dauer in der Größenordnung von 1 bis 10 Nanosekunden zu korrelieren vermag. Gegenstand der Erfindung ist ein Korrelator mit einer Lichtleitfaser, in der in Gegenrichtung zwei Lichtsignale verlaufen, die die beiden zu korrelierenden elektrischen Signale wiedergeben, wobei diese Lichtleitfaser einen Flachbereich in Kontakt mit der Oberfläche einer dünnen Schicht aus nichtlinearem Material besitzt, um eine zweite Harmonische auszusenden, deren Amplitude dem Korrelationsintegral der beiden Signale entspricht.

Gemäß der Erfindung ist ein Lichtleitfaser-Korrelator mit einem ersten und einem zweiten Laser, die Licht mit gleicher Frequenz und einer Amplitude aussenden, die von einem ersten bzw. zweiten miteinander zu korrelierenden Signal moduliert ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Korrelator außerdem aufweist:

- eine Lichtleitfaser, deren beide Enden an je einen der Laser gekoppelt sind und deren Länge mindestens gleich der Länge entsprechend der maximalen Dauer der zu korrelierenden Signale gewählt ist, wobei die Lichtleitfaser über ihre ganze Länge einen Bereich verringerten Durchmessers besitzt, um eine austretende Welle, die dem geführten Modus zugeordnet ist, durchzulassen, und wobei die Faser einen Kern mit einem Index n1 und einer Hülle mit einem Index n2 besitzt,

- eine Schicht aus nicht zentrosymmetrischem Material in Kontakt mit dem Bereich reduzierten Durchmessers über die ganze Länge der Faser, wobei diese Schicht einen Brechungsindex n3 höchstens gleich dem Index n1 des Kerns der Faser und mindestens gleich dem Index n2 der Hülle besitzt,

- Mittel, um das von der Schicht bei der doppelten Frequenz bezüglich der Sendefrequenz der beiden Laser ausgesandte Licht aufzufangen und ein elektrisches Signal abhängig von der Intensität dieses Lichts zu liefern, wobei dieses elektrische Signal das Korrelationsintegral der beiden zu korrelierende Signale wiedergibt.

Die Erfindung und weitere Einzelheiten gehen aus der nachfolgenden Beschreibung und den beiliegenden Figuren hervor.

Figur 1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Korrelators.

Figur 2 zeigt genauer einen Teil dieses Ausführungsbeispiels.

Figur 3 zeigt Kurven betreffend den Betrieb mehrere Varianten dieses Ausführungsbeispiels.

In Figur 1 enthält das dargestellte Ausführungsbeispiel zwei Eingangsklemmen 5 und 7 für die zu korrelierenden elektrischen Signale, zwei Laserdioden 6 und 8, die bei gleicher Frequenz und mit einer Amplitude senden, die mit je einem der korrelierenden Signale moduliert ist, eine Monomode-Lichtleitfaser 9, deren beide Enden an je eine der beiden Laserdioden 6 und 8 gekoppelt ist, einen ebenen Träger 12, auf dem die Lichtleitfaser 9 in konzentrischen Windungen aufgelegt ist, eine dünne Schicht 10 aus einem nicht zentrosymmetrischen Material, derart, daß die Lichtleitfaser 9 sandwichartig zwischen den Träger 12 und die Schicht 10 eingeklebt ist, eine Linse 3, die über der Schicht 12 liegt, um das von dieser Schicht ausgesandte Licht aufzufangen, ein Filter 2, das die zweite Harmonische ausfiltert, einen Photovervielfacher 1, der die vom Filter 2 kommende zweite Harmonische empfängt, und eine Ausgangsklemme 4, die ein elektrisches Ausgangssignal des Photovervielfachers 1 liefert, welches das Korrelationsintegral der beiden zu korrelierenden Signale wiedergibt.

Figur 2 zeigt einen Schnitt durch einen Teil dieses Ausführungsbeispiels mit zwei Windungen 14 und 15 der Lichtleitfaser 9 zwischen der Schicht 10 aus nicht zentrosymmetrischem Material und dem Träger 12. Die Faser 9 besitzt über ihre ganze Länge einen Flachbereich 13, der durch Polieren der Hülle 17 erhalten wurde, um Zugang zu dem austretenden Teil des geführten Modus zu bekommen. Der Flachbereich 13 steht über seine ganze Länge mit der Unterseite der Schicht 10 in Kontakt. Der Raum zwischen den Windungen 14 und 15 ist mit einer Flüssigkeit gefüllt, deren Brechungsindex zwischen den Indices n&sub1; und n&sub2; des Kerns 16 und der Hülle 17 der Faser 9 liegt, und beispielsweise gleich (n&sub1;.n&sub2;)1/2 ist. Die Schicht 10 hat einen Index n&sub3;, der höchstens gleich dem Index n&sub1; ist und mindestens gleich dem Index n&sub2; sein soll.

Der Flachbereich 13 ermöglicht der dem geführten Modus zugeordneten austretenden Welle, mit dem nicht linearen Material der Schicht 10 in Wechselwirkung zu treten. Gemäß einer Variante kann der Flachbereich 13 durch eine gleichmäßige Entfernung eines Teils der Dicke der Hülle 17 der Faser 9 ersetzt sein, wobei eine Verringerung des Außendurchmessers der Hülle 17 der Lichtleitfaser durch chemischen Angriff erzielt wird.

In diesem Ausführungsbeispiel senden die beiden Laserdioden im nahen Infrarotbereich, z.B. bei einer Wellenlänge von 1,06 Mikrometer, und die Länge der Faser 9 beträgt 20 m, was eine Korrelation von zwei Signalen erlaubt, deren Impulse eine Dauer von 96 Nanosekunden haben, unter Berücksichtigung der optogeometrischen Parameter der verwendeten Faser und des Abstands h zwischen dem Übergang vom Kern 16 zur Hülle 17 und der Schicht 10 aus nicht-linearem Material.

Die geringen Übertragungsverluste in einer Monomode- Faser bieten also die Möglichkeit, große Längen entsprechend einer Impulsdauer in der Größenordnung von 100 Nanosekunden ebenso wie Längen entsprechend Impulsdauern in der Größenordnung von einer Nanosekunde in Betracht zu ziehen, wobei der letztere Fall einer Fortpflanzungslänge von etwa 30 cm in einer Lichtleitfaser entspricht.

In diesem Beispiel besteht die Schicht 10 aus nicht linearem Material, vorzugsweise aus einem Kristall von 2-Dimethyl 4-Nitroanilin, MNA genannt, mit einer Dicke von einigen Mikrometern.

Es ist auch möglich, die Schicht 10 aus einer Langmuir-Blodgett-Schicht zu bilden, die eine zweite Harmonische in einer Richtung senkrecht zur Ebene der Schicht 10 erzeugen kann, wenn eine Lichtwelle in dieser Schicht und in dieser Richtung ankommt. Eine derartige Schicht 10 besitzt den Vorteil, sehr viel leichter herstellbar zu sein als eine monokristalline Schicht wie z.B. MNA.

Durch Modellanalyse des Verhaltens der Materialien ist es möglich, die Leistung der zweiten Harmonischen zu ermitteln, die bei der Korrelation zwischen zwei in Gegenrichtung durch die Faser 9 verlaufenden Lichtsignalen erzeugt werden kann. Nimmt man an, daß das nicht-lineare Material, das auf dem Flachbereich 13 liegt, einen gleichen Brechungsindex wie die Hülle 17 der Faser 9 besitzt, und vernachlässigt man aufgrund der geringen Dicke der Schicht 10 die Interferenzef fekte an der in dieser Schicht 10 erzeugten harmonischen Welle, dann kann man zeigen, daß die Leistung der zweiten Harmonischen sich durch folgende vereinfachte Formel beschreiben läßt:

Hierbei hängt der Koef fizient cNL von den optogeometrischen Eigenschaften der Faser 9 und des Flachbereichs 13 und vom nicht linearen Koeffizienten des Materials der Schicht 10 ab. P&sbplus;(ω) und P&submin;(ω) sind die Leistungen der von den beiden Laserdioden 6 und 8 ausgesandten Impulse und U(t) ist gleich:

Hierbei sind U&sbplus;(t) und U&submin;(t) die zeitlichen Profile der zu korrelierenden beiden Signale, Vg ist die Gruppengeschwindigkeit in der Faser 9 und L ist die Länge der Faser 9.

Vergleicht man die Formeln (1) und (2) mit der Formel für den Wert U'(t) eines Signals, das das Korrelationsintegral der Signale U&sbplus;(t) und U&submin;(t) wiedergibt, nämlich

hierbei ist

dann erkennt man, daß die Leistung der zweiten Harmonischen proportional zum Korrelationsintegral der an den beiden Enden der Faser 9 eingespeisten Signale ist, mit einem Zeitkompressionsfaktor 2 aufgrund der relativen Geschwindigkeit der Impulse, da sie in Wechselwirkung treten, während sie in entgegengesetzter Richtung fortschreiten.

Die nicht-linearen Materialien besitzen im allgemeinen einen höheren Brechungsindex als der der Hülle 17 der Lichtleitfaser 9, allerdings mit Ausnahme der organischen Materialien. Wenn das nicht-lineare Material einen höheren Brechungsindex als die Hülle 17 besitzt, dann läßt sich durch eine verfeinerte Analyse die Leistung der zweiten Harmonischen ebenfalls berechnen.

Figur 3 zeigt Kurven der Leistung P(2ω) der zweiten Harmonischen, wie sie in einem Ausführungsbeispiel erzeugt wird, bei dem die Schicht 10 aus MNA besteht; hierbei ist die von jeder Laserdiode 6 und 8 ausgesandte Leistung gleich 1 Watt und die Länge der Faser ist gleich 20 m. Die Kurven gelten für verschiedene Werte des Unterschieds Δn der Brechungsindices n&sub2; und n&sub1; und für verschiedene Werte des Abstands h zwischen dem Flachbereich 13 und dem Übergang vom Kern 16 zur Hülle 17 der Faser.

Die Leistung der zweiten Harmonischen liegt in der Größenordnung von 10&supmin;&sup5; Watt für einen Abstand h von 1 Mikrometer und eine Wellenlänge λ derart, daß λ/λC = 1,53, wobei λC die Grenzwellenlänge der Faser 9 ist. Der Wirkungsgrad der Vorrichtung verringert sich, wenn das Verhältnis λ/λC abnimmt und wenn der Abstand h zunimmt, oder wenn der Unterschied Δn der Brechungsindices zunimmt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist für zahlreiche Signalverarbeitungen brauchbar, insbesondere auf dem Radarsektor.